張建強(qiáng)，屈繼峰，付云豐，姚 燕

（1．中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018;2．中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院熱工所，北京 100013）

0 引言

噪聲測(cè)溫法是熱力學(xué)溫度測(cè)量方法之一，其測(cè)量原理基于Nyquist方程。通過(guò)測(cè)量一定帶寬范圍內(nèi)電阻器的熱噪聲功率和阻值，即可得到電阻器所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度［1～7］。傳統(tǒng)的噪聲溫度計(jì)在2個(gè)噪聲源之間切換，其中一個(gè)作為參考噪聲源，通過(guò)測(cè)量另一噪聲源噪聲電壓功率和傳感器阻值計(jì)算得到溫度值。但是，由于噪聲信號(hào)是隨機(jī)的，必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)來(lái)降低測(cè)量的不確定度。另一方面，2個(gè)噪聲源的功率和阻抗不能同時(shí)匹配，使相關(guān)器的非線性限制了測(cè)量水平［2，4，5，8］。

本文以量子電壓任意波形合成技術(shù)合成可計(jì)算的、精確的量子電壓噪聲源作為參考端信號(hào)，并通過(guò)在引線中加入非相關(guān)的電阻，實(shí)現(xiàn)與待測(cè)噪聲源功率及阻抗的同時(shí)匹配，并以高精度數(shù)字分析儀PXI—5922為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，使用LabVIEW設(shè)計(jì)數(shù)字相關(guān)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一種量子電壓標(biāo)定的噪聲溫度計(jì)系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了水三相點(diǎn)處熱力學(xué)溫度的自動(dòng)化準(zhǔn)確測(cè)量。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由量子電壓噪聲源、傳感器、測(cè)量電路以及數(shù)據(jù)采集平臺(tái)四部分組成。系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，在量子電壓噪聲源與傳感器之間通過(guò)切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，并經(jīng)過(guò)前置放大器放大和低通濾波器濾波后，通過(guò)高速數(shù)字化儀（PXI—5922）采集量子電壓噪聲源與傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)數(shù)字相關(guān)器相關(guān)運(yùn)算得到傳感器端的環(huán)境溫度。系統(tǒng)框圖如圖1（a）所示。

1．1 溫度傳感器

系統(tǒng)中溫度傳感器采用自制100 Ω電阻器。電阻器由兩對(duì)阻值為50 Ω的鎳鉻合金箔片在Al2O3底座上封裝而成，管腳采用鍍金處理。

為滿足實(shí)驗(yàn)要求，將電阻器密封到探測(cè)桿中。測(cè)溫端采用導(dǎo)熱性能良好的紫銅，測(cè)溫電阻器固定到半圓柱形紫銅塊上，電阻器兩端通過(guò)導(dǎo)線引出。為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，探測(cè)桿需真空密封。將密封好的探測(cè)桿放到制好的水三相點(diǎn)瓶的溫度計(jì)阱中，為維持水三相點(diǎn)，將制好的水三相點(diǎn)瓶放入盛有冰的杜瓦中，其示意圖如圖1（b）所示。在水三相點(diǎn)溫度環(huán)境下，用精密直流電橋測(cè)得傳感器電阻值為100．0065 Ω。根據(jù)Nyquist方程計(jì)算得到該電阻兩端產(chǎn)生的熱噪聲功率譜密度約為1．228 2 nV/Hz0．5。測(cè)量過(guò)程中，需實(shí)現(xiàn)合成量子電壓噪聲源與其匹配，即在Δf=2 kHz頻率帶寬范圍內(nèi)，兩者功率相等。由此可計(jì)算得到梳狀的量子電壓噪聲頻譜中每一分量幅度約為55 nV。

1．2 量子電壓噪聲源

約瑟夫森任意波形合成器利用脈沖信號(hào)發(fā)生器Δ-∑調(diào)制產(chǎn)生脈沖序列驅(qū)動(dòng)液氦環(huán)境中的約瑟夫森結(jié)陣，由此產(chǎn)生 準(zhǔn) 確 可 計(jì) 算 的 電 壓 波 形［2，4，5，7，8，9］，其 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 如圖1（c）所示。

圖1 量子電壓標(biāo)定的噪聲溫度計(jì)系統(tǒng)總框圖Fig 1 Block diagrams of quantum voltage calibrated noise thermometer system

系統(tǒng)中，連續(xù)信號(hào)發(fā)生器為脈沖信號(hào)發(fā)生器提供外部時(shí)鐘基準(zhǔn)，將計(jì)算機(jī)合成的信號(hào)發(fā)送到脈沖信號(hào)發(fā)生器，其信號(hào)輸出端通過(guò)微波線纜作用到約瑟夫森結(jié)陣，產(chǎn)生電壓波形。此系統(tǒng)合成的1 MHz范圍內(nèi)的量子電壓噪聲源功率譜圖如圖2所示。

在圖2（a）中，由于測(cè)量電路中使用了截止頻率為800 kHz的低通濾波器，所以，合成信號(hào)的有效測(cè)量帶寬范圍為0～800 kHz。圖2（b）是合成信號(hào)150～250 kHz范圍的局部放大圖，從此圖中可以看到梳狀的合成信號(hào)，其基頻frep=1 kHz，僅包含奇次諧波，幅度大小一致。圖中每一根譜線代表Δf=2frep帶寬內(nèi)的噪聲功率。

圖2 合成1 MHz范圍內(nèi)的量子電壓噪聲源功率譜圖Fig 2 Power spectrum of quantized voltage noise source in 1 MHz

