計量學中(zhōng)的分辨率(lǜ)是衡(héng)量整體價值(zhí)的關鍵指標。然而(ér),很多時候我們會專注於從測量儀器(qì)中讀出的計數或數字的數量,而沒有理解這些數字是有效的輸出值還是隻是(shì)附加到信號的噪聲。根(gēn)據計量學詞匯(VIM),分辨率是(shì)被測量量的***小變化,導致相應指示發生可察覺的變化。
我們(men)以矽壓力傳感器為例。從技術上講,我們(men)從矽傳感器中獲得的分辨率是無限的,並且僅受用於測量傳感器的換能器的限製。然而,封裝的壓力傳感器具有解釋數據的電子設備就會限製了可(kě)以從傳感器中獲得的整體分辨率。Mensor的CPT9000 高級壓力傳感器(qì)具有集成(chéng)的24位A/D轉換器,具(jù)有16,777,216 步或計數,這是從選定(dìng)的(de)位數可能產生的***大離散值或除法數。那麽這是否意味著您在讀取傳感器時可以獲得超過 0.1PPM的(de)分辨率,但其有效(xiào)性取決於測量過程、儀器(qì)的整體不確定度以及儀器製造商設置的讀數限製。
測量過程
考慮從Mensor壓力傳感器讀(dú)取單個壓力值。讀數的分辨率代表一(yī)部分真實信號(hào)和一部分(fèn)噪聲。由於此噪聲是(shì)隨機的(de),無法對讀取的單個值的真實性(xìng)給予高度的(de)置信度。
現在,如果在相同條件下多次重複此過程(chéng),我們就可以(yǐ)計算讀數的平均(jun1)值以明顯接近真(zhēn)實值。假設噪聲是隨機的,計算平均值的標準偏(piān)差會顯(xiǎn)著提高讀數真實性的整(zhěng)體置信(xìn)水平。
因此,一個0~1psi全量(liàng)程(chéng)傳感器,具有7位分辨率,其中您可以得出小至0.1x10-5psi的分辨率(lǜ)。單個讀數的整體信噪比的置信度(dù)明顯(xiǎn)低於采用更大樣本(běn)量的置信度。
儀器的(de)不確定度
分辨率不確定度是(shì)導致測量不確定度(dù)的一個因素。分辨率也被認為是整體 A 類不確定度(dù)的一個因素,是通過(guò)在定義的條件下獲(huò)得的統計分析來計算的。通(tōng)常,不確定度的分辨(biàn)率分(fèn)量計算為整個A類不(bú)確定度和平方根方程的矩(jǔ)形分(fèn)布。
這意味著對(duì)於具(jù)有7位分辨率的(de)相(xiàng)同0~1psi傳感器,存在與0.1x10-5psi ***小分辨率相關的不確定因素。盡管如此,其整體影(yǐng)響在很大程度上(shàng)取決於這與A 類(偏差)和 B 類(參考不確定(dìng)性、線性(xìng)度、重複性、滯後等)不(bú)確定性(xìng)中的其他因素的(de)關係。
廠家(jiā)設置的限製
為了應(yīng)對分辨率對整體不確定度的影響,設備製造商限製(zhì)了(le)儀器(qì)(特別是帶(dài)有數字顯示指示的儀器)的讀數,以減少顯示噪聲並使讀數更容易。
在前麵的示例(lì)中,傳感器(qì)的總體規定(dìng)不確定度為0.01%FS(在k=2時報告,置信水平為~95%)。任何靈敏度(dù)高於0.1x10-3psi 的(de)讀數都不(bú)具(jù)有相同的真實性置信水平。因此,在這種情況下,盡管分辨率能夠達到 0.1x10-5psi,但尚不清楚記錄的測量值的***後兩位數字是否有任何意義。
通過讀取為抵消噪聲輸出而部署(shǔ)的過濾器,可以在一(yī)定程度(dù)上緩解這個問題。但是,過濾器必須不使(shǐ)顯示讀(dú)數滯後於真實讀數。
對於精密壓(yā)力指示器CPG2500等壓(yā)力(lì)儀器,報告的測量不確定(dìng)度為0.008%或80ppm,分辨率(lǜ)定(dìng)義為(wéi)6-7位數字。這種情況主要是為了確保壓力輸(shū)出的信噪比高。
所以總而言之,更高的分辨率並不一定意(yì)味著更真實(shí)的值,尤其(qí)是當讀數(shù)本身的樣本量有限時。話雖如此,重要的是要知道分辨率確實會影(yǐng)響儀器的整體不確定性。
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