电学计量技术发展综述

　　1　引　言

　　电是近代文明的产物,电是社会发展的动力,电测量是电应用中不可或缺的重要环节。由于许多非电量的测量都是转化为对电信号的测量,因此电测量在测量领域具有重要的基础地位。在国防系统的导弹、卫星、飞机、舰船等武器型号的研制中,电测量承担着基础保障作用,其重要地位不言而喻。半个世纪以来,特别是近二十多年,电学基标准有了飞跃性的进展,其中近代物理学的一些重大突破使电学计量基准实现了由实物基准向自然基准转变,技术指标提高2~3个数量级,具有代表性的是以约瑟夫森效应(诺奖项目)实现的电压自然基准和量子化霍尔效应(诺奖项目)实现的电阻自然基准,使电学计量技术步入了当代科技发展的最前沿。除此以外,以现代计算技术为基础的计算基准使交流阻抗的基准水平有了大幅度的提高;绕组匝比技术使电学量值的传递和扩展水平有了质的飞跃;以数字采集技术为基础的交流电量测量技术,摆脱了传统的热电转换方式,在经济性和实用性上取得很好的效果;等效模拟技术解决了实物标准难以达到的量值,在国防计量中突现作用;虚拟仪表技术是当前型号研制中广泛采用的测量方式,是型号研制生产中使用的重要测试手段。以下从几个有代表性的技术进步回顾电学计量的发展历程。

　　2　量子基准技术

　　国际单位制SI的7个基本单位中与电磁量有关的基本单位是(A),但在实际工作中长期维持高度稳定的电流标准相当不容易,而电压单位和电阻电位则可以用标准电池与标准电阻作为实物标准量值来保存,便于开展工作。另一方面,有了电压单位和电阻单位,就可用实验的方法导出所有电磁学单位,因此世界各国均把电压单位和电阻单位作为保存和复现电磁单位的实际手段。电压单位和电阻单位是电磁学单位中最重要的两个单位,目前这两个电学单位都实现了量子基准。

　　2.1　约瑟夫森电压基准

　　约瑟夫森效应是当两个弱耦合的超导体,如相隔1nm的超导铅膜,当温度冷却到低于它的转变温度时,在用频率为的微波辐射下,其电流电压特性曲线上会呈现出电流阶梯,第个阶梯的电压和辐射频率的关系如下

　　这样就使电压的测量通过比率常数与频率联系起来,不确定度在10-8~10-9量级,而传统的化学标准电池的不确定度在10-6~10-7量级,目前在国际上电压基准已由自然基准取代实物基准。

　　在直流电压基准的问题解决之后,交流电压基准是下一个难题,目前国内外都在研究交流约瑟夫森电压基准,其原理是:利用可编程电源,采用脉宽调制或称为编码调制的形式实现的交流电压基准,如图2所示。