測量儀器誤差構(gòu)成

1、第一章測量儀器誤差構(gòu)成以精度參數(shù)為核心的計(jì)量特性是測量儀器設(shè)計(jì)、選用時(shí)考慮的首要條件。影響測量儀器 計(jì)算特性的誤差因素多種多樣，分析這些誤差的來源、特征、構(gòu)成及對測量儀器計(jì)量特性的 影響，對于測量儀器的設(shè)計(jì)具有關(guān)鍵性意義，對于正確使用測量儀器也有指導(dǎo)意義。1.1 測量儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測量的過程就是被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較的過程，通過比較給出被測量的測量結(jié)果被測量-卜比較 測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)量這是測量儀器所實(shí)現(xiàn)的基本工作，為實(shí)現(xiàn)這一比較，測量儀器應(yīng)包含被測量輸入環(huán)節(jié)， 標(biāo)準(zhǔn)量環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)，量值轉(zhuǎn)換放大環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，輸出環(huán)節(jié)等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1-1所示。測量控制系統(tǒng)被測量被測量f圖1-2電壓表測量電壓示

2、意圖1-1測量儀器結(jié)構(gòu)框圖圖1.1所示測量儀器構(gòu)成框圖中，列出了一般的構(gòu)成環(huán)節(jié)，不同儀器不盡相同，有些環(huán) 節(jié)不存在，有些環(huán)節(jié)可能綜合在一起，但采樣、標(biāo)準(zhǔn)量、比較環(huán)節(jié)和輸出環(huán)節(jié)則是必不可少 的核心環(huán)節(jié)。(1) 采樣環(huán)節(jié)采樣環(huán)節(jié)功能是采集被測量信號，采樣環(huán)節(jié)在 一些較簡單的儀器中常與比較環(huán)節(jié)等融合在一起， 沒有單獨(dú)的采樣環(huán)節(jié)。對于采樣環(huán)節(jié)的要求：1)信號采集過程不會影響到被測量：例如圖1-2所示電壓表測量電壓時(shí)，電壓表并聯(lián)于被測支路二 端。由此造成了被測支路的分流而使待測電壓降低， 這是不允許的，為使這一影響控制在允許的限度以 內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證電壓表的內(nèi)阻足夠大，以使其造 成的分流作用可忽略不計(jì)。

3、2)信號采集可靠：信號的采集應(yīng)準(zhǔn)確可靠，避免采樣誤差，更不允許產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。例如測溫傳感器通過熱傳導(dǎo)采溫時(shí)要受到其保護(hù)層熱傳導(dǎo)特性的影。會使測得溫度值產(chǎn)生誤 差，這就要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮傳感器傳熱特性。又如動(dòng)態(tài)量的測量中，測量儀器響應(yīng)速度不夠會 歪曲測量結(jié)果，要求測量儀器有足夠的響應(yīng)頻率。3）進(jìn)行必要的信號轉(zhuǎn)換和處理：為便于測量比較，有時(shí)需要對測量信號作必要的預(yù)處 理，如轉(zhuǎn)換處理、放大處理，信號篩選等。各種非電量的電測傳感器中，都需要將被測量信 號轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，以便進(jìn)行測量比較和后續(xù)處理。光電測量中，光學(xué)鏡頭將物體形貌在接收 屏上形成影像并轉(zhuǎn)換成電信號。（2）標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)以特定形式給出量值標(biāo)

4、準(zhǔn)，包括單位量標(biāo)準(zhǔn)和細(xì)分系統(tǒng)。要求：1）具有足夠的準(zhǔn)確度；2）穩(wěn)定可靠；3）便于進(jìn)行比較；4）好的經(jīng)濟(jì)性。標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)的性能是決定測量儀器計(jì)量特性的關(guān)鍵因素，其性能參數(shù)常作為指標(biāo)性參數(shù) 林不出來。標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除考慮上述要求外，還要特別注意到與其它環(huán)節(jié)的配合使用，不可孤 立地看待標(biāo)準(zhǔn)量。（3）比較環(huán)節(jié)比較系統(tǒng)將采集、經(jīng)處理后的測量信號與標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，給出比較 結(jié)果。要求比較過程不損失精度或影響可忽略。測量比較過程要求被測信號與標(biāo)準(zhǔn)量必須具有可比性，即必須是同一量且具有同一量值 比例。（4）量值轉(zhuǎn)換放大環(huán)節(jié)量值轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)通常在比較環(huán)節(jié)之后，有時(shí)也在比較環(huán)節(jié)之前。對量值轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的設(shè)

