传感器分辨率:“分辨率”和“精确度”——即Resolution和Accuracy

2021/11/11 07:45 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器分辨率:“分辨率”和“精确度”——即Resolution和Accuracy已关闭评论
摘要:

传感器分辨率:“分辨率”和“精确度”——即Resolution和Accuracy分辨率是传感器测量可以精确到多少位。精度是传感器能实现的测量精确度。编码器的分辨率,是指编码器可读取并输出的最小角度变化,对应的参数有:每转刻线数(line)、每转脉冲数(PPR)、最小步距(Step)、位(Bit)等。最小测量步距就

传感器分辨率:“分辨率”和“精确度”——即Resolution和Accuracy  第1张

传感器分辨率:“分辨率”和“精确度”——即Resolution和Accuracy

分辨率是传感器测量可以精确到多少位。
精度是传感器能实现的测量精确度。
编码器的分辨率,是指编码器可读取并输出的最小角度变化,对应的参数有:
每转刻线数(line)、每转脉冲数(PPR)、最小步距(Step)、位(Bit)等。 最小测量步距就是编码器的分辨率。
编码器的精度,是指编码器输出的信号数据对测量的真实角度的准确度,对应的参数是角分(′)、角秒(″)。
“分辨率”和“精确度”——即Resolution和Accuracy
ADC分辨率由数字化输入信号时所使用的比特数决定。
而精确度是指对于给定模拟输入,实际数字输出与理论预期数字输出之间的接近度。
传感器的精度和分辨率的区别
分辨率就是传感器的灵敏度,即引起输出变化的最小输入量,
数字式仪表通常决定于A/D转换器的位数精度是传感器重复测量同一标准值的最大百分误差,
是校准后衡量准确程度的指标分辨率要优于精度几倍
分辨率,“通常决定于A/D转换器的位数”,或看其输出值的最后一位。
精度——是指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比,是指测量值与真值的最大差异;
分辨率——是值引起示值改变的最小测量值;应与灵敏系数分开(灵敏系数—指输出与输入之比)
关于精密度Precision 准确度Accuracy 和 分辨率Resolution
精密度Precision + 准确度Accuracy=精确度。
LSB(Least Significant Bit),意为最低有效位;
MSB(Most Significant Bit),意为最高有效位,
若MSB=1,则表示数据为负值,若MSB=0,则表示数据为正。
LSB这一术语有着特定的含义,它表示的是数字流中的最后一位,也表示组成满量程输入范围的最小单位。
对于12位转换器来说,LSB的值相当于模拟信号满量程输入范围除以2^12 或 4,096的商。
丢失的只可能是最低端或最高端的编码。
例如,误差为+8LSB ((+3LSB失调误差) + (+5LSB增益误差)) 的一个12位转换器可能输出的编码范围为0 至 4,088。
丢失的编码为4088至4095。相对于满量程这一误差很小仅为其0.2%。
与此相对,一个误差为-3LSB((-3LSB失调误差)—(-5LSB增益误差))的12位转换器输出的编码范围为3至4,095。此时增益误差会造成精度下降,但不会使编码丢失。丢失的编码为0、1和2。这两个例子给出的都是最坏情况。在实际的转换器中,失调误差和增益误差很少会如此接近最大值。
在实际应用中,由于ADC失调或增益参数的改进而使性能提升的程度微不足道,甚至可以忽略。
利用固件设计可以很容易地实现数字校准算法。但更重要的是,电路的前端放大/信号调理部分通常会产生比转换器本身更大的误差。
通过上面的讨论可以对本文开头提到的错误结论有一个更为全面而清晰的认识。
事实上,上述的12位转换器的精度约为11.997位。采用微处理器或单片机可以利用简单的校准算法消除这种失调和增益误差,这对设计人员来说无疑是个好消息。
分辨率和精度之间的差异。
举例来说,当两个转换器都具有12 bit的相同分辨率时,但其中一个可能只有10bit的精度,
而另一个可能具有14bit的精度,应当认识到这两种转换器具有不一样的性能。
还有就是,即使增加分辨率bit数而达不到这些增加的bit数所提高的精度,也不能达到提高精度的目的。
在与使用模数转换器 (ADC) 的系统设计人员进行交谈时,我最常听到的一个问题就是:
“你的16位ADC的精度也是16位的吗?”
这个问题的答案取决于对分辨率和精度概念的基本理解。尽管是两个完全不同的概念,这两个数据项经常被搞混和交换使用。
今天的博文详述了这两个概念间的差异。我们将在一系列帖子中深入研究造成ADC不准确的主要原因。
ADC的分辨率被定义为输入信号值的最小变化,这个最小数值变化会改变数字输出值的一个数值。
对于一个理想ADC来说,传递函数是一个步宽等于分辨率的阶梯。
然而,在具有较高分辨率的系统中(≥16位),传输函数的响应将相对于理想响应有一个较大的偏离。
这是因为ADC以及驱动器电路导致的噪声会降低ADC的分辨率。
此外,如果DC电压被施加到理想ADC的输入上并且执行多个转换的话,数字输出应该始终为同样的代码(由图1中的黑点表示)。
现实中,根据总体系统噪声(也就是包括电压基准和驱动器电路),输出代码被分布在多个代码上(由下面的一团红点表示)。
系统中的噪声越多,数据点的集合就越宽,反之亦然。
图1中显示的是一个中量程DC输入的示例。ADC传递函数上输出点的集合通常被表现为ADC数据表中的DC柱状图。

