零点误差自感式电感传感器中零点误差的处理

在工业测量领域中，传感器和测量电路一般不可避免的会存在零点残余电压和零点漂移，即零点误差。零点误差的处理对仪器的测量精度起着关键性的影响。研究以自感式电感传感器为例，提出了零点误差处理的一些措施。实验证明，这些措施对抑制零点误差、提高仪器测量精度是有效的。

零点误差测量原理及零点残余电压的产生

自感式电感传感器是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈的自感变化原理实现非电量电测的传感器。如图 1 所示为螺管型差动式电感测头的结构。它主要由测头10、衔铁 3、以及两个电气参数和磁路完全相同的线圈 2 和 4 组成。测头 10 与被测物体直接接触，当被测物体产生微小的位移时，测头 10 通过测杆 8 带动衔铁在电感线圈 2 和 4 中产生移动，使其中一个线圈的电感增加，一个线圈的电感减少，形成差动结构。电感的测量电路有许多，变压器电桥是其中最典型的一种。变压器电桥如图 2 所示，它是从变压器次级中心抽头， 把次级分为两个绕组接入电桥作为电桥的两邻臂， 另外两臂由两差动电感线圈构成。

理想情况下，变压器次级绕组上下两部分对称，故两部分的电压相等。电桥平衡时，输出电压应为零，但实际当衔铁位于平衡位置时，会存在一个零点几毫伏甚至达到数十毫伏的微小电压输出，即零点残余电压。从示波器上观察，它包含了很多幅值和频率互不相同的谐波成分，由基波和高次谐波两个部分组成。

零点误差零点残余电压产生的原因

零点残余电压产生的主要原因有：

（1） 次级两个线圈电气参数和几何尺寸不对称，两线圈电势幅值和相位均不相等；

（2） 两个电感线圈的电气参数以及导磁体几何尺寸不可能完全对称；

（3） 传感器本身磁芯磁化曲线的非线性。零点残余电压是影响传感器测量精度的主要因素之一，它使传感器灵敏度下降，非线性误差增大，甚至使放大器末级趋于饱和，导致仪器电路不能正常工作。

针对其产生的原因，采取以下措施对零点残余电压进行处理：

（1） 提高变压器次级两绕组的对称性变压器将正弦激励电源耦合提供给电桥，对测量精度最大的影响是当二次侧线圈不对称时而导致零点残余电压的产生。为此，我们在变压器的形状、铁芯材料、线圈的材料和直径尺寸、匝数、匝比、绝缘材料的选择以及绕制的方法等方面进行了精心的挑选和设计，文献 对于变压器的设计进行了详细的介绍。

为了保证二次侧线圈的对称性，在经过精心的设计之后对变压器进行了测试。将信号发生器产生的峰-峰值15V，频率 9.6kHz 的正弦波（ 模拟电感传感器二次测量电路变压器电桥正弦载波的输入）输入到变压器的初级，如图 3 所示，从示波器观察到从变压器次级输出的两个正弦波幅值完全一致，为 5V，相位相反。

（ 2） 采用试探法对电桥电路进行了设计和改进

如图 4 所示，首先将电位器 R₁ 串入电桥的一臂，通过示波器观察交流放大后的输出，移动测头将衔铁向平衡位置移动，并调节电位器的阻值，直至使示波器上的波形幅值尽量降低为零。在调试过程中，出现了电压不能到零位的情况，这主要是因为串入的桥臂阻抗本身已高出另一桥臂所致，这时应将电位器串入另外一臂或者将变压器的二次侧的两个绕组的抽头位置变换一下，再重新调整电位器，即可以找到对应于基波为零的位置。

