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本文檔解釋了應用于測量系統的術語準確度、精密度、分辨率和靈敏度之間的區別。

目標讀者

本文檔適用于操作和解釋 DAQ 測量系統結果的用戶。

概述

儀器制造商通常為其設備提供規格，以定義其準確度、精度、分辨率和靈敏度。不幸的是，并非所有這些規范都是統一的或以相同的術語表達的。此外，即使給出了它們，您是否知道它們如何應用于您的系統和您正在測量的變量？一些規格作為最壞情況值給出，而其他規格則考慮您的實際測量值。

準確

度準確度可以定義為測量中相對于絕對標準的不確定度。精度規范通常包含由增益和偏移參數引起的誤差影響。偏移誤差可以作為測量單位給出，例如伏特或歐姆，并且與被測輸入信號的幅度無關。無論范圍或增益設置如何，示例都可能是 ±1.0 毫伏 (mV) 偏移誤差。相比之下，增益誤差確實取決于輸入信號的幅度，并表示為讀數的百分比，例如 ±0.1%。因此，總精度等于兩者之和：±（輸入的 0.1% +1.0 mV）。一個例子如表 1 所示。

精度

精度描述了測量的再現性。例如，多次測量穩態信號。在這種情況下，如果這些值很接近，則它具有高度的精度或可重復性。這些值不必是只是組合在一起的真實值。取測量值的平均值，其與真實值之間的差值即為準確度。

分辨率

分辨率可以用兩種方式表示：

它是測量的最大信號與可以解析的最小部分之間的比率 - 通常使用模數 (A/D) 轉換器。

它是理論上可以檢測到變化的程度，通常表示為位數。這將分辨率位數與實際電壓測量值相關聯。

為了確定系統在電壓方面的分辨率，我們必須進行一些計算。首先，假設測量系統能夠使用 16 位 A/D 轉換器在 ±10 V 范圍（20 V 跨度）內進行測量。接下來，確定我們可以在 16 位檢測到的最小可能增量。也就是說，2 16 = 65,536，或 65,536 的一部分，因此每個 A/D 計數 20 V÷65536 = 305 微伏 (μV)。因此，我們可以檢測到的最小理論變化是 305 μV。

不幸的是，其他因素進入方程以減少可以使用的理論位數，例如噪聲。指定為 16 位分辨率的數據采集系統也可能包含 16 個噪聲計數。考慮到這種噪聲，16 個計數等于 4 位 (2 4 = 16)；因此，為測量系統指定的 16 位分辨率減少了 4 位，因此 A/D 轉換器實際上只能解析12 位，而不是 16 位。

一種稱為平均的技術可以提高分辨率，但會犧牲速度。平均通過樣本數的平方根來降低噪聲，因此需要將多個讀數相加，然后除以樣本總數。例如，在具有三位噪聲的系統中，2 3 = 8 ，即平均 64 個樣本的 8 個噪聲計數會將噪聲貢獻減少到一個計數，√64 = 8：8÷8 = 1。然而，這技術不能減少非線性的影響，噪聲必須具有高斯分布。

靈敏度

靈敏度是一個絕對量，是測量可以檢測到的最小絕對變化量。考慮具有 ±1.0 伏輸入范圍和 ±4 個噪聲計數的測量設備，如果 A/D 轉換器分辨率為 2 12，則峰峰值靈敏度將為 ±4 個計數 × (2 ÷ 4096) 或 ±1.9 mV pp。這將決定傳感器如何響應。例如，假設一個傳感器額定為 1000 個單元，輸出電壓為 0-1 伏 (V)。這意味著在 1 伏時，等效測量值為 1000 個單位或 1 mV 等于一個單位。然而，靈敏度為 1.9 mV pp，因此在輸入檢測到變化之前需要兩個單位。

測量計算 USB-1608G 系列 示例

讓我們使用USB-1608G DAQ 設備并確定其分辨率、精度和靈敏度。（有關其規格，請參閱下面的表 2 和表 3。）考慮一個傳感器，該傳感器輸出 0 到 3 伏之間的信號并連接到USB-1608G模擬輸入。我們將確定兩種條件下的精度：傳感器輸出為 200 mV 時的條件 1，以及傳感器輸出為 3.0 伏時的條件 2。

精度：USB-1608G 使用 16 位 A/D 轉換器條件 1：在 ±1 伏單端范圍內進行 200 mV 測量

溫度 = 25 °C

分辨率 = 2 V ÷ 2 16 = 30.5 μV

靈敏度 = 30.5 μV × 1.36 LSB rms = 41.5 μV rms

增益誤差 = 0.024% × 200 mV = ±48 μV

失調誤差 = ±245 μV

線性誤差 = 0.0076% 的范圍 = 76 μV

總誤差 = 48 μV + 245 μV + 76 μV = 369 μV

因此，200 mV 讀數可能落在 199.631 mV 到 200.369 mV 的范圍內。

條件 2：在 ±5 伏單端范圍內進行 3.0 V 測量

溫度 = 25 °C

分辨率 = 10 伏 ÷ 2 16 = 152.6 μV

靈敏度 = 152.6 μV × 0.91 LSB rms= 138.8 μV rms

增益誤差 = 0.024% × 3.0 V = 720 μV

失調誤差 = 686 μV

線性誤差 = 量程的 0.0076% = 380 μV

總誤差 = 720 μV + 686 μV + 380 μV = 1.786 mV

因此，3.0 V 讀數可能落在 2.9982 mV 到 3.0018 mV 的范圍內。

總結分析：

精度：考慮條件 1。總精度為 369 μV ÷ 2 V × 100 = 0.0184%

精度：考慮條件 2。總精度為 1.786 mV ÷ 10 V × 100 = 0.0177%

有效的解決方案：將USB-1608G具有的理論分辨率16位的規范。然而，有效分辨率是被測量的最大信號與可分辨的最小電壓之間的比率，即靈敏度。例如，如果我們考慮條件 2，將靈敏度值除以測量的信號值或 (138.5 μV ÷ 3.0 V) = 46.5e -6然后轉換為等效位值產生(1 V ÷ 46.5e -6 ) = 21660或 14.4 位有效分辨率。為了進一步提高有效分辨率，請考慮對前面討論的值進行平均。

靈敏度：最靈敏的測量是在 ±1 伏范圍內進行的，其中噪聲僅為 41.5 μV rms，而5 伏范圍的靈敏度為 138.8 μV rms。通常，在選擇傳感器時，將設備設置為以最佳靈敏度捕獲最高輸出。例如，如果輸出信號為 0-3 伏，則選擇 5 伏范圍而不是 10 伏。