/ 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，數(shù)字多用表在各行各業(yè)中的使用越來越頻繁。由于市場需求的持續(xù)上升，數(shù)字多用表生產(chǎn)企業(yè)競爭激勵(lì)，其對于如何拓寬測量范圍、提升測量準(zhǔn)確度方面做足了文章。具有高準(zhǔn)確度等級直流低電壓測量功能的數(shù)字多用表相應(yīng)面世，并被越來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)或校準(zhǔn)工作中。因此，對于直流低電壓的校準(zhǔn)工作就顯得極為重要。本文主要就10 mV直流電壓點(diǎn)的校準(zhǔn)方法進(jìn)行探討，并提出校準(zhǔn)過程中需要注意的問題及相應(yīng)的解決方法。

1 校準(zhǔn)方法

目前市場上具有直流低電壓測量功能的數(shù)字多用表多為某公司生產(chǎn)的34420A型和某公司生產(chǎn)的2182A型，它們在直流毫伏低電壓的準(zhǔn)確度等級基本都優(yōu)于±0.01%。如果選擇使用某公司的5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源，對數(shù)字多用表直流毫伏低電壓進(jìn)行直接校準(zhǔn)，方法簡單易操作，但通過5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源的年技術(shù)指標(biāo)可以看出，其直流電壓功能的測量不確定度不能滿足對34420A型和2182A型數(shù)字多用表10 mV直流電壓進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，如何利用現(xiàn)有設(shè)備滿足直流毫伏低電壓的量值溯源問題，是開展本次校準(zhǔn)方法研究的目的。

1.1 使用720A型開爾文-瓦力任意比例分壓器和5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源校準(zhǔn)

720A型開爾文-瓦力任意比例分壓器（以下簡稱K-V分壓器） 內(nèi)部裝有惠斯通電橋的三個(gè)臂，兩個(gè)臂大約都是40 kΩ，第三個(gè)臂約為10 kΩ。可進(jìn)行自校準(zhǔn)并產(chǎn)生相當(dāng)準(zhǔn)確的固定比率，其比率值的設(shè)置具有7個(gè)十進(jìn)位的分辨力，可以將一個(gè)已知的輸入電壓進(jìn)行細(xì)分。K-V分壓器由幾個(gè)電阻盤相互連接而成，與普通分壓器不同的是，K-V分壓器第一個(gè)十進(jìn)位由12個(gè)電阻盤組成。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)十進(jìn)位開關(guān)處在任意給定的位置時(shí)，這些電阻盤中都有兩個(gè)電阻盤和第二個(gè)十進(jìn)位電阻盤相并聯(lián)。而把第二個(gè)電阻盤的輸入電阻設(shè)計(jì)成等于被并聯(lián)的兩個(gè)電阻盤的串聯(lián)電阻值。由于并聯(lián)電阻的組合效應(yīng)，這兩個(gè)并聯(lián)電阻盤上的電壓降等于第一個(gè)十進(jìn)位電阻盤中任何一個(gè)未被并聯(lián)的電阻盤上的電壓降。圖1是某公司720A型K-V分壓器的基本電路圖。

圖1 720A型K-V分壓器基本電路

K-V分壓器最重要的特性就是線性度，其絕對線性度為輸入電壓的±0.1×10-6，年穩(wěn)定性可達(dá)±1×10-6。由于5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源在輸出1 V直流電壓時(shí)的不確定度最小，因此，考慮用分壓器將 1 V 直流電壓分壓至 10 mV。如校準(zhǔn) 10 mV 點(diǎn)，調(diào)節(jié)5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源輸出1 V直流電壓，調(diào)節(jié)K-V分壓器度盤設(shè)置為0.01，K-V分壓器輸出端輸出標(biāo)準(zhǔn)的10 mV直流電壓信號給被校準(zhǔn)的數(shù)字多用表。此時(shí)整體標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度由分壓器和多功能標(biāo)準(zhǔn)源合成得到。通過計(jì)算可知K-V分壓器和5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源能夠滿足對34420A型和2182A型的10 mV直流電壓的校準(zhǔn)要求。

1.2 使用一等標(biāo)準(zhǔn)電阻和高準(zhǔn)確度數(shù)字多用表校準(zhǔn)

由1.1可以看出，滿足校準(zhǔn)要求的關(guān)鍵在于分壓器的準(zhǔn)確度等級。如果實(shí)驗(yàn)室沒有這樣高準(zhǔn)確度的分壓器，可以利用歐姆定律，使電流I通過標(biāo)準(zhǔn)電阻來定標(biāo)，測量電路如圖2所示。

圖2 直流低電壓校準(zhǔn)電路

圖2 中E為直流標(biāo)準(zhǔn)電壓源，采用某公司的5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源，Rn1、Rn2和Rn3為一等標(biāo)準(zhǔn)電阻，其標(biāo)稱值分別為 1 000 Ω、10 Ω 和 1 Ω。Vn1、Vn2（或Vn3）分別接8508A型數(shù)字多用表和待校準(zhǔn)的數(shù)字多用表（34420A型或2182A型）。校準(zhǔn)10 mV直流電壓時(shí)，待校準(zhǔn)數(shù)字多用表接入Rn2端；校準(zhǔn)1 mV直流電壓時(shí)，待校準(zhǔn)數(shù)字多用表接入Rn3端。如校準(zhǔn)10 mV點(diǎn)，調(diào)節(jié)5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源，使得接在Vn1端的8508A型數(shù)字多用表顯示為1 V，由歐姆定律得到式（1）

