零點誤差

零點誤差是指在參比工作條件下，當輸入處於範圍下限值時實際輸出值與規定輸出範圍下限值之差。當下限值不為零值時，亦稱為始點誤差。

基本介紹

• 中文名：零點誤差
• 外文名：Zero error
• 描述：實際輸出值與規定輸出範圍之差
• 套用：電流表誤差
• 學科：數學

概念

零點誤差是指在參比工作條件下，儀表示數誤差的一種表現形式。比如一個電流表，零點沒有校準，就是不通電時，它的指針就不指零。當通電時再去測電流當然會有誤差，這樣的誤差就是零點誤差。

電子秤偏載測試中零點誤差的探討

電子秤是常見的計量器具之一。其檢定依據是JJG539一1997《數字指示秤》檢定規程，該規程是根據JJG555一1996《非自動秤通用》檢定規程制定的，一些檢測項目的具體操作也是參照此規程制定的。由於對規程
的理解不夠透徹。在日常檢測中，關於電子秤偏載測試的零點誤差，在具體操作時會讓檢定人員遇到一些困惑。
JJG555—1996之4.5.2對偏載的規定是：同一砝碼在不同位置的示值。其誤差應不大於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定：確定每次測試的誤差，用零點誤差昂修正每次測試確定之前的值。

通過仔細研究該規程第三部分：測試報告14.4.1砝碼偏載測試。可發現“砝碼偏載測試記錄”表格清楚顯示偏載測試的零點誤差就一個，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個測試點的誤差都一樣的情況是很少的。

通過繼續研究．終於在GB 722—2005《電子台案秤》國家標準中得到啟示，其中5.4.2偏載條款是對偏載測試的技術要求的說明，7.2.7偏載測試條款內容如下：“加放砝碼的位置．要在測試報告的圖中標出。根據該標準7.3.2確定每次測試的誤差，用零點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跟蹤功能，測試期間不能運行。應該注意的是，不同位置的測試誤差套用該位置的零點誤差E₀進行修正，不能用統一的零點誤差來修正。對於不多於4個支承點的秤，將砝碼依次放在面積約等於承栽器1/4的區域。對於多於4個支承點的秤，將砝碼放在每一個支承點上，所占面積約等於承載器面積的l/Ⅳ，Ⅳ為支承點的個數。如果兩個支承點相距太近，可把兩倍的砝碼加放到兩支承點連線兩側兩倍的面積上。”

自感式電感感測器中零點誤差的處理

在工業測量領域中，感測器和測量電路一般不可避免的會存在零點殘餘電壓和零點漂移，即零點誤差。零點誤差的處理對儀器的測量精度起著關鍵性的影響。研究以自感式電感感測器為例，提出了零點誤差處理的一些措施。實驗證明，這些措施對抑制零點誤差、提高儀器測量精度是有效的。

測量原理及零點殘餘電壓的產生

自感式電感感測器是一種建立在電磁感應基礎上，利用線圈的自感變化原理實現非電量電測的感測器。如圖 1 所示為螺管型差動式電感測頭的結構。它主要由測頭10、銜鐵 3、以及兩個電氣參數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，當被測物體產生微小的位移時，測頭 10 通過測桿 8 帶動銜鐵在電感線圈 2 和 4 中產生移動，使其中一個線圈的電感增加，一個線圈的電感減少，形成差動結構。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成。

圖1 電感測頭結構

圖2 變壓器電橋

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，輸出電壓應為零，但實際當銜鐵位於平衡位置時，會存在一個零點幾毫伏甚至達到數十毫伏的微小電壓輸出，即零點殘餘電壓。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部分組成。

零點殘餘電壓產生的原因

零點殘餘電壓產生的主要原因有：

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

（2） 兩個電感線圈的電氣參數以及導磁體幾何尺寸不可能完全對稱；

（3） 感測器本身磁芯磁化曲線的非線性。零點殘餘電壓是影響感測器測量精度的主要因素之一，它使感測器靈敏度下降，非線性誤差增大，甚至使放大器末級趨於飽和，導致儀器電路不能正常工作。

針對其產生的原因，採取以下措施對零點殘餘電壓進行處理：

（1） 提高變壓器次級兩繞組的對稱性變壓器將正弦激勵電源耦合提供給電橋，對測量精度最大的影響是當二次側線圈不對稱時而導致零點殘餘電壓的產生。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、匝比、絕緣材料的選擇以及繞制的方法等方面進行了精心的挑選和設計，文獻對於變壓器的設計進行了詳細的介紹。

圖 3 變壓器測試示意圖

為了保證二次側線圈的對稱性，在經過精心的設計之後對變壓器進行了測試。將信號發生器產生的峰-峰值15V，頻率 9.6kHz 的正弦波（ 模擬電感感測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正弦波幅值完全一致，為 5V，相位相反。

（ 2） 採用試探法對電橋電路進行了設計和改進

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後的輸出，移動測頭將銜鐵向平衡位置移動，並調節電位器的阻值，直至使示波器上的波形幅值儘量降低為零。在調試過程中，出現了電壓不能到零位的情況，這主要是因為串入的橋臂阻抗本身已高出另一橋臂所致，這時應將電位器串入另外一臂或者將變壓器的二次側的兩個繞組的抽頭位置變換一下，再重新調整電位器，即可以找到對應於基波為零的位置。

圖4零點殘餘電壓的調整電路

當零點殘餘電壓的基波分量調為零後，只剩下高次諧波分量，這主要是由於感測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的電源波形為正弦波電源，但是通過線圈的電流發生了畸變，包含了高次諧波分量。理論上差動式結構感測器對於這些高次諧波分量可以完全抵消，但由於電橋並不能嚴格對稱，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，在兩電感線圈並聯了電阻 R₃和電位器 R₂，對電感線圈分流，改變磁化曲線上的工作點，讓其工作線上性階段，減少諧波分量，並調節電位器 R₂，使高次諧波減至最小。按照文獻所提出的後接相敏檢測電路的方法也可對諧波進行抑制。

（3）採用軟體自動補償

感測器的零位誤差從理論上通過電路設計和調試可以完全消除，但實際上感測器和測量電路的特性還會受時間和環境等因素的影響，比如感測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，電橋參數就相應會發生變化，零點位置產生偏移，甚至每次開機測量都會導致電橋零位的偏移，此時必須重新對電路進行阻抗匹配調試等，測量過程極為不便。為此，設計了軟體補償技術來自動校正零點漂移誤差。每次測量之前，由計算機將數據處理中的零點輸出 N₀ 進行存儲，然後再將其他的採樣數據相應的減去 N₀，這樣可以消除由於零點漂移對測量精度的影響。

實驗結果

用德國 Mahr 公司生產的 Millitron No. 1234 IC電感測微儀和中原量儀生產的BCT-5C 型微動台架對電感感測器進行標定。標定時，將兩個電感感測器一同安裝在微動台架的斜面上。輸入位移量以德國 Mahr 公司生產的 Millitron. No. 1234 IC 電感測微儀讀數為基準，微進給 BCT-5C 型微動台架實現。經過多次實驗，發現當自行研製的電感測微儀有1~2mV（對應採樣數據為 1~2 個字）的變動量時，德國電感測微儀示值保持不變，由此得出結論為：電感測微系統的解析度優於 0.01 m。

實驗證明，上述措施對電感感測器存在的零點誤差進行了有效地抑制，使得測量的精度得到了很大的提高。