何 昭， 黃見(jiàn)明， 田 偉

（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029）

30 kHz～30 MHz電壓基準(zhǔn)研究

何 昭， 黃見(jiàn)明， 田 偉

（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029）

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了30 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)基于同軸熱電轉(zhuǎn)換器的直流—交流電壓轉(zhuǎn)換器，并基于該轉(zhuǎn)換器建立了該頻段的低頻電壓基準(zhǔn)裝置。理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：該基準(zhǔn)裝置在30 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)，0.1～100 V量程中，不確定度為0.01%～0.1%（k＝2），填補(bǔ)了現(xiàn)有國(guó)家電壓計(jì)量基準(zhǔn)裝置在1～30 MHz頻段范圍內(nèi)的空白。

計(jì)量學(xué)；同軸熱電轉(zhuǎn)換器；電壓基準(zhǔn)

1 概 述

在無(wú)線(xiàn)電計(jì)量領(lǐng)域中，電壓是基本參量之一，在整個(gè)計(jì)量體系中具有基礎(chǔ)性的重要地位。我國(guó)對(duì)電壓計(jì)量一直非常重視，在無(wú)線(xiàn)電計(jì)量領(lǐng)域，建立了2個(gè)頻段國(guó)家電壓基準(zhǔn)，即低頻電壓基準(zhǔn)和射頻電壓基準(zhǔn)。其中，低頻電壓基準(zhǔn)頻率范圍為30 kHz～1 MHz，電壓范圍為0.25～100 V，準(zhǔn)確度為±（0.004%～0.03%），采用同軸熱電轉(zhuǎn)換器作為測(cè)量元件；射頻電壓基準(zhǔn)頻率范圍為30 MHz～3 GHz，電壓范圍為0.1～2 V，準(zhǔn)確度為±（0.25%～0.7%），采用薄膜熱變電阻作為測(cè)量元件。然而，從上述我國(guó)已建立的電壓基準(zhǔn)的頻率范圍可以看出，在交流電壓計(jì)量領(lǐng)域，我國(guó)的基準(zhǔn)尚未實(shí)現(xiàn)完全的頻率覆蓋，在被RFID等新興信息產(chǎn)品所廣泛使用的1～30 MHz頻率范圍內(nèi)，國(guó)家交流電壓基準(zhǔn)仍屬空白。

1995年，國(guó)際電磁咨詢(xún)委員會(huì)（CCEM）組織了交流電壓的國(guó)際比對(duì)，頻率范圍為1～50 MHz，并在后續(xù)比對(duì)過(guò)程中拓展到了100 MHz［1］，英、美、德等發(fā)達(dá)國(guó)家參與了該項(xiàng)比對(duì)，形成了世界范圍內(nèi)交流電壓基準(zhǔn)的國(guó)際互認(rèn)。因此，建立和完善我國(guó)交流電壓基準(zhǔn)對(duì)增強(qiáng)國(guó)家在計(jì)量科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

2 原理與技術(shù)方案

2.1 基本原理

目前，各國(guó)計(jì)量機(jī)構(gòu)的交流電壓基準(zhǔn)主要是通過(guò)采用AC-DC電壓轉(zhuǎn)換裝置，將交流電壓溯源到直流電壓基準(zhǔn)的方式予以建立［1～7］。我國(guó)建立的低頻電壓基準(zhǔn)其核心元件是單腔的同軸熱電轉(zhuǎn)換器，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且在較寬的頻率范圍內(nèi)準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定可靠。在30 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)建立電壓基準(zhǔn)，采用同軸熱電轉(zhuǎn)換器也是最理想的方案。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論的分析，對(duì)于交變電場(chǎng)，只有橫電磁波（TEM波）測(cè)量電壓才有唯一值，在同軸線(xiàn)或同軸腔體中建立的電壓能夠滿(mǎn)足這一條件。同軸熱電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，外殼為一終端封閉的金屬圓筒腔，沿腔體的軸線(xiàn)串聯(lián)放置一高頻或超高頻真空熱偶和一棒狀限流電阻，腔的輸入端為N型陰性精密同軸接頭。圖中T為超高頻真空熱偶，是實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是由一根加熱絲和一對(duì)偶絲組成，它們之間的位置由一個(gè)玻璃小珠固定，小珠起到傳導(dǎo)熱和電氣絕緣的作用。圖中R為限流電阻，用于擴(kuò)展量程，限流電阻采用棒狀無(wú)感薄膜電阻，以減小分布參數(shù)影響并擴(kuò)大工作頻率范圍。T與R串聯(lián)，安裝在同軸腔體的軸心線(xiàn)上，腔體材料選用無(wú)磁黃銅，可起到屏蔽作用，防止腔體內(nèi)溫度的散發(fā)和電磁場(chǎng)的輻射，同時(shí)也防止外界溫度和電磁場(chǎng)干擾的影響，使裝置穩(wěn)定、可靠。

