今天將非常詳細(xì)地介紹一些比率裝置和非比率定標(biāo)技術(shù)，使讀者能夠根據(jù)他們特定的需要來判斷其適用性。
在90年代，人們從事計(jì)量學(xué)工作的方式是，通過仔細(xì)的工作建立基本單位，如歐姆、伏特、法拉等，然后再用定標(biāo)實(shí)驗(yàn)來擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。定標(biāo)就是給量建立一個標(biāo)尺，其內(nèi)容是建立基本單位的精確已知的倍數(shù)。在電學(xué)計(jì)量中，最常用的定標(biāo)技術(shù)是比率。比率就是從某一等級的一個量，按比例求出同一個量另一個等級的數(shù)值。
由于沒有國家的比率標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)來校準(zhǔn)其它的比率標(biāo)準(zhǔn)，所以對比率裝置的評定是一種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)。比率實(shí)驗(yàn)必須周密地設(shè)計(jì)和實(shí)施，以便考慮到實(shí)驗(yàn)中所有重要的誤差來源。作為量的一個值和另一個值之間關(guān)系的表達(dá)式，比率是無量綱的。
人們一直有一種傾向，認(rèn)為比率裝置不需要校準(zhǔn)，對它沒有溯源性的要求。這是不對的，因?yàn)橐軌驕?zhǔn)確地、精密地實(shí)現(xiàn)某一個量的某一給定的比率，需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)備、環(huán)境和技術(shù)。所以，謹(jǐn)慎的計(jì)量學(xué)家會通過對比率裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，或者與別的比率裝置校準(zhǔn)過的其它設(shè)備進(jìn)行比較，來校驗(yàn)比率的準(zhǔn)確度。
非比率定標(biāo)技術(shù)
用非比率實(shí)驗(yàn)建立基本量的倍數(shù)的經(jīng)典例子，是如圖9-l所示的用來得到標(biāo)準(zhǔn)千克的倍數(shù)和分?jǐn)?shù)的比較實(shí)驗(yàn)。
▲ 圖9-1 定標(biāo)和比率
串聯(lián)電池
電學(xué)計(jì)量中的一個例子是，使用幾個標(biāo)準(zhǔn)電池串聯(lián)起來，以建立一個等于標(biāo)準(zhǔn)電池平均電壓n倍的電壓。然后，使用開爾文-瓦利分壓器(福祿克公司的720A)，用這個已知電壓來對另一個10V電平的電壓進(jìn)行標(biāo)定(stand-ardize)。見圖9—2。
▲ 圖9—2串聯(lián)電池設(shè)置
這個標(biāo)定的過程如下：
1.將10V電壓源預(yù)先調(diào)節(jié)到10V±0.01%
2.將開爾文-瓦利分壓器的度盤設(shè)置為
式中：∑Vcell=9個標(biāo)準(zhǔn)電池的證書電壓之和，大約為9.16V。
3.在開爾文-瓦利分壓器和串聯(lián)電池之間連接檢零計(jì)。
4.調(diào)節(jié)10V電壓源，在檢零計(jì)上獲得檢零指示。
這種方法有幾個問題。開爾文-瓦利分壓器不具有足夠的分辨度，用來驅(qū)動開爾文-瓦利分壓器的電壓源引入了附加的噪聲和漂移。而且，最重要的是，串聯(lián)疊加的標(biāo)準(zhǔn)電池會引入附加的泄漏通路，這就使得電池串聯(lián)后得到的電壓和電池電壓之和不相同。
布魯斯·菲爾德法
1985年6月，NIST的布魯斯·菲爾德(Bruce Field)博士報(bào)告了另一種通過累積電壓來建立接近10 V的已知電壓的方法。他首先把10個1 kΩ的電阻器串聯(lián)，在這些電阻器的11個連接點(diǎn)都有電壓抽頭。見圖9—3。
▲ 圖9-3 布魯斯·菲爾德博士的分壓器
將一個穩(wěn)定的10.18 V的電壓源(經(jīng)過改制的福祿克公司的732A)接到該電阻器串的輸入端，使得每個電阻器上的電壓大約為1.018 V。