5、計(jì)要 求：圖1-3準(zhǔn)直儀原理圖1）實(shí)現(xiàn)量值類型的轉(zhuǎn)換：機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，如各類測微傳感器；電學(xué)量變成機(jī)械 量，如電壓表測量結(jié)果的電壓轉(zhuǎn)變成線圈的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)并由指針的偏轉(zhuǎn)指示出來；光學(xué)量轉(zhuǎn)變 成電學(xué)量，如光電測量中，光信號經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換成電信號；溫度變化轉(zhuǎn)變成電學(xué)量變化， 如各種電子測溫儀等；2）實(shí)現(xiàn)量值放大：將量值放大 有利于比較、細(xì)分，是提高儀器精度 的有效措施。3）實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，模、數(shù)轉(zhuǎn)換 是數(shù)字化儀器的不可缺少的重要環(huán) 節(jié)。數(shù)字化不僅便于以后的數(shù)據(jù)處理， 而且除數(shù)字處理誤差而外，數(shù)字量統(tǒng) 不會帶來其它誤差，有利于提高儀器 精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換要考慮轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn) 換的精度要求決定了所采用的模數(shù)轉(zhuǎn)

6、換芯片的位數(shù)。轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)的選擇要恰當(dāng)，不可少，也不可多。即要保證轉(zhuǎn)換精度，又要具有 好的經(jīng)濟(jì)性。（5）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于函數(shù)關(guān)系處理和數(shù)據(jù)的精化處理。1）函數(shù)關(guān)系處理：主要處理間接測量問題的函數(shù)關(guān)系以及各種各樣復(fù)雜數(shù)據(jù)處理算法的實(shí)施。例如準(zhǔn)直測量中，被測角度與光電器件的檢測結(jié)果S按如下關(guān)系計(jì)算SS關(guān)系為非線性關(guān)系21儀器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)完成這一處理工作。實(shí)際的儀器tg2 11 arctg S在 較大時(shí)，為獲得精確結(jié)果，應(yīng)按上式處理。2）數(shù)據(jù)精化處理：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)施各種處理方法，以最大限度的減少誤差影響。如 儀器多次采樣取算術(shù)平均值；測量數(shù)據(jù)的擬合處理；測量結(jié)果的誤差修正；各

7、種誤差補(bǔ)償算 法；數(shù)據(jù)處理的各種優(yōu)化算法。在一些簡單的儀器中并不需要數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，或因處理要求簡單，可借助于簡單的技術(shù) 措施實(shí)施模擬量的處理。現(xiàn)代化的測量儀器中通常設(shè)置了數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)（即單片機(jī)或系統(tǒng)計(jì) 算機(jī)），其數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可實(shí)施十分復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作，并且有對儀器的某些參數(shù)重 新校正的可能。（6）輸出環(huán)節(jié)輸出環(huán)節(jié)用以將最終結(jié)果以一定的形式輸出，有二類形式：模擬量輸出和數(shù)字量輸出。具體的方法有：指針式或其它標(biāo)記形式指示結(jié)果；數(shù)碼顯示（包括計(jì)算機(jī)屏顯）；記錄曲線；模擬或數(shù)字信號輸出；打印輸出（數(shù)字或曲線）等。設(shè)計(jì)要求：可靠、方便。（7）測量控制系統(tǒng)自動(dòng)化測量儀器需設(shè)置測量控制系統(tǒng)，按設(shè)計(jì)的測

