《计量学基础》PPT课件.ppt

频率复现电学量的原理研究,目录,一、量子基准之前的直流电学量测量及保存 二、约瑟夫森效应和约瑟夫森常数 三、量子化霍尔效应和冯克里青常数 四、电流单位安培的保存和复现,电学计量的意义,电磁计量标准有很多种，其中最基本的是电压标准和电阻标准两种，其他电磁计量标准的量值均可以由这两种基本标准导出。我国是电气化大国，众多的家用电器正在给我们带来各种方便，工业、农业、国防、科研等各领域正迅速实现现代化。电能是基本能源，我国现在已经是电能消费大国，年发电量已经达到2万亿千瓦时，如果电能计量有1的误差，就相当于100亿人民币的偏差。同时，在以航空航天、电子、通信、原子能、高新材料等为代表的高科技领域内，各种精密电磁测量仪器正在起着关键性的作用。科研工作正在对电磁测量仪器的准确度提出越来越高的要求，以得到更科学、更准确的实验成果。,什么是电学量计量,电压计量：研究和保证电压测量的统一和准确的理论与实践的计量学分支。电压是与电荷有关的基本电学量。电压单位伏特是在直流下确定，由约瑟夫森电压基准复现和保存，通过标准电池组成的国家电压副基准、电压工作基准和各等级的电压标准进行量值传递。 电流计量：研究和保证电流测量的统一和准确的理论与实践的计量学分支。电流是与电荷有关的基本的电学量。电流单位安培（A）是电磁学计量的基础，用电流天平和电动力计可实现电流单位的绝对测量。由于电流单位的实物基准难于实现，因此电流单位是通过电压单位和电阻单位来保存。,量子基准之前的直流电学测量,自本世纪20年代至今，各国科学家进行了各种绝对测量方法的研究，有的因其难确度低而被逐渐淘汰，有的至今仍在采用。下面对这些方法予以简单介绍。 一、电流绝对测量 (1)电流天平法 电流基本单位的定义：真空中截面积可忽略的两相距1 m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时,若导线间相互作用力在每米长度上为 2 10-7 N, 则每根导线中的电流 为1 A。,电流天平法巧妙地将一个可移动螺线管线圈，置于一个固定螺线管线圈中间，近似地实现安培定义中两根无限长且相互平行的直导线的条件，同时用天平称出两线圈通电时的相互作用力。,M为两通电回路之间的互感,实际上这一装置与安培定义中所要求的条件还不完全相符，不能用定义的表达式来计算。线圈中通过的电流一般为1A，两线圈相互作用力很小，单是力的度量这一项，就使电流天平的测量不确定度限制在10-6量级。再加上线圈几何尺寸及它们之间的相对位置的测量，都不可能达到很高的推确度。因此，几十年来，电流天平复现安培的不确定度，一宜徘徊在百万分之几到十万分之一范围内。目前此方法已逐渐被淘汰。但应该肯定，在电学测量史上电流天平对提高电单位复现准确度曾起过重要作用。,(2)核磁共振法 核磁共振法是继电流天平之后，一种复现安培的新方法。 本世纪60年代以来在一些国家开始研究和应用。它是通过在强磁场和弱磁场中，分别测定基本物理常数质子回旋磁比r p,利用r p(强)与电流成正比、r p(弱)与电流成反比的特点，将两者相结合，然后，计算得到保存安培与绝对安培之比KA。这种绝对测定安培的方法称为间接测量法。,（1）计算电感法 最早的电阻绝对测量是通过计算电感(包括自感和互感)来实现的。带有电流I的电感器的总能量LI2/2。当采用单位电流时，只要知道了电流密度的分布，利用麦克斯韦方程即可计算出电感量来。但无论是自感还是互感，都需要对线圈尺寸进行精密测量，由于几何尺寸测量误差的影响，很难使其不确定度减小到l10-6以下。后来由于计算电容法的出现。计算电感法逐渐被淘汰了。计算电感法有两种：马克士威尔电桥法和康贝尔电桥法。,电阻的绝对测量,马克士威尔电桥法,计算电感绝对测量电阻是采用马克士威尔电桥和马 克士威尔整流子电桥，其电桥电路图如左图。 图（a）电桥平衡条件是: 图（b）电桥的平衡条件是 式中，f为电容器C每秒充放电次数。图（a）、图（b）两个电桥的电容器C是同一个电容器，轮流在两个电桥上，则上式的右边都是电阻，以一个基准电阻R为基准， 即可确定这些电阻的值。