經(jīng)整理得到式（2）

則測量誤差為

式中：Vn1—— 8508A型數(shù)字多用表的示值；

Vn2—— 標(biāo)準(zhǔn) 10 mV 直流電壓；

Rn1—— 1 000 Ω 一等標(biāo)準(zhǔn)電阻；

Rn2—— 10 Ω 一等標(biāo)準(zhǔn)電阻；

Vx—— 被校準(zhǔn)數(shù)字多用表的示值

使用此方法也可以滿足對某公司的34420A型和某公司的2182A型10 mV直流低電壓的校準(zhǔn)要求。

2 校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定

2.1 測量方法

使用5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源輸出1 V直流電壓，用K-V分壓器分壓得到10 mV直流電壓。將分壓得到的10 mV直流電壓輸入34420A型數(shù)字多用表的10 mV直流電壓量程檔得到示值電壓Ux。

2.2 測量模型

式中：Ux—— 34420A型數(shù)字多用表的電壓值；

Um—— 標(biāo)準(zhǔn)電壓值；

ΔU—— 34420A型數(shù)字多用表的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)值的絕對誤差

各輸入量Um、ΔU彼此獨(dú)立，互不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的平方為

所以，被測34420A型數(shù)字多用表直流電壓值的不確定度來源有：

1）5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源引入的不確定度分量ur1；

2）K-V分壓器引入的不確定度分量ur2；

3）測量重復(fù)性和分辨力引入的不確定度分量ur3；

4）零點(diǎn)無法完全清除引入的不確定度分量ur4。

2.3 輸入量估計(jì)值的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

2.3.1 5730A多功能標(biāo)準(zhǔn)源引入的不確定度分量ur1某公司給出的5730A多功能標(biāo)準(zhǔn)源直流電壓1 a的最大允許誤差為±（5×10-6Output+0.7 μV），采用B類方法進(jìn)行評定，可認(rèn)為是均勻分布，。則5730A型數(shù)字多用表引入的不確定度為

2.3.2 K-V分壓器引入的不確定度分量ur2

K-V分壓器的傳遞不確定度和年穩(wěn)定性。上一級計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)在0.01比例值給出的校準(zhǔn)不確定度為Ur= 1×10-6（k= 2），則由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為ur21= 1×10-6/2 = 5×10-7，某公司給出的K-V分壓器在0.01比例值的年穩(wěn)定性為±1×10-6×（10×0.01）2/3×1/0.01 = 2.15×10-5，采用 B 類方法進(jìn)行評定，可認(rèn)為是均勻分布，。則

引入以上兩項(xiàng)不確定度的因素相互獨(dú)立，互不相關(guān)，則

2.3.3 測量重復(fù)性和分辨力引入的不確定度分量ur3

由測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度采用A類方法進(jìn)行評定。對10 mV直流電壓點(diǎn)進(jìn)行10次測量，顯示值如表7所示。

表7 使用5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源和K-V分壓器測量10 mV直流電壓點(diǎn)10次

單次測量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為

由分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度采用B類方法進(jìn)行評定。34420A型數(shù)字多用表的10 mV直流電壓顯示分辨力為1×10-5mV，其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為u2(ΔU) = 2.9×10-6mV。測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度取其大者，因此，這里取重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(ΔU) = 9.8×10-6mV，則ur3= 9.8×10-7。

2.3.4 零點(diǎn)無法完全清除引入的不確定度分量ur4

被校設(shè)備短路后，點(diǎn)擊清零鍵，清零后儀器顯示末尾還會有數(shù)字的跳變，跳變最大值為0.000 09 mV，則

2.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表8。

表8 不確定度分量

2.5 計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各分量相互獨(dú)立，故合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.6 確定擴(kuò)展不確定度

取包含因子k= 2，于是擴(kuò)展不確定度為

Ur= 2×1.3×10-5= 2.6×10-5

則校準(zhǔn)結(jié)果為：Ux=（9.999 85±0.000 26）mV

按照上述評定方法，使用1.2方法的校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為U= 8×10-5mV（k= 2）。

3 直流低電壓測量中需要注意的問題

在測量較高電壓電平時(shí)，通?？梢院雎缘钠秒妷汉驮肼曉磪s可能在低電壓測量工作中引入重大的誤差。

3.1 偏置電壓

在理想情況下，當(dāng)把電壓表連接到一個(gè)沒有電壓且阻抗比較低的電路時(shí)，電壓表的示值應(yīng)當(dāng)為零。然而，電路中的若干誤差源可以引起非零的電壓偏置量。