圖1 同軸熱電轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖

式中，Vac為交流電壓；Vdc為能產(chǎn)生與交流電壓相同輸出熱電勢(shì)的直流電壓平均值。

2.2 同軸熱電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

作為低頻電壓基準(zhǔn)裝置的核心，本文使用一組共7只同軸熱電轉(zhuǎn)換器來(lái)覆蓋所需要的電壓范圍，其中基本量程為0.5～1 V的同軸熱電轉(zhuǎn)換器。表1為同軸熱電轉(zhuǎn)換器的量程、限流電阻和熱偶的組合。其中熱偶均采用BEST公司生產(chǎn)的超高頻真空

若在輸入端進(jìn)行直流電壓和交流電壓切換時(shí)，使它的輸出熱電勢(shì)保持不變，在同軸熱電轉(zhuǎn)換器輸入端的已知直流電壓量值就傳遞給了該交流電壓。若同軸熱電轉(zhuǎn)換器的交直流轉(zhuǎn)換是理想的，產(chǎn)生相同熱電勢(shì)的交流電壓與直流電壓就應(yīng)當(dāng)完全相等。實(shí)際上，由于元器件、結(jié)構(gòu)和頻率的影響等，用相同效應(yīng)的直流電壓替代交流電壓時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差。通常用交直流轉(zhuǎn)換誤差S來(lái)表征轉(zhuǎn)換器的工作性能，其定義式為熱偶，加熱絲電阻為90Ω或40Ω，限流電阻選用的是Vishay公司生產(chǎn)的高頻棒狀無(wú)感電阻，根據(jù)不同量程的需要，采用不同阻值的限流電阻。

表1 量程、限流電阻和熱偶的組合

由于熱偶加熱絲段的分布電感和電容可以忽略，可以在結(jié)構(gòu)尺寸上盡可能減小直流轉(zhuǎn)換差。根據(jù)限流電阻的阻值及內(nèi)徑的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和熱偶加熱絲電阻的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算同軸熱電轉(zhuǎn)換器的腔體內(nèi)徑，并考慮安裝的要求，得到的同軸熱電轉(zhuǎn)換器的腔體尺寸見(jiàn)表2。

表2 同軸熱電轉(zhuǎn)換器內(nèi)的腔體尺寸

考慮到安裝熱偶的要求，同軸熱電轉(zhuǎn)換器的內(nèi)徑尺寸不能小于30 mm，所以根據(jù)理論計(jì)算的尺寸可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。目前設(shè)計(jì)完成的同軸熱電轉(zhuǎn)換器中，量程在10 V以?xún)?nèi)的是按表2所示內(nèi)徑尺寸制作，量程超過(guò)10 V則由于計(jì)算得到尺寸無(wú)法實(shí)現(xiàn)而使用與量程為1～3 V的同軸熱電轉(zhuǎn)換器同樣的尺寸。圖2為設(shè)計(jì)完成的一組7只同軸熱電轉(zhuǎn)換器，金屬腔體采用無(wú)磁黃銅材料，腔體外部鍍鎳處理。

2.3 低頻電壓基準(zhǔn)裝置

基于同軸熱電轉(zhuǎn)換器的基本原理，低頻電壓基準(zhǔn)裝置系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖3。

圖2 同軸熱電轉(zhuǎn)換器成品圖

圖3 低頻電壓基準(zhǔn)裝置系統(tǒng)框圖

原低頻電壓基準(zhǔn)使用的直流電壓源為Fluke公司生產(chǎn)的5720A校準(zhǔn)源，該校準(zhǔn)源是目前準(zhǔn)確度最高的電壓源，其寬帶選件可提供頻率達(dá)30 MHz的電壓輸出；熱偶電勢(shì)測(cè)量使用2臺(tái)34420A納伏表進(jìn)行測(cè)量；射頻信號(hào)源用于提供電壓信號(hào)，要求輸出大，穩(wěn)定性好及波形失真小，考慮到低頻電壓基準(zhǔn)裝置和射頻電壓基準(zhǔn)裝置可同時(shí)使用該儀器，選擇了SMF100A信號(hào)發(fā)生器。

