零點(diǎn)誤差

電子秤是常見的計(jì)量器具之一。其檢定依據(jù)是JJG539一1997《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程，該規(guī)程是根據(jù)JJG555一1996《非自動秤通用》檢定規(guī)程制定的，一些檢測項(xiàng)目的具體操作也是參照此規(guī)程制定的。由于對規(guī)程

的理解不夠透徹。在日常檢測中，關(guān)于電子秤偏載測試的零點(diǎn)誤差，在具體操作時(shí)會讓檢定人員遇到一些困惑。

JJG555—1996之4.5.2對偏載的規(guī)定是：同一砝碼在不同位置的示值。其誤差應(yīng)不大于該秤量的最大允許誤差。JJG555—1996之114.7對偏載測試還有這樣的規(guī)定：確定每次測試的誤差，用零點(diǎn)誤差昂修正每次測試確定之前的值。

通過仔細(xì)研究該規(guī)程第三部分：測試報(bào)告14.4.1砝碼偏載測試?？砂l(fā)現(xiàn)“砝碼偏載測試記錄”表格清楚顯示偏載測試的零點(diǎn)誤差就一個(gè)，是在中間位置測得的。但是，只要做過電子秤檢測的人員都知道，偏載測試中，4個(gè)測試點(diǎn)的誤差都一樣的情況是很少的。

通過繼續(xù)研究．終于在GB 722—2005《電子臺案秤》國家標(biāo)準(zhǔn)中得到啟示，其中5.4.2偏載條款是對偏載測試的技術(shù)要求的說明，7.2.7偏載測試條款內(nèi)容如下：“加放砝碼的位置．要在測試報(bào)告的中標(biāo)出。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)7.3.2確定每次測試的誤差，用零點(diǎn)誤差晚修正每次測試確定之前的值。如果秤具有自動置零或零點(diǎn)跟蹤功能，測試期間不能運(yùn)行。應(yīng)該注意的是，不同位置的測試誤差應(yīng)用該位置的零點(diǎn)誤差E₀進(jìn)行修正，不能用統(tǒng)一的零點(diǎn)誤差來修正。對于不多于4個(gè)支承點(diǎn)的秤，將砝碼依次放在面積約等于承栽器1/4的區(qū)域。對于多于4個(gè)支承點(diǎn)的秤，將砝碼放在每一個(gè)支承點(diǎn)上，所占面積約等于承載器面積的l/Ⅳ，Ⅳ為支承點(diǎn)的個(gè)數(shù)。如果兩個(gè)支承點(diǎn)相距太近，可把兩倍的砝碼加放到兩支承點(diǎn)連線兩側(cè)兩倍的面積上。”

在工業(yè)測量領(lǐng)域中，傳感器和測量電路一般不可避免的會存在零點(diǎn)殘余電壓和零點(diǎn)漂移，即零點(diǎn)誤差。零點(diǎn)誤差的處理對儀器的測量精度起著關(guān)鍵性的影響。研究以自感式電感傳感器為例，提出了零點(diǎn)誤差處理的一些措施。實(shí)驗(yàn)證明，這些措施對抑制零點(diǎn)誤差、提高儀器測量精度是有效的。

零點(diǎn)誤差測量原理及零點(diǎn)殘余電壓的產(chǎn)生

自感式電感傳感器是一種建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈的自感變化原理實(shí)現(xiàn)非電量電測的傳感器。如圖 1 所示為螺管型差動式電感測頭的結(jié)構(gòu)。它主要由測頭10、銜鐵 3、以及兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈 2 和 4 組成。測頭 10 與被測物體直接接觸，當(dāng)被測物體產(chǎn)生微小的位移時(shí)，測頭 10 通過測桿 8 帶動銜鐵在電感線圈 2 和 4 中產(chǎn)生移動，使其中一個(gè)線圈的電感增加，一個(gè)線圈的電感減少，形成差動結(jié)構(gòu)。電感的測量電路有許多，變壓器電橋是其中最典型的一種。變壓器電橋如圖 2 所示，它是從變壓器次級中心抽頭， 把次級分為兩個(gè)繞組接入電橋作為電橋的兩鄰臂， 另外兩臂由兩差動電感線圈構(gòu)成。