图1中的图表提出了一个有意思的问题。
如果同样的模拟输入会导致多个数字输出,那么对于ADC分辨率的定义仍然有效吗?
是的,前提是我们只考虑ADC的量化噪声。
然而,当我们将信号链中所有的噪声和失真计算在内时,
正如等式 (1) 中所显示的那样,ADC的有效无噪声分辨率取决于输出代码分布 (NPP)。

在典型ADC数据表中,有效位数 (ENOB) 间接地由AC参数和信噪失真比 (SINAD) 指定,可使用方程式2计算得出:

下面,考虑一下图1中的输出代码簇(红点)不是位于理想输出代码的中央,
而是位于远离黑点的ADC传递曲线上的其他位置(如图2中所示)。
这个距离是指示出采集系统精度。
不但ADC,还有前端驱动电路、基准和基准缓冲器都会影响到总体系统精度。

传感器分辨率:“分辨率”和“精确度”——即Resolution和Accuracy  第2张

传感器分辨率:传感器分辨率、灵敏度和精度三者的区别

人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。
传感器早已渗透到诸如工业生产、农业、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。参数指标包括灵敏度、分辨率、精度等,但很多人都不是很清楚这三个参数的区别,导致使用时出现大大小小的问题,下面,我们就传感器的灵敏度、分辨率和精度三者的区别为大家简单介绍一下。
灵敏度
概念:是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值,即输出、输入量的量纲之比。
传感器灵敏度是输出——输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一个常数。否则,它将随输入量的变化而变化。当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。
分辨率
概念:是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时,其输出才会发生变化。
分辨率通常理解为A/D转换精度或能感知的最小变化而精度通常指:A/D、传感电路其它因素等综合因素,误差除以显示所得的百分比。数字式仪表通常决定于A/D转换器的位数精度是传感器重复测量同一标准值的最大百分误差,是校准后衡量准确程度的指标分辨率要优于精度几倍。分辨率与传感器的稳定性有负相关性。
精度
概念:是指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比,是指测量值与真值的最大差异;分辨率——是指引起示值改变的最小测量值;应与灵敏系数分开(灵敏系数——指输出与输入之比) 。
一般的国产温度传感器的精度分A、B两个级别,国标规定如下:根据传感器的输出值与所测量的温度的真值的差来划分,A级:不大于±(0.15℃+0.002*传感器量程);B级:不大于±(0.30℃+0.005*传感器量程)。所以,如果要求测量精度较高,应该选用量程较小的传感器。分辨率,“通常决定于A/D转换器的位数”,或看其输出值的最后一位。
传感器分辨率:“分辨率”和“精确度”——即Resolution和Accuracy  第3张

传感器分辨率:传感器分辨率精度

分辨率是传感器测量可以精确到多少位。
精度是传感器能实现的测量精确度。

编码器的分辨率,是指编码器可读取并输出的最小角度变化,对应的参数有:
每转刻线数(line)、每转脉冲数(PPR)、最小步距(Step)、位(Bit)等。 最小测量步距就是编码器的分辨率。
编码器的精度,是指编码器输出的信号数据对测量的真实角度的准确度,对应的参数是角分(′)、角秒(″)。

“分辨率”和“精确度”——即Resolution和Accuracy
ADC分辨率由数字化输入信号时所使用的比特数决定。

而精确度是指对于给定模拟输入,实际数字输出与理论预期数字输出之间的接近度。

传感器的精度和分辨率的区别
分辨率就是传感器的灵敏度,即引起输出变化的最小输入量,
数字式仪表通常决定于A/D转换器的位数精度是传感器重复测量同一标准值的最大百分误差,
是校准后衡量准确程度的指标分辨率要优于精度几倍

分辨率,“通常决定于A/D转换器的位数”,或看其输出值的最后一位。

精度——是指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比,是指测量值与真值的最大差异;
分辨率——是值引起示值改变的最小测量值;应与灵敏系数分开(灵敏系数—指输出与输入之比)

关于精密度Precision 准确度Accuracy 和 分辨率Resolution
精密度Precision + 准确度Accuracy = 精确度。

LSB(Least Significant Bit),意为最低有效位;