低頻電壓基準(zhǔn)裝置可通過(guò)GPIB總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量軟件設(shè)計(jì)上主要包括測(cè)量?jī)x器控制程序、根據(jù)不同被測(cè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方法控制程序和數(shù)據(jù)計(jì)算與處理程序。

圖4 低頻電壓定度裝置

為了更好地進(jìn)行低頻電壓的量值傳遞，設(shè)計(jì)制作了低頻電壓定度裝置，見(jiàn)圖4。低頻電壓定度裝置通過(guò)程控開(kāi)關(guān)可以方便地切換交流電壓和直流電壓，為了進(jìn)一步減少交直流電壓的相互影響，在設(shè)計(jì)中使用了2個(gè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)帶有吸收負(fù)載，在功率允許的情況下，使用這個(gè)開(kāi)關(guān)能提高交直流電壓之間的隔離度。兩個(gè)同軸熱電轉(zhuǎn)換器使用扁三通連接，扁三通是為了盡可能減少電壓參考面的距離，保證電壓測(cè)量的準(zhǔn)確度。定度裝置上面設(shè)計(jì)了一個(gè)有機(jī)玻璃罩子，用于隔絕空氣流通，保證測(cè)量時(shí)的穩(wěn)定性。

同軸熱電轉(zhuǎn)換器是通過(guò)逐級(jí)傳遞實(shí)現(xiàn)量值傳遞和溯源的，在一組同軸熱電轉(zhuǎn)換器中，準(zhǔn)確度最高的一般是1 V量程的同軸熱電轉(zhuǎn)換器，再通過(guò)它向更高量程或更低量程進(jìn)行傳遞。

3 測(cè)量不確定度評(píng)定

低頻電壓基準(zhǔn)裝置不確定度主要由兩部分組成：一是基本誤差引入的不確定度分量；二是頻率附加誤差引入的不確定度分量。

3.1 基本誤差引入的不確定度

基本誤差引入的不確定度來(lái)源主要包括：熱偶的AC／DC轉(zhuǎn)換誤差、系統(tǒng)的噪聲和漂移引入的誤差、直流電壓測(cè)量不準(zhǔn)引入的誤差、熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)量不準(zhǔn)引入的誤差和熱偶絕緣珠引入的誤差。

（1）熱偶AC／DC轉(zhuǎn)換誤差引入的不確定度分量

熱偶加熱絲上由于湯姆遜效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)以及制造工藝、材料等的影響將產(chǎn)生交直流轉(zhuǎn)換誤差，這個(gè)誤差理論上可根據(jù)Widdis FC給出的公式估算。另外根據(jù)熱偶給出的正反向差也可估計(jì)出AC／DC轉(zhuǎn)換差。通常會(huì)比正反向差小一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)際選用的真空熱偶其正反向差為4×10－5，因此可以認(rèn)為該誤差為±1×10－5并服從均勻分布，k＝1.73，可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ua＝6×10－6。

（2）系統(tǒng)的噪聲和漂移引入的不確定度分量

同軸熱電轉(zhuǎn)換器的噪聲和漂移主要來(lái)源于限流電阻，熱偶和環(huán)境溫度變化和其他變化。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)限流電阻R已采取措施，R的額定功率為1 W，實(shí)際使用時(shí)，功率在100 V時(shí)，僅為0.5 W，對(duì)于1 V標(biāo)準(zhǔn)量程的同軸熱電轉(zhuǎn)換器，額定功率是實(shí)際功率的300倍以上，功率余量較大，因此由R引起的漂移可以忽略不計(jì)。

熱偶指示采用34420A納伏表，該儀表自身的漂移和噪聲均非常小，分辨力為0.1 nV。熱電轉(zhuǎn)換器內(nèi)的熱偶使用的是真空熱偶，測(cè)量時(shí)整個(gè)系統(tǒng)保持溫度恒定并且盡量隔絕空氣流通，但由于熱偶的溫度系數(shù)較大，漂移仍然是不能忽略的。根據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，一般在1次測(cè)試周期內(nèi)（以5 min計(jì)算），34420A納伏表無(wú)測(cè)試信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)零位變化在±30 nV范圍內(nèi)。對(duì)于同軸熱電轉(zhuǎn)換器工作量程的下限，即1 mV以上的熱電勢(shì)輸出，相對(duì)變化為30×10－6，則相當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸入端電壓變化小于15×10－6。按正態(tài)分布計(jì)算，k＝2，可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ub＝10×10－6。