1．3 測(cè)量電路

測(cè)量電路部分主要由切換開(kāi)關(guān)、前置放大器、濾波器三部分組成。其中切換開(kāi)關(guān)由FPGA控制，通過(guò)PC機(jī)發(fā)送光信號(hào)控制其觸發(fā)繼電器，并使其能夠在傳感器輸出端與量子電壓噪聲源之間進(jìn)行自由切換。

因?yàn)樵肼暅囟扔?jì)所測(cè)量噪聲信號(hào)的幅值水平非常低，所以，要求放大器具有高增益、高共模抑制比、以及低噪聲的特點(diǎn)［2，10］。系統(tǒng)中選用的前置放大器具有良好的性能，其增益約 70 dB，－3 dB帶寬達(dá) 2 MHz，噪聲背景約為1．2 nV/Hz0．5，100 kHz處的共模抑制比為 100 dB，輸入阻抗在低頻范圍內(nèi)不低于1 GΩ，輸出阻抗為50 Ω。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于幅度約55 nV的量子電壓噪聲源，在直流至600 kHz帶寬內(nèi)，此前置放大器的非線性失真信號(hào)較輸入信號(hào)低120 dB以上，對(duì)測(cè)量的影響小于1×10－6。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中會(huì)發(fā)生混疊效應(yīng)，高頻成分被混疊至低頻范圍內(nèi)，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在測(cè)量電路中前置放大器與緩沖放大器之間加入輸入阻抗為50 Ω，截止頻率為800 kHz的低通濾波器，衰減高頻信號(hào)，從而減小混疊效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。

1．4 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以NI PXI—5922為硬件平臺(tái)進(jìn)行搭建。PXI—5922可變分辨率數(shù)字化儀重新定義了虛擬儀器技術(shù)中硬件部分的構(gòu)建方式，有別于傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備對(duì)所有采樣速率只有一種固定分辨率的情況，其使用的NI FlexII ADC，具備了可變的分辨率，并能在 15 MS/s，16位到500 kS/s，24位的范圍內(nèi)進(jìn)行采樣，并可為所有采樣速率提供集成化抗混疊濾波。其簡(jiǎn)化的信號(hào)調(diào)理功能改進(jìn)了測(cè)量精確度和可靠性，同時(shí)也節(jié)省了寶貴的開(kāi)發(fā)測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)工具，使用其提供的虛擬儀器軟件規(guī)范庫(kù)（VISA）和PXI—5922自帶的Spectral Measurements工具包，根據(jù)系統(tǒng)互相關(guān)測(cè)量原理，開(kāi)發(fā)了量子電壓噪聲溫度計(jì)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)［11，12］。其程序流程框圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig 3 Flow chart of program

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行參數(shù)初始化來(lái)設(shè)置參數(shù)，根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始采集波形信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)圖形顯示，然后對(duì)采集的波形信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，使數(shù)據(jù)量減少為原來(lái)的一半，并進(jìn)行互相關(guān)和自相關(guān)運(yùn)算。

實(shí)際測(cè)量前，通過(guò)前面板上的輸入控件，選擇實(shí)驗(yàn)使用儀器并設(shè)置數(shù)據(jù)采集通道、輸入阻抗、采樣頻率、采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型等參數(shù)。使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生101 kHz單頻正弦信號(hào)調(diào)節(jié)兩通道之間的同步水平，使兩通道采集的單頻信號(hào)的相位差維持在10－6rad的水平，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過(guò)Directory指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置，并在Comment中記錄實(shí)驗(yàn)條件。開(kāi)始運(yùn)行系統(tǒng)軟件，當(dāng)Average count等于Average number初始化數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)按照指定存儲(chǔ)位置存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，指示開(kāi)關(guān)在JJ端與Res端進(jìn)行切換并通過(guò)COM口發(fā)送指令，使光信號(hào)傳輸至切換開(kāi)關(guān)，同時(shí)使其動(dòng)作，Storage count從0次開(kāi)始累加，直至與Storage number設(shè)置的初始值相等，系統(tǒng)結(jié)束運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證新建系統(tǒng)的測(cè)量能力，首先對(duì)水三相點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。按照上述待測(cè)溫度計(jì)算方法得到的水三相點(diǎn)溫度值與ITS90溫度值（273．16 K）的偏差如圖4（a）所示。隨著測(cè)量次數(shù)的增加，測(cè)量結(jié)果趨于穩(wěn)定。當(dāng)測(cè)量次數(shù)達(dá)到180次（約10 h），其相對(duì)偏差可達(dá)0．5×10－6。按照統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)測(cè)量值的不確定度進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4（b）所示。圖中直線為根據(jù)理論計(jì)算得到的統(tǒng)計(jì)不確定度值，曲線為實(shí)際不確定度隨積分時(shí)間的變化。從圖中可以看出:測(cè)量值不確定度曲線在理論值兩側(cè)波動(dòng)，當(dāng)測(cè)量次數(shù)達(dá)到180時(shí)，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度達(dá)到23 μK/K。

圖4 溫度測(cè)量隨積分時(shí)間的變化Fig 4 Changes of temperature measurement with integration time

4 結(jié)論

量子電壓標(biāo)定的噪聲溫度計(jì)系統(tǒng)以量子電壓任意波形合成技術(shù)合成可計(jì)算的、精確的量子電壓噪聲源作為參考端信號(hào)，通過(guò)在引線中加入非相關(guān)的電阻器，實(shí)現(xiàn)了與待測(cè)噪聲源功率及阻抗的同時(shí)匹配，以高精度數(shù)字分析儀PXI-5922為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，使用LabVIEW開(kāi)發(fā)溫度測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了水三相點(diǎn)處熱力學(xué)溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的自動(dòng)化準(zhǔn)確測(cè)量，效果良好。

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