8、量程序控制測量過程，代替人工操作，控制各環(huán)節(jié)按預(yù)定要求有序地工作。測量控制系統(tǒng)由單片機(jī)或PC機(jī)和控制程序組成。例：激光測長儀的方框圖。激光測長儀的原理如圖1-4所示。激光器發(fā)出的測量光束經(jīng)分光鏡分為兩束光，一束經(jīng)參考反光鏡后返回于分光鏡，另一 束通過分光鏡射入測量反射鏡后返回分光鏡，該光束與參考反射鏡反射回來的光束產(chǎn)生干 涉，干涉場景進(jìn)入光電器件轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)二路光的光程差為波長的整數(shù)倍時(shí)干涉場呈亮景，當(dāng)二路光的光程差為波長的半波長 時(shí)，干涉場呈暗景。測量過程中，隨著測量反射鏡的移動(dòng)，二路光的光程差隨之變化，則干涉場出現(xiàn)反復(fù)的 明暗變化。由此光電轉(zhuǎn)換器給出強(qiáng)弱變化的正弦信號，設(shè)信號變化波數(shù)為

9、 N ,激光波長為則測量反射鏡位移 L為1L N2儀器的構(gòu)成框圖可表示為圖1-5。測量控制系統(tǒng)被測長度 位移量干涉光信號正鉉信號計(jì)數(shù)n學(xué)度數(shù)也l測量結(jié)果0卡:系平性光疝量系根轉(zhuǎn)堆1轉(zhuǎn)、計(jì)率pw®控制信任圖1-5激光測長儀框圖例：鉗電阻測溫儀的構(gòu)成框圖。鉗電阻測量儀的工作原理：溫度變化引起鉗電阻傳感器阻值的變化，該變化引起測量電 路參數(shù)變化給出電壓變化信號，該電壓信號與標(biāo)準(zhǔn)電壓比較得測量信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù) 處理得測量結(jié)果。鉗電阻測溫儀的構(gòu)成框圖可表示為圖1-6。測量控制系一溫西 | 阻值 | 電:數(shù)字單測量結(jié)果輸出數(shù)據(jù) 粕電阻 1測/ 電力8 模數(shù)轉(zhuǎn)由k數(shù)據(jù)處壬1輸出廠執(zhí)行器|控制

10、器|圖1-6鉗電阻測溫儀原理框圖1.2 測量儀器各環(huán)節(jié)的誤差分析各環(huán)節(jié)的誤差將為完善測量儀器計(jì)量特性提供基本條件，對儀器各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)具有 指導(dǎo)意義。以下對各環(huán)節(jié)的誤差因素作一般性討論，對于具體儀器環(huán)節(jié)的誤差的分析則需要針對具 體情況進(jìn)行。測量信號采集環(huán)節(jié)誤差測量信號采集環(huán)節(jié)不失真地拾取測量信號，是測量儀器的第一環(huán)節(jié)， 該環(huán)節(jié)常為傳感器,即一次表（測量頭）。該環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差一比一地影響到測量結(jié)果，影響最大，是儀器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。該環(huán)節(jié)誤差形式多種多樣，可采取的克服采樣誤差的措施也千差萬別。測量信號采集環(huán)節(jié)的誤差有以下幾類：1）采樣過程改變被測量；2）敏感器件特性的非線性；3）環(huán)節(jié)產(chǎn)生的滯后、變動(dòng)

11、、噪聲等；4）器件變形，特性變化等；5）環(huán)節(jié)構(gòu)件的特性校準(zhǔn)誤差。例1:測溫傳感器測溫時(shí)，其特性非線性造成的采樣誤差；由于熱傳導(dǎo)構(gòu)成的信號拾取 的滯后，使之在測量溫度變化時(shí)產(chǎn)生滯后誤差；這些都是器件特性產(chǎn)生的采樣誤差。例2:電流表測量電流時(shí)，要串接入被測支路，電流表的內(nèi)阻改變了支路的參數(shù)，使被 測電流產(chǎn)生變化，這是原理性的采樣誤差。 為克服這一誤差，設(shè)計(jì)中電流表的內(nèi)阻應(yīng)充分低， 使其影響可忽略不計(jì)。例3:光電圖像測量中，要求系統(tǒng)能將圖像正確成像于光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，鏡頭器件、參 數(shù)材料特性等會影響到成像質(zhì)量，這是設(shè)計(jì)和工藝性造成的采樣誤差。量值轉(zhuǎn)換放大環(huán)節(jié)誤差量值轉(zhuǎn)換放大環(huán)節(jié)有時(shí)置于測量的比較環(huán)節(jié)之