MSB(Most Significant Bit),意为最高有效位,

若MSB=1,则表示数据为负值,若MSB=0,则表示数据为正。

LSB这一术语有着特定的含义,它表示的是数字流中的最后一位,也表示组成满量程输入范围的最小单位。

对于12位转换器来说,LSB的值相当于模拟信号满量程输入范围除以2^12 或 4,096的商。

丢失的只可能是最低端或最高端的编码。

例如,误差为+8LSB ((+3LSB失调误差) + (+5LSB增益误差)) 的一个12位转换器可能输出的编码范围为0 至 4,088。

丢失的编码为4088至4095。相对于满量程这一误差很小仅为其0.2%。

与此相对,一个误差为-3LSB((-3LSB失调误差)—(-5LSB增益误差))的12位转换器输出的编码范围为3至4,095。此时增益误差会造成精度下降,但不会使编码丢失。丢失的编码为0、1和2。这两个例子给出的都是最坏情况。在实际的转换器中,失调误差和增益误差很少会如此接近最大值。

在实际应用中,由于ADC失调或增益参数的改进而使性能提升的程度微不足道,甚至可以忽略。

利用固件设计可以很容易地实现数字校准算法。但更重要的是,电路的前端放大/信号调理部分通常会产生比转换器本身更大的误差。

通过上面的讨论可以对本文开头提到的错误结论有一个更为全面而清晰的认识。

事实上,上述的12位转换器的精度约为11.997位。采用微处理器或单片机可以利用简单的校准算法消除这种失调和增益误差,这对设计人员来说无疑是个好消息。

分辨率和精度之间的差异。
举例来说,当两个转换器都具有12 bit的相同分辨率时,但其中一个可能只有10bit的精度,
而另一个可能具有14bit的精度,应当认识到这两种转换器具有不一样的性能。

还有就是,即使增加分辨率bit数而达不到这些增加的bit数所提高的精度,也不能达到提高精度的目的。
在与使用模数转换器 (ADC) 的系统设计人员进行交谈时,我最常听到的一个问题就是:

“你的16位ADC的精度也是16位的吗?”

这个问题的答案取决于对分辨率和精度概念的基本理解。尽管是两个完全不同的概念,这两个数据项经常被搞混和交换使用。

今天的博文详述了这两个概念间的差异。我们将在一系列帖子中深入研究造成ADC不准确的主要原因。

ADC的分辨率被定义为输入信号值的最小变化,这个最小数值变化会改变数字输出值的一个数值。

对于一个理想ADC来说,传递函数是一个步宽等于分辨率的阶梯。

然而,在具有较高分辨率的系统中(≥16位),传输函数的响应将相对于理想响应有一个较大的偏离。

这是因为ADC以及驱动器电路导致的噪声会降低ADC的分辨率。

此外,如果DC电压被施加到理想ADC的输入上并且执行多个转换的话,数字输出应该始终为同样的代码(由图1中的黑点表示)。

现实中,根据总体系统噪声(也就是包括电压基准和驱动器电路),输出代码被分布在多个代码上(由下面的一团红点表示)。

系统中的噪声越多,数据点的集合就越宽,反之亦然。

图1中显示的是一个中量程DC输入的示例。ADC传递函数上输出点的集合通常被表现为ADC数据表中的DC柱状图。

图1中的图表提出了一个有意思的问题。

如果同样的模拟输入会导致多个数字输出,那么对于ADC分辨率的定义仍然有效吗?

是的,前提是我们只考虑ADC的量化噪声。

然而,当我们将信号链中所有的噪声和失真计算在内时,

正如等式 (1) 中所显示的那样,ADC的有效无噪声分辨率取决于输出代码分布 (NPP)。

在典型ADC数据表中,有效位数 (ENOB) 间接地由AC参数和信噪失真比 (SINAD) 指定,可使用方程式2计算得出:

下面,考虑一下图1中的输出代码簇(红点)不是位于理想输出代码的中央,

而是位于远离黑点的ADC传递曲线上的其他位置(如图2中所示)。

这个距离是指示出采集系统精度。

不但ADC,还有前端驱动电路、基准和基准缓冲器都会影响到总体系统精度。

传感器分辨率:科普|传感器的灵敏度、分辨率和精度三者之间有何区别?

传感器作为一种检测装置,具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化的特点。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,需要各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。

要进行—个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。选型确定之后,就需要考虑传感器的具体性能指标了。

传感器的参数指标包括灵敏度、分辨率、精度等,但很多人都不是很清楚这三个参数的区别,导致使用时出现大大小小的问题,下面,我们就传感器的灵敏度、分辨率和精度三者的区别为大家简单介绍一下。

灵敏度

概念:是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值,即输出、输入量的量纲之比。

通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的干扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

分辨率

概念:是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时,其输出才会发生变化。

分辨率通常理解为A/D转换精度或能感知的最小变化而精度通常指:A/D、传感电路其它因素等综合因素,误差除以显示所得的百分比。数字式仪表通常决定于A/D转换器的位数精度是传感器重复测量同一标准值的最大百分误差,是校准后衡量准确程度的指标分辨率要优于精度几倍。分辨率与传感器的稳定性有负相关性。

精度

概念:是指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比,是指测量值与真值的最大差异;分辨率——是指引起示值改变的最小测量值;应与灵敏系数分开(灵敏系数——指输出与输入之比) 。

精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。

如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。

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