当零点残余电压的基波分量调为零后，只剩下高次谐波分量，这主要是由于传感器磁芯的磁化曲线的非线性引起的，虽然通过变压器耦合给二次侧的电源波形为正弦波电源，但是通过线圈的电流发生了畸变，包含了高次谐波分量。理论上差动式结构传感器对于这些高次谐波分量可以完全抵消，但由于电桥并不能严格对称，在两电感线圈的非线性不一致的情况下，只能抵消一部分。为此，在两电感线圈并联了电阻 R₃和电位器 R₂，对电感线圈分流，改变磁化曲线上的工作点，让其工作在线性阶段，减少谐波分量，并调节电位器 R₂，使高次谐波减至最小。按照文献 所提出的后接相敏检测电路的方法也可对谐波进行抑制。

（3）采用软件自动补偿

传感器的零位误差从理论上通过电路设计和调试可以完全消除，但实际上传感器和测量电路的特性还会受时间和环境等因素的影响，比如传感器输出的信号通常通过电缆线接入测量电路，只要电缆被拨动一下，电桥参数就相应会发生变化，零点位置产生偏移，甚至每次开机测量都会导致电桥零位的偏移，此时必须重新对电路进行阻抗匹配调试等，测量过程极为不便。为此，设计了软件补偿技术来自动校正零点漂移误差。每次测量之前，由计算机将数据处理中的零点输出 N₀ 进行存储，然后再将其他的采样数据相应的减去 N₀，这样可以消除由于零点漂移对测量精度的影响。

零点误差实验结果

用德国 Mahr 公司生产的 Millitron No. 1234 IC电感测微仪和中原量仪生产的BCT-5C 型微动台架对电感传感器进行标定。标定时，将两个电感传感器一同安装在微动台架的斜面上。输入位移量以德国 Mahr 公司生产的 Millitron. No. 1234 IC 电感测微仪读数为基准，微进给 BCT-5C 型微动台架实现。经过多次实验，发现当自行研制的电感测微仪有1~2mV（对应采样数据为 1~2 个字）的变动量时，德国电感测微仪示值保持不变，由此得出结论为：电感测微系统的分辨率优于 0.01 m。

实验证明，上述措施对电感传感器存在的零点误差进行了有效地抑制，使得测量的精度得到了很大的提高。 2100433B

电子秤是常见的计量器具之一。其检定依据是JJG539一1997《数字指示秤》检定规程，该规程是根据JJG555一1996《非自动秤通用》检定规程制定的，一些检测项目的具体操作也是参照此规程制定的。由于对规程

的理解不够透彻。在日常检测中，关于电子秤偏载测试的零点误差，在具体操作时会让检定人员遇到一些困惑。

JJG555—1996之4.5.2对偏载的规定是：同一砝码在不同位置的示值。其误差应不大于该秤量的最大允许误差。JJG555—1996之114.7对偏载测试还有这样的规定：确定每次测试的误差，用零点误差昂修正每次测试确定之前的值。

通过仔细研究该规程第三部分：测试报告14.4.1砝码偏载测试。可发现“砝码偏载测试记录”表格清楚显示偏载测试的零点误差就一个，是在中间位置测得的。但是，只要做过电子秤检测的人员都知道，偏载测试中，4个测试点的误差都一样的情况是很少的。

通过继续研究．终于在GB 722—2005《电子台案秤》国家标准中得到启示，其中5.4.2偏载条款是对偏载测试的技术要求的说明，7.2.7偏载测试条款内容如下：“加放砝码的位置．要在测试报告的中标出。根据该标准7.3.2确定每次测试的误差，用零点误差晚修正每次测试确定之前的值。如果秤具有自动置零或零点跟踪功能，测试期间不能运行。应该注意的是，不同位置的测试误差应用该位置的零点误差E₀进行修正，不能用统一的零点误差来修正。对于不多于4个支承点的秤，将砝码依次放在面积约等于承栽器1/4的区域。对于多于4个支承点的秤，将砝码放在每一个支承点上，所占面积约等于承载器面积的l/Ⅳ，Ⅳ为支承点的个数。如果两个支承点相距太近，可把两倍的砝码加放到两支承点连线两侧两倍的面积上。”