12、前，將被測信號轉(zhuǎn)換放大以后再與相應(yīng)標(biāo) 準(zhǔn)量進(jìn)行測量比較。對于非電量，當(dāng)被測量直接與標(biāo)準(zhǔn)量比較時(shí)，常在測量比較以后設(shè)置轉(zhuǎn) 換放大環(huán)節(jié)，將測量比較結(jié)果轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，并進(jìn)行放大以提高分辨力。該環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差包括：1）轉(zhuǎn)換特性誤差：轉(zhuǎn)換特性的非線性、滯后、特性的變化、不確定性（噪聲）等；2）量值轉(zhuǎn)換放大比誤差：包括生產(chǎn)中和使用中放大比的調(diào)整誤差、及使用中轉(zhuǎn)換放大 比的變化等；3）轉(zhuǎn)換特性的校準(zhǔn)誤差：通過標(biāo)準(zhǔn)器具比較測量給出的轉(zhuǎn)換特性，由于標(biāo)準(zhǔn)器具及校 準(zhǔn)方法的誤差，使所得轉(zhuǎn)換特性與實(shí)際特性產(chǎn)生差異，導(dǎo)致量值轉(zhuǎn)換誤差；4）環(huán)境條件的影響：如供電電壓的變化，溫度偏差和變化等造成的漂移；例1:鉗電阻測溫儀測

13、溫時(shí)，溫度變化轉(zhuǎn)變成阻值的變化，經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘? 然后送給比較環(huán)節(jié)，與標(biāo)準(zhǔn)電壓比較。鉗電阻的非線性，測量電路的非線性、噪聲造成該環(huán) 節(jié)的主要誤差。例2:應(yīng)變片測量構(gòu)件變形，變形轉(zhuǎn)換成電信號，其特性的非線性，放大比誤差和放大 比變化，是轉(zhuǎn)換放大環(huán)節(jié)的主要誤差。例3:光電測量中，圖像經(jīng)鏡組成像后，光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換成電信號，光學(xué)系統(tǒng)的像差, 放大比誤差等造成成像誤差，光電器件的敏感性的不均勻，像素的壞點(diǎn)，光電器件的驅(qū)動(dòng)電 路都可造成轉(zhuǎn)換誤差。例4:氣壓計(jì)測量氣壓，膜盒將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰疲灰平?jīng)放大機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換放大，使指針偏 轉(zhuǎn)，以度盤為標(biāo)準(zhǔn)指示出壓力值，膜盒的特性，傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差，是轉(zhuǎn)換

14、放大環(huán)節(jié) 的主要誤差因素。標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)誤差標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)是儀器構(gòu)成的必備環(huán)節(jié)，其構(gòu)成形式、繁簡程度各不相同，誤差影響也千差 萬別。標(biāo)準(zhǔn)量誤差對測量精度有直接影響，它一比一地影響到測量結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)量的精度水平是決定儀器總體精度的關(guān)鍵，它對測量儀器的計(jì)量特性具有指標(biāo)性意 義。標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng)的誤差因素包括：1）原理性誤差：采用標(biāo)準(zhǔn)量的形式不同，其精度水平不同，由此產(chǎn)生的誤差是原理性 的誤差；2）器件、材料特性：器件、構(gòu)件材料的特性缺欠，不穩(wěn)定性造成量值的均勻性和穩(wěn)定性誤差；3）工藝誤差：包括加工誤差、調(diào)整誤差；4）細(xì)分誤差：標(biāo)準(zhǔn)量需要作細(xì)分處理時(shí)，細(xì)分誤差是影響測量結(jié)果的主要因素之一；5）校準(zhǔn)誤差：當(dāng)使用校準(zhǔn)值