（3）直流電壓測(cè)量不準(zhǔn)引入的不確定度分量

式中，ΔV／V為同軸熱電轉(zhuǎn)換器輸入端電壓變化；ΔE／E為同軸熱電轉(zhuǎn)換器輸出端熱電勢(shì)變化。

由式中看出，熱偶輸出變化是輸入變化的2倍。根據(jù)本文使用的量程范圍和34 420 A的分辨力，其誤差限約為±15×10－6，按均勻分布，k＝1.73，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ud＝9×10－6。

（5）熱偶絕緣珠引入的誤差

熱偶的加熱絲與偶絲是通過(guò)玻璃小珠固定的，并起著熱傳導(dǎo)和電絕緣的作用。但它的絕緣電阻不可能為無(wú)限大，因此會(huì)產(chǎn)生泄漏電流，這個(gè)電流對(duì)珠子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加熱效應(yīng)，此熱效應(yīng)使熱偶溫升的效率比加熱絲產(chǎn)生的高，而且泄漏電流還使加熱絲兩端的電流不等。要減小這項(xiàng)誤差，通常都是選用絕緣電阻盡可能高的玻璃小珠，降低熱偶對(duì)地的電位等措施，誤差一般小于10×10－6，按正態(tài)分布，取k＝2，可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ue＝5×10－6。

根據(jù)不確定度傳播定律，可得基本誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量［8］為

替代交流電壓的直流電壓使用Fluke 5790A測(cè)量，其最大允許誤差小于15×10－6，按均勻分布，k＝1.73，可得標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uc＝9×10－6。

（4）熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)量不準(zhǔn)引入的不確定度分量

對(duì)于輸出熱電勢(shì)為7 mV的熱偶，滿(mǎn)量程時(shí)7 mV，半量程為1.25 mV。同軸熱電轉(zhuǎn)換器的熱電勢(shì)輸出由納伏表34 420 A進(jìn)行測(cè)量，熱偶輸出變化與輸入變化有如下近似關(guān)系

3.2 頻率附加誤差引入的不確定度

頻率附加誤差各分量的評(píng)定依據(jù)如下：

（1）輸入接頭引入的不確定度分量

實(shí)際使用N型陰性接頭為輸入接頭，從輸入接頭內(nèi)導(dǎo)體端點(diǎn)到限流電阻R的距離為10 mm左右，這樣一根內(nèi)導(dǎo)體在1～30 MHz時(shí)的引線(xiàn)電感量約為10 nH，此外N型接頭內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體之間還有分布電容存在，這些分布參數(shù)均將引入誤差。在1 MHz時(shí)，引入的誤差約4×10－6；10 MHz時(shí)，引入的誤差約40×10－6；30 MHz時(shí)，引入的誤差約220×10－6。按均勻分布計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

u1。

（2）趨膚效應(yīng)引入的不確定度分量

當(dāng)工作頻率升高時(shí)，AC電流在導(dǎo)體中流動(dòng)會(huì)發(fā)生趨膚效應(yīng)。發(fā)生趨膚效應(yīng)時(shí)，電流不再流過(guò)整個(gè)導(dǎo)體。這時(shí)，導(dǎo)體的電阻將隨著頻率的平方根而增加。對(duì)于低電壓量程的轉(zhuǎn)換器，由于串聯(lián)電阻變小，到1 MHz以上趨膚效應(yīng)的影響變顯著了，它與電壓量程有關(guān)。

轉(zhuǎn)換器額定電壓在3 V以下，按均勻分布計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：在1 MHz時(shí)，誤差約50×10－6；在10 MHz時(shí)，誤差約100×10－6；在30 MHz時(shí)，誤差約200×10－6，隨著電壓的升高，趨膚效應(yīng)的影響減小。按均勻分布計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2。

（3）熱偶高頻誤差引入的不確定度分量

由于熱偶存在著引線(xiàn)電感和分布電容及加熱絲趨膚效應(yīng)等影響，在交直流替代測(cè)量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加的頻率誤差。本文在設(shè)計(jì)同軸熱電轉(zhuǎn)換器時(shí)，做出了一些假設(shè)，而在實(shí)際中，熱偶的分布參數(shù)會(huì)引入測(cè)量誤差，對(duì)于本文選用的真空熱偶，其Rh＝90Ω，Ch＜0.3 pF，Lh＜10 nH。根據(jù)傳輸線(xiàn)理論，按照實(shí)際元件的參數(shù)對(duì)誤差進(jìn)行估計(jì)，按均勻分布計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3。

