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什么是精确度与分辨率

什么是精确度与分辨率? 
  衡量仪表测量能力的指标中,通常遇到较多的是精确度(简称精度)的概念。与精度有关的指标有三个:精密度、准确度和精确度等级。
  描述测量仪表指示值不一致程度的量叫精密度。即对某一个稳定的被测量,在相同的工作条件下,由同一个测量者使用同一个仪表,在相当短的时间内按同一方向连续重复测量,获得测量结果(仪表指示值)不一致的程度。例如某温度计的精密度为0.5k,表明该温度计测量温度时,不一致程度不会大于0.5k。不一致程度越小,说明仪表越精密。有时表面上看不一致程度为零,但并不能说明该仪表精密度好。例如某距离的真值是1.426米,经某仪表多次测量的结果均为1.4米,这只能说明该仪表显示的有效位数太少。显然能读出的有效值数越多,仪表的精密度才有可能越高。
  描述仪表指示值有规律地偏离真值的程度叫准确度。例如某电压的真值是10.000mV。经某电压表多次测量结果是10.03mV、10.04mV、10.06mV、10.04mV,则该电压表指示值偏离真值的数值为0.06mV。所以该电压表的准确度为0.06mV。


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图一 真空压力表校验器


  精确度是精密度和准确度两者的总和,即仪表在测量性能上的综合优良程度。仪表的精密度和准确度都高,其精密度才能高。精密度最终是以测量误差的相对值来表示的。
  准确度是由系统误差产生的,它是指服从某一特定规律(如定值、线性、多项式、周期性等函数规律)的误差。产生系统误差的原因有:仪表工作原理所利用的物理规律不完善;仪表本身材质、零部件、制造工艺有缺陷;测量环境有变化;测量中使用仪表的方法不正确;测量工作人员不良的读数习惯等。总之,这些误差的出现是有规律的,产生的原因是可知的。所以应尽可能了解各种误差的原因,并设法消除其影响,或者,在不能消除时,确定或估计出其误差值。
  精密度是两个因数确定的,一个是重复性,它是由随机误差决定的;另一个是仪表能显示的有效位数,能读出的有效位数越多,仪表的精密度越高。随机误差是指在相同的条件下多次测量同一物理量时,在已经消除系统误差的因数之后,测量结果仍有误差。它是由许多影响量细小变化的总和造成的,而其中的每个影响量的变化规律以及它们之间的关系难以认识,因而表现出随机性。但是,总的看这种随机变化服从统计规律(如正态分布、均匀分布等)。测量中,它表现了测量结果的分散性,该误差不能用校正方法消除,只能利用概率论和统计学的一些方法,评估随机误差对测量结果的影响,通过适当的数据处理,有可能大大地减少它对测量结果的影响。
  精确度是反映测量仪表优良程度的综合指标。实际测量中,精密度越高,准确度不一定高,因仪表本身可能存在较大的系统误差。反之,如果准确度高,精密度也不一定高。精密度和准确度的区别,可以用图1-3射击的例子来说明。图1-3(a)表示弹着点很分散,相当于精密度差;图1-3(b)表示精密度良好,但准确度差;图1-3(c)才表示精密度和准确度都很好。


  在工程检测中,为了简单地表示仪表测量结果的可靠程度,引入一个仪表精度等级的概念,用A表示。A的定义是,仪表在规定工作条件下,其最大绝对允许误差值相对仪表测量范围的百分数。即:
A%=(Δgmax/xmax-xmin)*100%           (1-2)
式中      gmax——最大绝对允许误差值
          xmax-xmin——测量范围的上、下限值
          A——精度等级
为了方便,对A的数值以一系列标准百分数值进行分档,如0.001、0.005、0.02、0.05…1.5、2.5、4.0、6.0等。例如某仪表的精度为1.5级,表明该仪表指示值相对误差不大于1.5%。


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图二 真空压力表校验器

 

     如果某仪表的输入量从某个任意非零值缓慢地变化(增大或减小),在输入变化值Δ没有超过某一数值以前,该仪表指示值不会变化,但当输入变化值Δ超过某一数值后,该仪表指示值发生变化。这个使指示值发生变化的最小输入变化值称为仪表的分辨率。分辨率显示仪表能够检测到被测量最小变化量的本领。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格数值的一半。数字式仪表的分辨率规定为最后一位的数字。

在单片机控制的许多应用场合,都要使用变送器来将单片机不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号,如电流变送器,压力变送器、温度变送器、流量变送器等。

    早期的变送器大多为电压输出型,即将测量信号转换为0-5V电压输出,这是运放直接输出,信号功率<0.05W,通过模拟/数字转换电路转换数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合,电压输出型传感器的使用受到了极大限制,暴露了抗干扰能力较差,线路损耗破坏了精度等等等缺点,而两线制电流输出型变送器以其具有极高的抗干扰能力得到了广泛应用。

电压输出型变送器抗干扰能力极差,线路损耗的破坏,谈不上精度有多高,有时输出的直流电压上还叠加有交流成分,使单片机产生误判断,控制出现错误,严重时还会损坏设备,输出0-5V绝对不能远传,远传后线路压降大,精确度大打折扣。现在很多的ADC,PLC,DCS的输入信号端口都作成两线制电流输出型变送器4-20mA的,证明了电压输出型变送器被淘汰的必然趋势。


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图三 三接口压力表校验器





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