15、時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)量的校準(zhǔn)誤差直接影響測量結(jié)果；6）環(huán)境誤差：標(biāo)準(zhǔn)量值的保持應(yīng)有一定的環(huán)境條件要求，環(huán)境條件的偏差、變化對標(biāo) 準(zhǔn)量系統(tǒng)有重大影響。例1:光柵式測角儀的圓光柵付為儀器提供了角度標(biāo)準(zhǔn)。細(xì)分電路對該角度信號再作細(xì) 分以獲得高分辨力，圓光柵的刻劃誤差，安裝偏心誤差都直接影響到測量結(jié)果，這是工藝誤 差，細(xì)分電路的誤差一是影響測量精度，二是對分辨力提高受到制約。例2:激光干涉測長中，激光波長為標(biāo)準(zhǔn)量，波長誤差，波長漂移對測量結(jié)果有直接影響，環(huán)境條件參數(shù)溫度 T ,氣壓P,濕度f對空氣折射率n有直接影響，因此也就影響到了波長值n0 。這里測量的環(huán)境條件對測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)量有重大影響。n測量比較環(huán)節(jié)誤差拾

16、取的被測量需與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較才能給出測量結(jié)果，測量比較環(huán)節(jié)是測量儀器不可缺 少的環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)也處于測量鍵的前端，對儀器的計(jì)量特性也有直接影響。測量比較環(huán)節(jié)的誤差包括：1）原理性誤差；2）方法誤差；3）器件誤差；4）工藝誤差。例1 :測長儀的比較環(huán)節(jié)誤差。圖1-7所示為測長儀比較測量的原理，圖（ a）所示為并列式測長儀，不符合阿貝原則，會產(chǎn)生阿貝誤差(一次方誤差)。而圖(b)所示比較方式為串列方式，符合阿貝原則，導(dǎo)軌 產(chǎn)生的誤差為二次方誤差，十分微小。測量比較原理不同，產(chǎn)生誤差不同。(a)(b)圖1-7并列式與串聯(lián)式測長儀原理比較例2:利用彈簧稱量質(zhì)量，彈簧稱按虎克定律工作，按轉(zhuǎn)換成的重力與彈簧

17、力比較得到 稱量結(jié)果。這種比較方式受重力加速度，空氣浮動(dòng)，彈簧力的穩(wěn)定性，刻度誤差等多種因素 影響，較難獲得高精度的結(jié)果。利用天平稱量質(zhì)量，是按等臂杠桿原理工作的，這種比較方 式具有良好的對稱性，重力加速度、空氣浮動(dòng)等多種因素均不會影響到比較結(jié)果，故在高精 度的量值傳遞中都采用天平進(jìn)行比較測量。例3:電阻測量中的電橋誤差。圖1-8 (b)電路中，通過測量電阻上的電壓V和通過的電流I可得電阻值Rco這種方法受到多種因素的影響，不易實(shí)現(xiàn)高精度測量。采用圖1-8 (a)所示橋路測量電阻，因其對稱性，能有效地克服電壓波動(dòng)等因素的影響，有利于實(shí)現(xiàn)高精度測量。(a)(b)圖1-8電橋測量誤差模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差為

18、便于數(shù)據(jù)處理，控制某些誤差因素，或?yàn)閷?shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需要將測量信號數(shù)字化，通常 由數(shù)字電路構(gòu)成，其核心器件是模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該環(huán)節(jié)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換誤差來源主要是模擬轉(zhuǎn)換的位數(shù)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)誤差測量信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。實(shí)際上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 就是計(jì)算機(jī)(單片機(jī)或 PC機(jī))和處理程序。數(shù)據(jù)處理工作包括：1)計(jì)算測量結(jié)果：按預(yù)定的(設(shè)計(jì)的)函數(shù)關(guān)系、系數(shù)、當(dāng)量實(shí)現(xiàn)量值轉(zhuǎn)換，獲得測量結(jié)果；2）實(shí)施誤差補(bǔ)償：按校準(zhǔn)的修正曲線消除測量的系統(tǒng)誤差；3）實(shí)施各種精化算法：例如進(jìn)行算術(shù)平均值計(jì)算，最小乘法處理，擬合處理及各種復(fù) 雜處理程序。4）對測量結(jié)果進(jìn)行評判：給出測量結(jié)