（4）限流電阻引入的不確定度分量

同軸熱電轉(zhuǎn)換器高頻誤差主要來(lái)源于限流電阻R部分，其誤差與RC時(shí)間常數(shù)有關(guān)，RC時(shí)間常數(shù)越大，引入的誤差也越大，本文使用的電阻R是棒狀金屬膜電阻，因此電阻R部分可近似于無(wú)損耗均勻傳輸線(xiàn)。

對(duì)高壓量程可以把R部分近似地看成短路同軸傳輸線(xiàn)；對(duì)低壓量程，可以把R部分看成有集中電阻負(fù)載的同軸線(xiàn)。按均勻分布計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4。

（5）其它不確定度分量

除上述分析的不確定度分量外，還有一些影響也不能忽略，它們?yōu)椋海╝）限流電阻到真空熱偶連接引線(xiàn)的影響引入的不確定度分量；（b）真空熱偶到腔體連接引線(xiàn)引入的不確定度分量。

由于這些不確定度分量難以準(zhǔn)確分析，對(duì)這些不確定度分量的總體大小，參考第（1）項(xiàng)輸入接頭引入的不確定度分量進(jìn)行估計(jì)，考慮到兩段引線(xiàn)，按第（1）項(xiàng)誤差大小放大2倍進(jìn)行估計(jì)，在1 MHz時(shí)，引入的誤差約8×10－6；10MHz時(shí)，引入的誤差約80×10－6；30 MHz時(shí)，引入的誤差約440× 10－6。按均勻分布計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u5。

頻率附加誤差各分量的評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3［3］。

根據(jù)不確定度傳播定律，可得頻率附加誤差引入的不確定度為

3.3 合成不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為取k＝2，計(jì)算的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度見(jiàn)表4。

表3 頻率附加誤差引入的不確定度×10－6

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用2種不同的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)同軸熱電轉(zhuǎn)換器的理論分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：一種方案為使用研制的同軸熱電轉(zhuǎn)換器與高準(zhǔn)確度的交流測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和同軸熱電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，驗(yàn)證基準(zhǔn)裝置的不確定度；另一種方案為與PTB／IPHT研制的頻率范圍為1 kHz～1 MHz的同軸熱電轉(zhuǎn)換器（交直流轉(zhuǎn)換差＜20×10－6）進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，同時(shí)使用阻抗分析儀對(duì)同軸熱電轉(zhuǎn)換器在不同頻率時(shí)的阻抗變化測(cè)量，以達(dá)到間接驗(yàn)證的效果。

4.1 直接驗(yàn)證

在30 kHz～1 MHz頻率范圍內(nèi)選取了1 kHz、30 kHz、100 kHz和1 MHz共4個(gè)頻率點(diǎn)，分別使用0.1 V，1 V，10 V和100 V共4個(gè)量程的同軸熱電轉(zhuǎn)換器，在0.08 V，0.8 V，8 V和80 V電壓處進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。測(cè)量時(shí)使用FLUKE公司的5720A校準(zhǔn)源提供電壓，同軸熱電轉(zhuǎn)換器測(cè)量值uco與FLUKE公司的5790A交流測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的低頻電壓測(cè)量值us的比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表5。在4個(gè)頻率點(diǎn)處的最大偏差分別為0.0042%、0.01%、0.016%和0.04%。

Ballantine公司生產(chǎn)的同軸熱電轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確度為±（0.1%～1%），在1～30 MHz頻率范圍內(nèi)，分別選取了1 MHz、10 MHz和30 MHz共3個(gè)頻率點(diǎn)與Ballantine公司生產(chǎn)的同軸熱電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了比對(duì)測(cè)量，測(cè)試點(diǎn)選擇100 mV、0.8 V和3.2 V，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6。在3個(gè)頻率點(diǎn)處的最大偏差分別為0.019%、0.16%和0.28%。

表5 1 kHz～1 MHz電壓比對(duì)測(cè)量

表6 1～30 MHz電壓比對(duì)測(cè)試

4.2 間接驗(yàn)證

由理論分析可知，基準(zhǔn)裝置的不確定度主要由交直流轉(zhuǎn)換差決定。因此，在1 kHz～1 MHz與PTB／IPHT研制的同軸熱電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換差比對(duì)測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)圖5。在4個(gè)頻率點(diǎn)處的交直流轉(zhuǎn)換差的偏差分別為25×10－6、61×10－6、72 ×10－6和87×10－6。