這些誤差源包括熱電動勢、由射頻干擾經(jīng)過整流而產(chǎn)生的偏置量以及電壓表輸入電路中的偏置量。

將電壓表的測試引線端子短路，然后打開儀器的清零功能，通常可以消除穩(wěn)定的偏置電壓。但是，要想消除偏置量的漂移，則需要經(jīng)常進(jìn)行清零操作，特別是存在熱電動勢的情況下更應(yīng)如此。

3.1.1 熱電動勢

熱電動勢是低電壓測量中最常見的誤差來源。當(dāng)電路的不同部分處在不同的溫度，或者當(dāng)不同材料的導(dǎo)體互相接觸時(shí)，通常就會產(chǎn)生熱電動勢。

使用相同材料的導(dǎo)體來構(gòu)建電路可以將產(chǎn)生的熱電動勢降至最低。如使用銅制接線片來連接銅導(dǎo)線，也就形成銅與銅的連接，將會產(chǎn)生最小的熱電動勢。而且，連接處還必須保持清潔，沒有氧化物。對設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱并使其在恒定的環(huán)境溫度下達(dá)到熱平衡也能使熱電動勢效應(yīng)達(dá)到最小。此外，也可以采用反向的方法來抵消寄生熱電動勢所產(chǎn)生的誤差。

3.1.2 RFI（射頻干擾）和EMI（電磁干擾）

RFI/EMI的干擾可能表現(xiàn)為穩(wěn)定的示值偏置或者引起有噪聲的或錯(cuò)誤的示值。示值偏置可能由輸入放大器過載或輸入端的直流整流效應(yīng)所引起。

預(yù)防措施是使所有的儀器和電纜盡可能地遠(yuǎn)離干擾源。對測試引線和儀器進(jìn)行屏蔽常常能夠?qū)⑦@種干擾的影響降低到可以接受的水平。噪聲屏蔽應(yīng)當(dāng)連接到輸入低端（LO）。

3.1.3 零點(diǎn)漂移

零點(diǎn)漂移是在沒有輸入信號（在輸入端短路時(shí)進(jìn)行測量）的情況下，電壓表的示值隨時(shí)間發(fā)生的變化。儀器的零點(diǎn)漂移幾乎完全由其輸入級來決定。大多數(shù)納伏表都對輸入信號進(jìn)行某種形式的斬波或者調(diào)制使儀器的零點(diǎn)漂移達(dá)到最小。

儀器的零點(diǎn)示值也會隨著環(huán)境溫度的變化而變化。這種效應(yīng)通常稱為電壓偏置溫度系數(shù)。因此，應(yīng)當(dāng)在溫度恒定的環(huán)境中進(jìn)行測量工作，并對電路進(jìn)行熱屏蔽以使其溫度變化的速度減慢。

3.2 噪聲

噪聲源能夠產(chǎn)生很大的誤差，噪聲的來源包括磁場和地回路等。了解噪聲的來源以及使其變小的方法對于進(jìn)行有效的低電壓測量是至關(guān)重要的。

3.2.1 磁場

在兩種情況下磁場會產(chǎn)生誤差電壓：1）磁場隨時(shí)間變化。2）在電路和磁場之間存在相對運(yùn)動。導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動、測試系統(tǒng)中的元件引起的交變電流或者磁場的斜坡上升都會在導(dǎo)線中產(chǎn)生電壓。甚至地球本身比較弱的磁場也能夠在搖動的引線中產(chǎn)生納伏級的電壓，所以必須使引線盡可能短，引線必須緊貼在一起，采用磁屏蔽，并且將其捆扎起來盡量使其不移動?；蛘邔⒁€絞合在一起，由于絞合的引線包圍的面積小，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電壓小，而每個(gè)相鄰的絞合都產(chǎn)生一個(gè)很小的、極性交替變化，而且相等的電壓，所以雙絞線可以消除由磁場感應(yīng)出的電壓。

3.2.2 地回路

噪聲和誤差電壓還可能由地回路引起。當(dāng)存在兩個(gè)與地的連接點(diǎn)，例如源和測量儀器都連到一個(gè)公共的地總線時(shí)，就形成了回路。源和測量儀器的地之間的電壓會引起電流在回路中流動，這個(gè)電流將會產(chǎn)生與源電壓相串聯(lián)的不希望有的電壓。

解決這種地回路問題的方法是將所有的設(shè)備在一個(gè)單點(diǎn)接地。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的最簡單的辦法是使用隔離的電源和儀器，然后為整個(gè)系統(tǒng)找出一個(gè)單一的、良好的大地接地點(diǎn)。

4 結(jié)語

綜上所述，采用K-V分壓器和5730A型多功能標(biāo)準(zhǔn)源配合能夠很好地對34420A型和2182A型數(shù)字多用表10 mV直流電壓進(jìn)行校準(zhǔn)。若實(shí)驗(yàn)室沒有K-V分壓器，那么采用一等標(biāo)準(zhǔn)電阻和8508A型高準(zhǔn)確度數(shù)字多用表配合進(jìn)行校準(zhǔn)也同樣滿足要求。但需要注意在校準(zhǔn)過程中減小偏置電壓和噪聲的影響，在進(jìn)行不確定度評定時(shí)也要考慮由偏置電壓和噪聲引入的不確定度分量。