19、果的不確定度。該環(huán)節(jié)的誤差來源和處理程序如下：1）定標(biāo)或數(shù)學(xué)模型誤差：如量值的定度誤差、非線性誤差等，是原理性誤差，由儀器 設(shè)計(jì)決定，這類誤差屬于系統(tǒng)誤差。有時(shí)可通過實(shí)驗(yàn)或理論分析得到，然后予以消除；2）數(shù)據(jù)運(yùn)算及舍入誤差：一般計(jì)算機(jī)的位數(shù)是足夠的，主要控制有效數(shù)字；3）誤差補(bǔ)償或特性曲線補(bǔ)償誤差：主要來源于實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)誤差；4）算法誤差：對于一些復(fù)雜的測量問題用于平差處理等方面的一些處理程序，如最小 二乘法處理、回歸分析、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理、有限元分析、遺傳算法、小波分析、神精網(wǎng)絡(luò)方法 等算法。因各種原因，這些算法都有誤差。要控制算法誤差需針對具體算法分析處理。測量結(jié)果輸出環(huán)節(jié)誤差模擬輸出中，涉及的誤

20、差因素較多， 例指針式模擬儀表， 輸出誤差有分度盤的刻度誤差， 安裝偏心誤差，讀數(shù)瞄準(zhǔn)誤差等，打印曲線輸出誤差有繪圖誤差，標(biāo)尺誤差等。控制信號輸 出誤差受輸出干擾、衰減等方面影響。數(shù)字量輸出只有數(shù)字顯示誤差即量化誤差，大小是末位數(shù)字的半個(gè)單位。測量控制系統(tǒng)誤差測量控制系統(tǒng)是自動(dòng)化測量儀器必備的環(huán)節(jié)，它控制著測量儀器按預(yù)定程序完成測量過 程。測量控制系統(tǒng)包括：控制計(jì)算機(jī)和控制程序，控制電路，控制機(jī)構(gòu)等。該系統(tǒng)一般不直接影響儀器精度，但控制程序的設(shè)計(jì)也需考慮儀器的誤差，特別是高精 度測量，動(dòng)態(tài)測量等情形。輔助系統(tǒng)誤差輔助系統(tǒng)包括：機(jī)體、支架、外罩等，一般不直接影響儀器精度，但有時(shí)也會對儀器造 成影

21、響，例如機(jī)體的變形，屏蔽性等，儀器設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)注意。1.3測量儀器的誤差構(gòu)成按誤差性質(zhì)，儀器誤差分為：隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差， 出現(xiàn)粗大誤差是不允許的，應(yīng)避免。按來源，儀器誤差分為：設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生誤差，生產(chǎn)加工中產(chǎn)生的誤差，使用中產(chǎn)生的誤差。設(shè)計(jì)誤差設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的誤差有多方面。（1）原理誤差測量原理決定著儀器的基本面貌，在很大程度上決定儀器的計(jì)量特性。設(shè)計(jì)原理的近似，或某種不完善，數(shù)學(xué)模型的簡化，數(shù)據(jù)處理的簡化等都會產(chǎn)生原理性 誤差。例1按正弦原理測量小角度，當(dāng)測得相應(yīng)位移S,則角度可按正弦關(guān)系得到S sin l式中一一被測角度；S 正弦臂端位移； l 正弦臂長。當(dāng) 為小角度時(shí)，則可將上述關(guān)系寫成線性

22、化關(guān)系，以簡化定度工作Sl此時(shí)產(chǎn)生的原理誤差為S . S一 arcsin 一ll對于具有非線性輸入輸出特性的儀器，出于定度的方便，常按線性關(guān)系規(guī)定輸入輸出關(guān) 系，由此引入線性化誤差，這是原理誤差。對于大多數(shù)傳感器都具有非線性特性。線性化產(chǎn) 生原理誤差是較為普遍的一種情形。例2按測頻法測量電信號頻率如下，圖 1-10所示為測量系統(tǒng)的方框圖。圖1-10測頻法測量信號頻率原理框圖被測電信號經(jīng)脈沖電路形成脈沖信號送入閘門，而時(shí)基電路給出的時(shí)基信號經(jīng)門控電路 形成脈寬為T的控制電平信號送入閘門，在控制信號周期T作用下打開閘門使被測脈沖通過閘門。若通過閘門的脈沖數(shù)為N ,則被測信號頻率為N對上式微分，得誤