圖5 與PTB／IPHT同軸熱電轉(zhuǎn)換器比對(duì)測(cè)試

此外，作為重要（在較高頻率時(shí)為主要）的誤差分量，頻率附加誤差分量主要由不同頻率時(shí)同軸熱電轉(zhuǎn)換器的阻抗變化所決定。因此，在1～30 MHz使用射頻阻抗分析儀E4991A對(duì)同軸熱電轉(zhuǎn)換器的阻抗變化進(jìn)行測(cè)量，以1 MHz的阻抗值為參考點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6。1～30 MHz頻率范圍內(nèi)的阻抗波動(dòng)隨頻率的增加總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最大偏差為0.06%。

圖6 同軸熱電轉(zhuǎn)換器的阻抗變化測(cè)試

間接驗(yàn)證的結(jié)果表明，同軸熱電轉(zhuǎn)換器的交直流轉(zhuǎn)換差和頻率附加誤差的測(cè)量結(jié)果，與對(duì)基準(zhǔn)裝置不確定度的理論分析結(jié)果保持較好的一致性。

綜合以上理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，低頻電壓基準(zhǔn)裝置指標(biāo)見(jiàn)表7。

表7 低頻電壓基準(zhǔn)裝置不確定度指標(biāo)

5 結(jié) 論

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院基于同軸熱電轉(zhuǎn)換器建立的30 kHz～30 MHz電壓基準(zhǔn)裝置，在0.1～100 V量程中，不確定度為0.01%～0.1%（k＝2）。該基準(zhǔn)填補(bǔ)了1～30 MHz頻段范圍內(nèi)國(guó)家電壓計(jì)量基準(zhǔn)的空白，進(jìn)一步完善了國(guó)家電壓量值傳遞體系。

［1］ Dierikx E F，Mullem van C J，Vreede de J PM.Key Comparison CCEM-K6.c of AC-DC Voltage Transfer Standards at Selected Frequencies between 1 MHz and 100 MHz［C］／／Conference on Precision Electromagnetic Measurements Digest，England，London，2004.

［2］ Kinard J R，Cai T X.Determination of AC-DC difference in the 0.1～100 MHz frequency range［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1989，38（2）：360-367.

［3］ Kinard J R，Zhen Z，Huang D X，et al. Intercomparison of thermal converters at NIM，NIST， PTB，SIRI，and VSL from 10～100 MHz［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1993，42（2）：618-621.

［4］ Mullem van C J，JanssenW JG D，Vreede de JPM. Evaluation of the calculable high frequency AC-DC standard［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1997，46（2）：361-364.

［5］ Clark R F，F(xiàn)ilipski PS，Paulusse C.Improvements in the NRC AC-DC transfer capabilities［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1997，46（2）：365-368..

［6］ Filipski P S，Clark R F，Paulusse D C.Calorimetric thermal voltage converter as a wideband calculable standard of AC-DC difference［J］.IEEE Trans Instrum Meas，1999，48（2）：387-390.

［7］ Scarioni L，Klonz M，F(xiàn)unck T，et al.Quartz thinfilm multijunction thermal converters with built-in tee connector for 100 MHz［J］.IEEE Trans Instrum Meas，2007，56（2）：571-575.

［8］ Scarioni L，Lipe T E，Kinard J R.Design and fabrication of MJTCs on quartz substrates at NIST［J］.IEEE Trans Instrum Meas，2009，58（4）：868-871.

Research on the National Voltage Standard for 30 kHz～30 MHz

HE Zhao， HUANG Jian-ming， TIANWei
（National Institute of Metrology，Beijing100029，China）

Based on coaxial thermal voltage converters，the national voltage standard for 30 kHz～30 MHz has been established by National Institute of Metrology（NIM）.The results of theoretical analysis and experiments indicate that in the frequency band of30 kHz to 30 MHz and voltage range 0.1 V to100 V，the uncertainty is0.01%to0.1%（k＝2）. This accomplishment has filled the gap of the national voltage standard in 1～30 MHz.

Metrology；Coaxial thermal voltage converter；Voltage standard

TB973

A

1000-1158（2014）06-0528-06

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．02

2014-06-28；

2014-08-27

何昭（1968－），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院副研究員，碩士，研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電計(jì)量、射頻信號(hào)測(cè)量。hezhao＠nim.ac.cn