理想情況下，變壓器次級繞組上下兩部分對稱，故兩部分的電壓相等。電橋平衡時(shí)，輸出電壓應(yīng)為零，但實(shí)際當(dāng)銜鐵位于平衡位置時(shí)，會存在一個(gè)零點(diǎn)幾毫伏甚至達(dá)到數(shù)十毫伏的微小電壓輸出，即零點(diǎn)殘余電壓。從示波器上觀察，它包含了很多幅值和頻率互不相同的諧波成分，由基波和高次諧波兩個(gè)部分組成。

零點(diǎn)誤差零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因

零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的主要原因有：

（1） 次級兩個(gè)線圈電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，兩線圈電勢幅值和相位均不相等；

（2） 兩個(gè)電感線圈的電氣參數(shù)以及導(dǎo)磁體幾何尺寸不可能完全對稱；

（3） 傳感器本身磁芯磁化曲線的非線性。零點(diǎn)殘余電壓是影響傳感器測量精度的主要因素之一，它使傳感器靈敏度下降，非線性誤差增大，甚至使放大器末級趨于飽和，導(dǎo)致儀器電路不能正常工作。

針對其產(chǎn)生的原因，采取以下措施對零點(diǎn)殘余電壓進(jìn)行處理：

（1） 提高變壓器次級兩繞組的對稱性變壓器將正弦激勵(lì)電源耦合提供給電橋，對測量精度最大的影響是當(dāng)二次側(cè)線圈不對稱時(shí)而導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓的產(chǎn)生。為此，我們在變壓器的形狀、鐵芯材料、線圈的材料和直徑尺寸、匝數(shù)、匝比、絕緣材料的選擇以及繞制的方法等方面進(jìn)行了精心的挑選和設(shè)計(jì)，文獻(xiàn) 對于變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

為了保證二次側(cè)線圈的對稱性，在經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)之后對變壓器進(jìn)行了測試。將信號發(fā)生器產(chǎn)生的峰-峰值15V，頻率 9.6kHz 的正弦波（ 模擬電感傳感器二次測量電路變壓器電橋正弦載波的輸入）輸入到變壓器的初級，如圖 3 所示，從示波器觀察到從變壓器次級輸出的兩個(gè)正弦波幅值完全一致，為 5V，相位相反。

（ 2） 采用試探法對電橋電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)

如圖 4 所示，首先將電位器 R₁ 串入電橋的一臂，通過示波器觀察交流放大后的輸出，移動測頭將銜鐵向平衡位置移動，并調(diào)節(jié)電位器的阻值，直至使示波器上的波形幅值盡量降低為零。在調(diào)試過程中，出現(xiàn)了電壓不能到零位的情況，這主要是因?yàn)榇氲臉虮圩杩贡旧硪迅叱隽硪粯虮鬯?，這時(shí)應(yīng)將電位器串入另外一臂或者將變壓器的二次側(cè)的兩個(gè)繞組的抽頭位置變換一下，再重新調(diào)整電位器，即可以找到對應(yīng)于基波為零的位置。

當(dāng)零點(diǎn)殘余電壓的基波分量調(diào)為零后，只剩下高次諧波分量，這主要是由于傳感器磁芯的磁化曲線的非線性引起的，雖然通過變壓器耦合給二次側(cè)的電源波形為正弦波電源，但是通過線圈的電流發(fā)生了畸變，包含了高次諧波分量。理論上差動式結(jié)構(gòu)傳感器對于這些高次諧波分量可以完全抵消，但由于電橋并不能嚴(yán)格對稱，在兩電感線圈的非線性不一致的情況下，只能抵消一部分。為此，在兩電感線圈并聯(lián)了電阻 R₃和電位器 R₂，對電感線圈分流，改變磁化曲線上的工作點(diǎn)，讓其工作在線性階段，減少諧波分量，并調(diào)節(jié)電位器 R₂，使高次諧波減至最小。按照文獻(xiàn) 所提出的后接相敏檢測電路的方法也可對諧波進(jìn)行抑制。

