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

第1章常用传感器

1 1电阻式传感器

1 1 1应变式传感器

1 1 2电位器式传感器

1 1 3压阻式传感器

1 2电感式传感器

1 2 1自感式电感传感器

1 2 2互感式电感传感器

1 2 3涡流式电感传感器

1 3电容式传感器

1 4压电式传感器

1 5磁电感应式传感器

1 5 1霍尔传感器

1 5 2磁阻传感器

1 5 3磁敏二极管

1 5 4磁敏三极管

1 6热电式传感器

1 6 1热电偶传感器

1 6 2热电阻、热敏电阻传感器

1 6 3热二极管、热晶体管

1 6 4集成温度传感器

1 7光电式传感器

1 7 1光电效应

1 7 2光敏电阻

1 7 3光敏二极管

1 7 4光敏晶体管

1 7 5光电耦合器件

1 8光纤传感器

1 8 1光纤结构及传光原理

1 8 2光纤传感器组成及分类

1 8 3光纤温度传感器

1 8 4光纤压力、振动传感器

1 8 5光纤加速度传感器

1 8 6光纤位移传感器

1 9气敏传感器

1 9 1常见气敏元件的类型

1 9 2气敏元件的主要指标

1 9 3接触燃烧式气体传感器

1 9 4半导体气敏传感器

1 10谐振传感器

1 10 1谐振传感器的原理及特点

1 10 2振膜式传感器

1 10 3振筒式传感器

1 11湿度传感器

1 11 1湿度的表示及主要参数

1 11 2电阻式湿度传感器

1 11 3电容式湿度传感器

1 12生物传感器

1 12 1生物反应及生物敏感膜

1 12 2生物传感器

第2章温度传感器应用电路

2 1热敏电阻传感器应用电路

2 2PN结温度传感器应用电路

2 3集成温度传感器应用电路

2 4铂电阻传感器应用电路

2 5热电偶传感器应用电路

第3章光敏传感器应用电路

3 1光敏电阻应用电路

3 2光敏管应用电路

3 3光电耦合器应用电路

第4章压电传感器应用电路

4 1压力传感器应用电路

4 1 1恒流驱动式半导体压力传感器接口电路

4 1 2数字血压计电路

4 1 3电子气压表电路

4 2振动传感器应用电路

4 2 1汽车防盗报警/制动器

4 2 2敲击式语音门铃

4 2 3冲击加速度测量器

4 3加速度传感器应用电路

4 3 12轴方向加速度应用电路

4 3 23轴方向加速度应用电路

4 3 3微振动测量仪电路

4 3 4集成电容式加速度传感器ADXL05

4 4力敏传感器应用电路

4 4 1汽车压力监视器电路

4 4 2高度计电路

4 4 3电子气压计

4 4 4力敏传感器应用电路

第5章磁敏传感器应用电路

5 1磁敏电阻器应用电路

5 2霍尔传感器应用电路

5 2 1霍尔元件的驱动方式

5 2 2霍尔元件应用电路

5 2 3集成霍尔传感器应用电路

5 3磁敏二极管和三极管应用电路

第6章红外线传感器应用电路

6 1主动式红外传感器应用电路

6 1 1实用的红外线遥控开关电路

6 1 2反射式红外水龙头控制电路

6 1 3简易红外报警电路

6 1 4烟雾报警器电路

6 1 5红外监控无线报警电路

6 1 6红外线遥控接收电路

6 1 7红外线防盗报警器

6 2被动式红外传感器应用电路

6 2 1p7187热释红外测温仪

6 2 2人体红外报警器

6 2 3红外电灯的节能自动开关

6 2 4热释电红外线传感器

6 2 5楼道照明灯自动开关

6 2 6热释电红外线传感器报警电路

第7章气敏传感器应用电路

7 1气体检测与监控电路

7 1 1煤气检测监控电路

7 1 2酒精气体检测电路

7 1 3抽油烟机自动控制电路(一)

7 1 4抽油烟机自动控制电路(二)

7 1 5换气扇自动控制电路

7 1 6自动空气清新器

7 1 7便携式酒精检测报警器

7 2气体报警电路

7 2 1一氧化碳检测报警电路

7 2 2煤气泄漏报警器(一)

7 2 3煤气泄漏报警器(二)

7 2 4由74L500构成的可燃气体定量显示报警电路

7 2 5可燃气体报警器电路

7 2 6有毒有害气体报警器电路原理与设计

7 2 7烧煤居室一氧化碳超标自动排气伴语言告诫电路

第8章超声波传感器应用电路

第9章湿度传感器应用电路

9 1典型的湿度测量电路

9 1 1电桥电路

9 1 2欧姆定律电路

9 1 3带温度补偿的湿度测量电路

9 2湿敏电阻

9 2 1湿敏电阻C5"para" label-module="para">

9 2 2湿敏电阻H104R电压输出式湿度检测电路

9 3湿敏电容

9 3 1HS15构成的电压输出式湿度检测电路

9 3 2HS1101构成的频率输出式检测电路

9 3 3湿敏电容构成的数字式湿度计

9 4集成湿度传感器

9 4 1线性电压输出式集成湿度传感器

9 4 2线性频率输出集成湿度传感器

9 4 3频率/温度输出式集成湿度传感器

9 5单片智能化湿度/温度传感器

9 5 1SHT11温湿度传感器

9 5 2SHT15温湿度传感器的应用

9 6湿度控制与报警电路

9 6 1由湿敏传感器KSC"para" label-module="para">

9 6 2自动除湿控制电路

9 6 3仓储湿度控制电路

9 6 4由MOS1"para" label-module="para">

第10章位置和角度传感器应用电路

第11章微波及人体感应传感器应用电路

11 1微波多普勒传感器应用电路

11 1 1微波多普勒传感器RD627应用电路

11 1 2HB100微波多普勒传感器应用电路

11 1 3微波多普勒传感器WT931应用电路

11 2人体感应传感器

参考文献2100433B

前言

第1章 传感器的基础理论

1.1 传感器概述

1.2 传感器的基本特性

本章小结

思考题与习题

第2章 应变式传感器

2.1 应变式传感器的工作原理

2.2 应变式传感器的结构类型及特性

2.3 电阻应变片的转换电路

2.4 应变式传感器的应用

本章小结

思考题与习题

第3章 电感式传感器

3.1 自感式电感传感器

3.2 互感式电感传感器

3.3 电涡流式传感器

本章小结

思考题与习题

第4章 电容式传感器

4.1 电容式传感器的工作原理

4.2 电容式传感器的类型及特性

4.3 电容式传感器的转换电路

4.4 电容式传感器的应用

本章小结

思考题与习题

第5章 压电式传感器

5.1 压电式传感器的工作原理及等效电路

5.2 压电式传感器的结构及特性

5.3 压电式传感器的转换电路

5.4 压电式传感器的应用

本章小结

思考题与习题

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