若写成R2=A2R，R3=A3R r1=a1R,r2=a2R,r3=a3R,其中A2、A3、a1、a2、a3是比较测量得到的值。则 已知L和f，即可进行电阻的绝对测量,康贝尔电桥法,以计算电感法绝对测量电阻采用康贝尔电桥其电桥电路图如下图所示,康贝尔电桥采用了两个计 算互感M1M2，若回路的 总电阻和总电感分别是R 和L时，电桥平衡条件为,已知M1M2和电源的角频率 即可确定电阻值。以计算电感法绝对测量电阻的测量误差约为（0.31）10-5,主要是由计算电感几何尺寸的测量误差所引起的。,计算电容法的原理是基于1956年澳大利亚的汤姆逊和兰帕德所证明的静电学新定理。它指出截面为任意形状的无限长导电柱面，被在 、处的无限小的绝缘间隙分割为四部分时，如下图所示，电极与间单位长部分的电容C1和与间单位长部分电容C2，无论在柱面内还是柱面外，均满足方程： 其中 为一常数，r 为介质的相对 介电常数、0为真空介常 数，C1、C2为交叉电容。,（2）计算电容法,任意形状导电柱的截面,三、电压绝对测量法 一般电压绝对测量利用静电引力来实现。从静电学理论可知，若两平行金属板之间的电容为C(它是距离的函数)，电位差为U，则能量W为CU22。并且在垂直于两板的方向(Z)上存在相互作用力FZ，该力可表示为 。如果dC/dZ是已知的，则通过测量力就可得知电压。用这种原理进行电压绝对测量，不确定度可达到2xl0-7。 四、电功率绝对测量 70年代后期，英国的BPKibble博士提出了在电流天平上，将电流天平改为电功率天平，用移动线圈的方法，使电功率的测量不确定度达到(12)l0-7。,1990年以前安培的保存电压和电阻的实物基准,电单位的绝对测量都是非常复杂的实验，不可能在日常工作中用于复现和保存单位。在1990年国际上正式启用自然基准之前，电单位是通过实物基准来发现和保存的。在电学计量领域里最重要的实物基准是电阻基准和电动势基准。电流和电功率没有实物基准，它们是通过欧姆定律和电功率公式由电阻和电动势基准一起来复现和保存的。,电阻的实物基准,标准电阻器（standard resistor） 用于保存电磁单位制中电阻单位欧姆的量值的标量具， 是专为精密仪器或校准电阻值而设计的。技术上与精密线绕电阻器的要求大体相同，并要求阻值稳定性极高，必须是无感和分布电容极小。主要具有高精密，低温度系数的特点。但应指出，它们的阻值往往是以某一温度和湿度为前提而标出的。,目前电阻单位量值的不确定度已小于110-7.同时，电阻量值也可以用良好的实物基准，即标准电阻来复现和保存，使用非常方便。,为获得尽可能高的稳定欧姆值，各国普遍采用若干名义值为1的标准电阻组成基准组来保存电阻单位。如国际计量局和美国的电阻基准，都是由10个1 的标准电阻组成，单个电阻值的年变化率不超过110-7.我国的电阻基准亦由10个1 的标准电阻组成，单个电阻值的年变化率不超过210-7. 标准电阻是用具有低温度系数的合金丝（如锰镍铜合金丝）烧制而成的。电阻经退火处理后置于装满纯矿物油或惰性气体的密闭容器中，以保证阻值的稳定。104108 的高电阻使用AL等的Ni-Cr系精密电阻细线。电阻和温度的关系通常用下式表示：式中Rt和R20分别为t和20 时的电阻值；和为电阻的一次和二次项温度系数。,为消除连接导线的电阻对标准电阻的影响，实用的标准电阻都制成四端钮结构，如下图所示。四个端钮都安装在标准电阻的面板上，其中，C1、C2是电流端钮，P1、P2是电位端钮。 在使用标准电阻时要注意温度和额定功率。额定功率一般限制在0.1W一下，对待特别精密的计量则应限制在0.01W以下，以免电阻丝发热而引起阻值变化。,电压单位的实物基准,标准电池是一种化学电池，由于其电动势比较稳定、复现性好，长期以来在国际上用作电压标准。在测量和校准各种电池的电压时，用作标准的辅助电池。韦斯顿发明的饱和式标准电池具有长时间稳定性好（电动势年变化小于0.510-6）的特性，常作为标准电池。 长时间以来，世界各国均采用标准电池组作为实物标准伏特主基准组来保存本国电压单位伏特的量