（3）采用軟件自動補(bǔ)償

傳感器的零位誤差從理論上通過電路設(shè)計(jì)和調(diào)試可以完全消除，但實(shí)際上傳感器和測量電路的特性還會受時(shí)間和環(huán)境等因素的影響，比如傳感器輸出的信號通常通過電纜線接入測量電路，只要電纜被撥動一下，電橋參數(shù)就相應(yīng)會發(fā)生變化，零點(diǎn)位置產(chǎn)生偏移，甚至每次開機(jī)測量都會導(dǎo)致電橋零位的偏移，此時(shí)必須重新對電路進(jìn)行阻抗匹配調(diào)試等，測量過程極為不便。為此，設(shè)計(jì)了軟件補(bǔ)償技術(shù)來自動校正零點(diǎn)漂移誤差。每次測量之前，由計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)處理中的零點(diǎn)輸出 N₀ 進(jìn)行存儲，然后再將其他的采樣數(shù)據(jù)相應(yīng)的減去 N₀，這樣可以消除由于零點(diǎn)漂移對測量精度的影響。

零點(diǎn)誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用德國 Mahr 公司生產(chǎn)的 Millitron No. 1234 IC電感測微儀和中原量儀生產(chǎn)的BCT-5C 型微動臺架對電感傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，將兩個(gè)電感傳感器一同安裝在微動臺架的斜面上。輸入位移量以德國 Mahr 公司生產(chǎn)的 Millitron. No. 1234 IC 電感測微儀讀數(shù)為基準(zhǔn)，微進(jìn)給 BCT-5C 型微動臺架實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)自行研制的電感測微儀有1~2mV（對應(yīng)采樣數(shù)據(jù)為 1~2 個(gè)字）的變動量時(shí)，德國電感測微儀示值保持不變，由此得出結(jié)論為：電感測微系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于 0.01 m。

實(shí)驗(yàn)證明，上述措施對電感傳感器存在的零點(diǎn)誤差進(jìn)行了有效地抑制，使得測量的精度得到了很大的提高。 2100433B

零點(diǎn)誤差是指在參比工作條件下，儀表示數(shù)誤差的一種表現(xiàn)形式。比如一個(gè)電流表，零點(diǎn)沒有校準(zhǔn)，就是不通電時(shí)，它的指針就不指零。當(dāng)通電時(shí)再去測電流當(dāng)然會有誤差，這樣的誤差就是零點(diǎn)誤差。

誤差（errors）是實(shí)驗(yàn)科學(xué)術(shù)語，指測量結(jié)果偏離真值的程度。對任何一個(gè)物理量進(jìn)行的測量都不可能得出一個(gè)絕對準(zhǔn)確的數(shù)值，即使使用測量技術(shù)所能達(dá)到的最完善的方法，測出的數(shù)值也和真實(shí)值存在差異，這種測量值和真實(shí)值的差異稱為誤差。數(shù)值計(jì)算分為絕對誤差和相對誤差。也可以根據(jù)誤差來源分為系統(tǒng)誤差（又稱可定誤差、已定誤差）、隨機(jī)誤差（又稱機(jī)會誤差、未定誤差）和毛誤差（又稱粗差）。

測距誤差可分為兩類：一類是與距離遠(yuǎn)近無關(guān)的誤差，即測相誤差和儀器加常數(shù)誤差；儀器和棱鏡的對中誤差以及周期誤差等，它們合稱為固定誤差；另一類是與距離成比例的誤差，即真空光速值的測定誤差、頻率誤差和大氣折射率誤差，它們合稱為比例誤差。