零点误差是指在参比工作条件下，仪表示数误差的一种表现形式。比如一个电流表，零点没有校准，就是不通电时，它的指针就不指零。当通电时再去测电流当然会有误差，这样的误差就是零点误差。

误差（errors）是实验科学术语，指测量结果偏离真值的程度。对任何一个物理量进行的测量都不可能得出一个绝对准确的数值，即使使用测量技术所能达到的最完善的方法，测出的数值也和真实值存在差异，这种测量值和真实值的差异称为误差。数值计算分为绝对误差和相对误差。也可以根据误差来源分为系统误差（又称可定误差、已定误差）、随机误差（又称机会误差、未定误差）和毛误差（又称粗差）。

测距误差可分为两类：一类是与距离远近无关的误差，即测相误差和仪器加常数误差；仪器和棱镜的对中误差以及周期误差等，它们合称为固定误差；另一类是与距离成比例的误差，即真空光速值的测定误差、频率误差和大气折射率误差，它们合称为比例误差。

比例误差固定误差分析

测相误差就是测定相位差的误差。主要包括：测相系统本身的误差；照准误差；幅相误差以及由噪音引起的误差等。仪器的加常数K是一个与所测距离无关的常数。通常是将它测定出来，预置在仪器中，对所测的距离D'自动进行改正以便得到改正后的距离D，即：D=D' K

周期误差是以一定距离为周期重复出现的误差，它的周期一般是精测波长的二分之一，但也有例外。周期误差主要是由于仪器内部电信号的串扰而产生的。

比例误差比例误差分析

由于真空光速值的测定精度已相当高，故真空光速值的测定误差的影响可以忽略不计。频率误差的产生主要有两方面的原因：一是振荡器设置的调制频率有误差，即频率的准确度问题；二是在使用过程中，由于晶体老化、温度变化、电源及电子电路的影响，振荡器的频率发生漂移，即频率的稳定度问题。大气折射率误差的来源主要是测定气温和气压的误差，这就要求所测定气温及气压应能准确地代表测线的气象条件。

根据误差产生的原因及性质可分为系统误差与偶然误差两类 。

误差理论系统误差

由于仪器结构上不够完善或仪器未经很好校准等原因会产生误差。例如，各种刻度尺的热胀冷缩，温度计、表盘的刻度不准确等都会造成误差。

由于实验本身所依据的理论、公式的近似性，或者对实验条件、测量方法的考虑不周也会造成误差。例如，热学实验中常常没有考虑散热的影响，用伏安法测电阻时没有考虑电表内阻的影响等。

由于测量者的生理特点，例如反应速度，分辨能力，甚至固有习惯等也会在测量中造成误差。

以上都是造成系统误差的原因。系统误差的特点是测量结果向一个方向偏离，其数值按一定规律变化。我们应根据具体的实验条件，系统误差的特点，找出产生系统误差的主要原因，采取适当措施降低它的影响。

误差理论偶然误差

在相同条件下，对同一物理量进行多次测量，由于各种偶然因素，会出现测量值时而偏大，时而偏小的误差现象，这种类型的误差叫做偶然误差。

产生偶然误差的原因很多，例如读数时，视线的位置不正确，测量点的位置不准确，实验仪器由于环境温度、湿度、电源电压不稳定、振动等因素的影响而产生微小变化等等。这些因素的影响一般是微小的，而且难以确定某个因素产生的具体影响的大小，因此偶然误差难以找出原因加以排除。

但是实验表明，大量次数的测量所得到的一系列数据的偶然误差都服从一定的统计规律，这些规律有：

a.绝对值相等的正的与负的误差出现机会相同；

b.绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的机会多；

c.误差不会超出一定的范围。

实验结果还表明，在确定的测量条件下，对同一物理量进行多次测量，并且用它的算术平均值作为该物理量的测量结果，能够比较好地减少偶然误差。