准确度与重复精度的重要性
16.07.25
对于精密运动要求极高的应用，控制系统和定位平台的运动性能直接决定了工作成果的质量与可靠性。从观察生物样本到亚微米级的操作，其结果都依赖于两大关键性能指标，即可实现的准确度与重复精度。
然而，这两个术语常被误解，甚至被混淆使用。但在微米级乃至纳米级的精密运动控制中，这两者有明显的差异，准确区分至关重要。理解它们对系统整体性能的影响，对于正确选择适合特定应用的设备至关重要。
本指南将深入探讨准确度与重复精度的区别、影响它们的因素，及其在实际应用中的作用。
准确度与重复精度有何区别？
首先，我们来明确两者的定义：
- 准确度是指系统的定位与目标位置之间的接近程度。结果可通过平台运动后是否准确到达指令位置来判断，通常以微米 (µm) 或纳米 (nm) 为单位进行测量。
- 重复精度是指系统在多次执行相同定位指令后，返回该位置的稳定性和一致性。通常以标准差或其它衡量一致性的指标表示。
因此，一个系统可能具有四象限性能，即高准确度和低重复精度、低准确度和高重复精度、高准确度和高重复精度、或者低准确度和低重复精度。准确理解任务的需求，有助于判断在运动控制或定位系统中应优先考虑哪一项性能指标。
准确度 vs.重复精度示例
以下是运动系统中常见的四象限性能。
1. 高准确度 + 高重复精度
这类系统每次运动都能精准地停在指令位置，且次次都能稳定重复。该性能组合对于定位精度严格的应用至关重要，比如半导体晶圆计量、硬盘磁头（读写头）测试、超分辨率显微成像等。因为在这些应用中，轻微定位误差就可能严重影响结果。
例如，Queensgate超高速NPS-X-28X平台在理想实验室条件下可实现亚纳米级的准确度与重复精度，因此非常适用于评估新一代硬盘磁头（需要读取宽度小于100nm的数据轨道）的读写性能。
2. 高准确度 + 低重复精度
这类系统在平均水平上能较准确地到达目标位置，但每次移动的波动较大，不适合太过复杂的系统。这类设备适合准确度要求一般且重复性精度要求不高的场合，无法实现一致的数据采集或自动化。
3. 低准确度 + 高重复精度
低准确度、高重复精度的平台每次都能稳定地移动到同一个位置，但该位置可能并不是预设的目标位置。
4. 低准确度 + 低重复精度
这类系统在准确度和重复精度方面都欠佳，动作不稳定、难以预测，不适合任何形式的精密操作。但在某些只需粗略对齐或不需要高精度的应用中仍可使用。
哪些因素会影响准确度与重复精度？
定位系统的准确度与重复精度，取决于两项核心因素：
- 运动驱动方式
- 运动测量方式
要实现微米级甚至亚微米级的性能，需要精心集成多项设计元素，其中每一项元素都会影响系统的准确度、精度乃至整体性能。
1. 测量技术
运动控制系统所采用的测量技术，决定了其可达到的性能水平。比如高端电容式传感器非常适用于超高精度的定位平台。这类传感器具有低噪声、高带宽的优势，能满足严苛应用的精确测量需求。
Prior Scientific在Queensgate压电纳米定位平台中专门采用了双极板电容式传感器来确保高准确度与高重复精度。
2. 驱动技术
Queensgate纳米定位平台采用压电驱动器，实现了无摩擦、零背隙的高精度运动。这类驱动器基于固态晶体在电压作用下的形变原理，理论上可提供无限分辨率。
因此，压电驱动技术非常适合亚微米级定位，尤其适合需要在X轴或Y轴上实现纳米级步进控制的应用。
3. 控制电子元件
精密运动还依赖于控制器对传感器数据的读取与驱动器动作的反馈调节能力。高分辨率、低噪声的电子元件是保障系统在较大行程范围内同时维持准确度与重复精度的关键。
4. 机械设计
最后，机械结构也必须采用优化设计，以尽可能减少误差与结构缺陷。例如，高性能定位平台通常采用低背隙、低滞后结构，能有效抑制运动误差（比如串扰和旋转误差），实现平稳可控的运动。这非常适合显微镜使用的XY平台系统。
高准确度与高重复精度的优势
兼具高准确度与高重复精度的设备能带来诸多工作便利，比如：
- 确保数据和结果可信 – 在如晶圆检测等应用中，即使平台位置偏差1微米，在特定放大倍率下也可能导致测量误差。高性能定位系统可确保测量结果与实际结构高度一致。
- 实现更快更流畅的工作流程 – 具备高重复精度的系统无需频繁校准或重复定位，能显著提升自动扫描或成像过程的速度和效率。
- 优化质量控制 – 在某些行业，高准确度意味着能实现更严格的工艺控制、更稳定的产品质量，以及更少的浪费。
需要强调的是，高精度与高准确度并非所有应用的刚性需求。若一旦任务确有此要求，选择正确技术规格的设备至关重要。