然后，用差分測量的方法，將每個電阻器上的電壓和4個準(zhǔn)確已知的標(biāo)準(zhǔn)電池的電壓一一進(jìn)行比較。由于該差動被測電壓在微伏的數(shù)量級，所以DMM的準(zhǔn)確度對測量結(jié)果沒有很大的影響。
完成這些測試以后，布魯斯·菲爾德博士就有了一組精密已知的電壓，其電壓范圍從l.018 V到10.18 V，步進(jìn)值為l.018 V。這樣就可以用這組電壓來校準(zhǔn)這個范圍內(nèi)的其它非標(biāo)準(zhǔn)電壓，并曾用來校驗(yàn)DMM的線性度。菲爾德的這個方法曾用作NIST校準(zhǔn)服務(wù)的基礎(chǔ)，可以在10 V電平提供0.3ppm的不確定度。
注意，在測量10 V的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，DMM只需要測量大約0.18 V的電壓，此電壓值不到總電壓的2%。在線性度已知的情況下，校準(zhǔn)到幾個ppm的DMM對于測量準(zhǔn)確度沒有很大的影響。
使用阻值為主分壓器的電阻器阻值的十分之一的電阻器，可以構(gòu)成第二個十進(jìn)分壓器。通過和一個單個電阻器兩端的電壓降進(jìn)行比較[1]”，就可以校準(zhǔn)第二個十進(jìn)分壓器。在此情況下，電阻器串上的總電壓是已知的，而單個電壓可以從差值電壓計(jì)算出來。
從原理上說，累積技術(shù)可以用來產(chǎn)生電阻標(biāo)準(zhǔn)的倍數(shù)和分?jǐn)?shù)。然而，由于有很多問題，這種技術(shù)不常用于高準(zhǔn)確度的測量工作。對于按4端電阻來進(jìn)行測量的電阻器來說，接觸電阻和連接導(dǎo)線的電阻都是問題。對于大于1 MΩ的電阻器來說，1012Ω數(shù)量級的泄漏電阻將引起1ppm水平的誤差。
直流電流的標(biāo)定
用累積的方法擴(kuò)展測量范圍的最后一個例子，是直流電流的標(biāo)定(standardizing)。通常，直流電流的標(biāo)定是通過測量一個已知的高準(zhǔn)確度電阻器上的電壓降來進(jìn)行的。如果被測的電流不大于校準(zhǔn)該電阻器時(shí)所用的電流，那么這種方法是很有效的。
然而，在電流更大的情況下，電阻器的功率系數(shù)和電壓系數(shù)都可能產(chǎn)生問題。使被測電流流過幾個互相并聯(lián)的準(zhǔn)確已知的電阻器，然后再測量每個電阻器上的電壓降，就可以避免這個問題，見圖9-4。
▲ 圖9-4 分流的方法
這時(shí)，電流的分配情況決定于每個電阻器的電阻值和在連接時(shí)引入的附加的接觸電阻和連接電阻的數(shù)值。用這種方法可以準(zhǔn)確地確定電路中每個支路的電流。在沒有明顯泄漏電阻影響的情況下，各個支路電流之和一定等于總的電流。還可以把這個實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到在更大電流下校準(zhǔn)單個電阻器，這為以后的測量提供了一個更簡單的實(shí)驗(yàn)方法。
量子標(biāo)準(zhǔn)方法
另一種非比率的替代方法，是使用量子標(biāo)準(zhǔn)來得到基本單位的倍數(shù)和分?jǐn)?shù)。當(dāng)代最顯著的例子就是最初在N1ST研究出來的約瑟夫遜結(jié)陣列電壓標(biāo)準(zhǔn)。這種裝置能夠產(chǎn)生±l00 μV到±10 V范圍內(nèi)的精確已知的電壓。這種裝置的一項(xiàng)應(yīng)用是準(zhǔn)確地校準(zhǔn)電壓和電阻的比率。
當(dāng)比率大于100:1時(shí)，因?yàn)檎也坏胶线m的檢零計(jì)，使用約瑟夫遜陣列的方法受到限制。將來，可能采用超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)檢測器來擴(kuò)展其使用的范圍。這種檢測器在大約4K的溫度之下工作，并且實(shí)際上不受限制普通室溫檢測器性能的約翰遜噪聲和其它噪聲的影響。
（轉(zhuǎn)載）