23、差式T2式中，T為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)量誤差;理性誤差。將誤差式寫成相對誤差式1為計(jì)數(shù)誤差。N為該測量方法固有的誤差，屬原f N Tf N T可見，對于低頻信號，在一定的 T內(nèi)，N很小，則原理誤差N / N會很大，因此測頻法不適用測低頻信號頻率。(2)參數(shù)設(shè)計(jì)誤差儀器實(shí)際各環(huán)節(jié)的參數(shù)與期望值的差異會使儀器實(shí)際的計(jì)量性能受到影響，參數(shù)的設(shè)計(jì)誤差源于設(shè)計(jì)方法的缺欠，如參數(shù)選取的近似，參數(shù)計(jì)算中的數(shù)字處理誤差等。參數(shù)設(shè)計(jì)誤差可通過理論分析和實(shí)驗(yàn)分析確定，該項(xiàng)因素引入的誤差為系統(tǒng)誤差。工藝誤差工藝誤差指生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差，包括加工誤差及調(diào)整誤差，有時(shí)生產(chǎn)過程的檢 測誤差也會影響到儀器的精度。(1) .加工誤

24、差顯然，關(guān)鍵件的加工誤差會直接影響到儀器的精度，加工誤差來源于工藝方法，工藝設(shè) 備，加工中的檢驗(yàn)和調(diào)整等，應(yīng)從誤差來源出發(fā)控制加工精度。加工誤差的控制要求由設(shè)計(jì)過程提出。零部件加工精度由加工的允許誤差限定，設(shè)計(jì)中 通過誤差分析的方法作出規(guī)定。(2) .裝調(diào)誤差在一定加工精度的前提下，儀器的裝配、調(diào)整精度是決定儀器精度的決定性因素。對裝 配、調(diào)整精度的要求也在設(shè)計(jì)中通過誤差分析的方法規(guī)定。裝配、調(diào)整也以其最大允許誤差限定。加工的零部件及各種器件裝配成整機(jī)，需要調(diào)整機(jī)械系統(tǒng)的位置關(guān)系，運(yùn)動(dòng)關(guān)系；調(diào)整 光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)、像差；調(diào)整電學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，工作狀態(tài)等。并且需對機(jī)光電系統(tǒng)進(jìn)行功能、 計(jì)量特性的綜合調(diào)

25、整。調(diào)整中各環(huán)節(jié)的誤差對儀器精度有重大影響，這是儀器誤差的重要組成部分。例如：在某些機(jī)構(gòu)中，零件間的平行性，垂直性調(diào)整；軸系間隙調(diào)整，可改善軸系精度, 調(diào)整螺絲付的間隙可提高導(dǎo)程精度；調(diào)整定位銷位置，可提高定位精度等等。例：光學(xué)系統(tǒng)中鏡組同心性的裝調(diào)對控制像差有重要意義；光學(xué)鏡頭軸向位置的調(diào)整對 其光路特性產(chǎn)生影響，造成計(jì)量特性的改變；分光鏡、反射鏡等各光學(xué)件的相互位置的調(diào)整 都會產(chǎn)生誤差。例：機(jī)光電綜合系統(tǒng)放大比的調(diào)整，特性曲線調(diào)整，信號傳遞處理及輸出調(diào)整等產(chǎn)生的 誤差屬綜合性的誤差。材料、器件有關(guān)的誤差儀器零部件材料的性能有時(shí)也會影響到其計(jì)量特性，例如材料的剛度影響到受力件的力 變形，從而對力變形誤差產(chǎn)生影響。材料的線膨脹系數(shù)影響到儀器構(gòu)件受熱