直流电压标准

直流电压标准


电压和电阻是电磁学中的两个基本量。

电压基准和电阻基准——〉其他电磁量基准。
电压标准有：
  标准电池（实物基准， 10-6）；
  齐纳管电压标准 （固态标准， 10-6）；
约瑟夫森量子电压基准 （量子化自然基准，10-10）。
电阻标准有：
精密线绕电阻（实物标准）；
  霍尔电阻基准（量子化自然基准，10-9）。

直流电压标准
1. 标准电池
原理：利用化学反应产生稳定可靠的电动势 （1.01860V）。有饱和型和不饱和型两种类型。

饱和型特点：电动势非常稳定（年稳定性可小于0.5μV，相当于5×10-7），但温度系数较大（约－40μV/℃）。用于计量部门恒温条件下的电压标准器。

不饱和型特点：温度系数很小（约－4μV/℃），但稳定性较差。用于一般工作量具，如实验室中常用的便携式电位差计。
使用中应注意：

1）不能倾倒；不能震动、冲击（不易运输）。

2）温度修正（特别是对饱和型）。

3）标准电池存在内阻，仪表输入电阻应较大


2. 齐纳管电压标准原理利用齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标准（也称为固态电压标准）。 齐纳管的稳压特性仍然存在受温度漂移的影响，采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温度系数非常小 。 将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压基准源，如LM199/299/399、REF系列。

3. 约瑟夫森量子电压基准 原理 基于约瑟夫森（Josephson）效应的量子电压基准 约瑟夫森效应约瑟夫森隧道结：在两块相互隔开（约10埃的绝缘层）的超导体之间，由于量子隧道效应，超导电流（约mA量级）可以穿透该绝缘层，使两块超导体之间存在微弱耦合，这种超导体-绝缘体-超导体（SIS）结构称为约瑟夫森隧道结。
约瑟夫森效应：当在约瑟夫森结两边加上电压V时，将得到穿透绝缘层的超导电流，这是一种交变电流，这种现象称为交流约瑟夫森效应。

好像没讲完，我来补充些。

标准电池是分级别的，市场上能买到的有0.01级、0.005级，需要定做的是更高级的、成组的、温控的。我国电动势国家副基准就是由一组饱和电池保持的，年变化<0.15uV（1.5E-7）。

齐纳管一般都是深埋的7V左右的，而且一般具有内部温度补偿。带隙的1.23V根本算不上基准，因为噪音太大。
有的内部带有恒温比如LM199/LM299/LM399但这种稳定性不高，原因是恒温温度不可调因此选的比较高，影响稳定度。
有的内部带有升压比如REF系列，但这种稳定性也不高，原因是内部分压电阻不可能做的很好。
目前可以作为基准用的有两种，一个是Motorola SZA 263或者Linear LTFLU-1，用在Fluke 732A/732B/734A/5100/5440/5700A/5720A里，是所谓的参考放大器（RefAmp），是一个齐纳管串联一个三极管封装在4脚金属壳里，外部恒温。另一个是Linear的LTZ1000，用在Datron/Wavetek 4910/1281和Fluke 8508A/7001N里，所谓超级稳压IC，内部带有恒温基本电路，各参数灵活可调。这两个IC的年稳定度典型值都在1ppm附近。

现在固态电压基准的产品都是10V的（为主输出），最常见的是Fluke 732B，指标2ppm/年。但这个用电阻分压/升压的基准很难保证这个指标。我手里有4个连号的732B，其中两个稳定性超过8ppm/年。
其实我最看好的是Datron 4910，用的是数字的PWM法升压，本质上克服了老化问题，尽管指标为1.5ppm但实际上更高。这个基准的问题是4个基准不完全独立，体积重量过大，不便于现在MAP的应用。
Fluke另有一款买Wavetek技术但仍然在生产的7000系列基准，指标1.8ppm/年也很高，独立、小体积，用“统计电阻”法进行升压也应该不错，但不知道为什么不太流行。

至于约瑟夫森量子电压基准，理论上属于自然基准没有复现误差，但实际上由于有热电势、频率误差、比对误差，尤其是有谁也搞不明白的偶然随即不确定性，因此实际上不确定度要比10-10差了不少。我手里有本培训材料分析后扩展不确定度（k=3）为1.5E-8。国内两个不同瑟夫森基准之间的对比不一致性也是这个量级的。

看这个203所自己公开的照片，右边大圆桶就是约瑟夫森量子电压基准的主要部分，中间柜子里上面第一层是Agilent 3458A八位半万用表，第3层就是几个Wavetek/Fluke 7001N固态基准和一个扫描器，第5层是Date Proof DP320A多路程控低热电势开关，第6层是Fluke 734A固态电压基准（4个732B）。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-9-16 15:42 编辑 ]