比例誤差固定誤差分析

測相誤差就是測定相位差的誤差。主要包括：測相系統(tǒng)本身的誤差；照準(zhǔn)誤差；幅相誤差以及由噪音引起的誤差等。儀器的加常數(shù)K是一個(gè)與所測距離無關(guān)的常數(shù)。通常是將它測定出來，預(yù)置在儀器中，對所測的距離D'自動進(jìn)行改正以便得到改正后的距離D，即：D=D' K

周期誤差是以一定距離為周期重復(fù)出現(xiàn)的誤差，它的周期一般是精測波長的二分之一，但也有例外。周期誤差主要是由于儀器內(nèi)部電信號的串?dāng)_而產(chǎn)生的。

比例誤差比例誤差分析

由于真空光速值的測定精度已相當(dāng)高，故真空光速值的測定誤差的影響可以忽略不計(jì)。頻率誤差的產(chǎn)生主要有兩方面的原因：一是振蕩器設(shè)置的調(diào)制頻率有誤差，即頻率的準(zhǔn)確度問題；二是在使用過程中，由于晶體老化、溫度變化、電源及電子電路的影響，振蕩器的頻率發(fā)生漂移，即頻率的穩(wěn)定度問題。大氣折射率誤差的來源主要是測定氣溫和氣壓的誤差，這就要求所測定氣溫及氣壓應(yīng)能準(zhǔn)確地代表測線的氣象條件。

根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因及性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差與偶然誤差兩類 。

誤差理論系統(tǒng)誤差

由于儀器結(jié)構(gòu)上不夠完善或儀器未經(jīng)很好校準(zhǔn)等原因會產(chǎn)生誤差。例如，各種刻度尺的熱脹冷縮，溫度計(jì)、表盤的刻度不準(zhǔn)確等都會造成誤差。

由于實(shí)驗(yàn)本身所依據(jù)的理論、公式的近似性，或者對實(shí)驗(yàn)條件、測量方法的考慮不周也會造成誤差。例如，熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中常常沒有考慮散熱的影響，用伏安法測電阻時(shí)沒有考慮電表內(nèi)阻的影響等。

由于測量者的生理特點(diǎn)，例如反應(yīng)速度，分辨能力，甚至固有習(xí)慣等也會在測量中造成誤差。

以上都是造成系統(tǒng)誤差的原因。系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是測量結(jié)果向一個(gè)方向偏離，其數(shù)值按一定規(guī)律變化。我們應(yīng)根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件，系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)，找出產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因，采取適當(dāng)措施降低它的影響。

誤差理論偶然誤差

在相同條件下，對同一物理量進(jìn)行多次測量，由于各種偶然因素，會出現(xiàn)測量值時(shí)而偏大，時(shí)而偏小的誤差現(xiàn)象，這種類型的誤差叫做偶然誤差。

產(chǎn)生偶然誤差的原因很多，例如讀數(shù)時(shí)，視線的位置不正確，測量點(diǎn)的位置不準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)儀器由于環(huán)境溫度、濕度、電源電壓不穩(wěn)定、振動等因素的影響而產(chǎn)生微小變化等等。這些因素的影響一般是微小的，而且難以確定某個(gè)因素產(chǎn)生的具體影響的大小，因此偶然誤差難以找出原因加以排除。

但是實(shí)驗(yàn)表明，大量次數(shù)的測量所得到的一系列數(shù)據(jù)的偶然誤差都服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這些規(guī)律有：

a.絕對值相等的正的與負(fù)的誤差出現(xiàn)機(jī)會相同；

b.絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的機(jī)會多；

c.誤差不會超出一定的范圍。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，在確定的測量條件下，對同一物理量進(jìn)行多次測量，并且用它的算術(shù)平均值作為該物理量的測量結(jié)果，能夠比較好地減少偶然誤差。