第2章电学量的测试计量(电子科大计量误差)

电学量的测试计量时间频率计量电磁学计量无线电计量第1节时间频率计量测试1.时间频率规范原子频率规范根本原理——量子实际：原子和分子只能处于一定的能级，其能量不能延续变化，当它们由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波方式辐射或吸收能量，其频率严厉决议于二能级间的能量差。〔h普朗克常数〕铯原子频标国际规定的复现秒定义的规范安装。大铯钟和小铯钟。准确度10-14,长期稳定度10-14时间频率规范气泡型铷原子频标造价低、体积小，运用最多的原子频标准确度10-11〔不适宜作一级规范〕稳定度10-11-10-12缺陷：频移，必需用铯规范定标

氢原子频标自动型氢激射器，从氢原子中选出高能级的原子送入谐振腔，原子从高能级向低能级跃迁，辐射出频率准确的电磁波。长/短期稳定性好10-14—10-15准确度10-12缺陷：构造庞大复杂，价钱昂贵时间频率规范石英晶体振荡器普通晶体振荡器温度补偿晶体振荡器TCXO恒温晶体振荡器OCXO：拐点温度处频率-温度系数最小原子时标延续运转的原子钟产生国际原子时的起点是1958年1月1日世界时0时主要利用美、德、瑞士、加拿大、英、法的七个单位的地方原子时进展加权平均，用“罗兰-C〞低频导航台信号联络。2.时间频率的计量时间间隔的计量 两个信号分别控制闸门开启和封锁直接计量法测频 规定的闸门时间内，对被计量信号进展计数差频周期法测频 将被计量信号与规范频率信号混频，取出差拍信号，然后用测周法测出差拍信号的频率多周期同步测频〔倒数计数器〕频差倍增法测频 将差拍信号周期扩展，再进展丈量以提高精度 P153FIG8-1-19时间频率的计量相位重合法测频 最大公因子频率：对恣意两个频率信号f1和f2，当f1=Af0，f2=Bf0时〔A、B为互素正整数〕，f0就是f1和f2之间的最大公因子频率fmaxc。 最小公倍数周期Tminc 在一个Tminc内，两信号间的相位差形状都有一些值，它们分别等于信号间的相对初始相位差加0,,2,…P154FIG8-1-20时间频率的计量相位比较法测频线性比相法FIG5-2-2频标比对鉴相器输出的电压或电流信号与两个信号的相位差成正比时差法与双混频器时差法将频率信号转化为时间信号，送到时间间隔计数器计量时差。双混频器时差法引入中介源，P116FIG5-7-1经过双重混频，信号间的时差被倍增了〔？〕3.频率稳定度及其计量频率准确度频率稳定度 长期稳定度：老化率/漂移率——服从一定的规律 短期稳定度：频率的随机变化 调频闪变噪声、调频随机游动噪声 不服从高斯分布，不具有单峰性、对称性、抵偿性 随机误差总和不随计量次数添加而趋近于零 不能用经典的规范偏向来表征频率稳定度频率稳定度表征 频域表征：相对频率起伏的功率谱密度——频谱不纯 时域表征：阿仑方差——频率平均值的随机起伏频率稳定度及其计量频域稳定度表征瞬时相对频率起伏噪声功率谱密度相位噪声：离载波频率为fm的点上，1Hz带宽内单边带功率PSSB与载波功率之比。零拍法：最简单的相位噪声丈量方法 周渭，时频测控技术，P62频率稳定度及其计量时域稳定度表征计数器丈量相对频率起伏在一段时间的平均值广义阿仑方差方差闪变噪声极限不存在频率稳定度及其计量阿仑方差广义阿仑方差与三个量相关，复杂，不方便有限时间的估计值任庆，电子丈量原理，P212阿仑方差只含一个参量——取样时间，每组丈量次数少，简单、计算量小，对各种频率噪声收敛。(1)利用电磁波信号的接纳比对发播方式分类高频：2.5MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz等短波台低频：100kHz数量级的罗兰-C导航台甚低频：10-20kHz等Ω导航台甚高频：电视和卫星通讯发播方式特点高频发播：波长短穿透力强，靠高层的电离层反射，电离层不稳定甚低频发播：波长长穿透力差，低层电离层反射，比高层电离层稳定， 存在日落日出效应。低频发播：地波传播的相位稳定度高，发送和接纳设备昂贵。发播延时d=S/V 天波V为光速C，地波需求作修正4.时间频率量值的传送量值传送与检定测试(2)利用电视信号的接纳比对 甚高频频段，波长短穿透力强，不受电离层反射而直线传播，传播延迟仅决议于发射和接纳之间的直线间隔。 电视信号覆盖范围小，经过中继线路，延迟修正无源事后同步：选定某一电视同步脉冲作公共参考信号，分别计量出各个钟与参考信号的时差，事后交换数据，得到各钟之间的关系。有源实时同步：将时间编码和规范频率信号插入电视广播的场回扫逆程中的某一行内，随电视节目一同播出。用户运用解码器实时得到准确的时辰信息，运用锁相振荡器得到规范频率。 利用彩色电视校准频率 P159FIG8-1-23量值传送与检定测试(3)利用卫星的接纳比对 具有电视方法的全部优点，抑制了覆盖面积小的缺陷。无源法：转发 单向：卫星运动引起的传播延时变化难以确定，不准确 双向：经过交换数据计量出传播延时，但仍需修正有源法：卫星上放置高准确度的铷钟或铯钟 全球卫星定位系统：美GPS、俄GLONASS、北斗。GPS简介GPS由24颗卫星组成星座，分布在距地球2万Km的6个轨道平面上，任何地方任何时候都可以看到4-11颗卫星。卫星发射信号有2个频率：L1=1575.24MHz，L2=1227.6MHz 2种调制码：P码—精细定位效力码〔美军，加密〕 C/A码—规范定位码〔开放〕GPS定位原理：测距 设卫星j于tsj发播导航信号，经间隔时延后，用户接纳机在时辰tr接纳到该信号，那么卫星j至用户的间隔为：假设卫星与用户接纳机的时钟严厉同步，并且卫星的位置、发射导航信号的时辰确定，那么经过同时接纳3颗GPS星的发播信号，求解出用户接纳机的坐标位置。GPS简介要求用户接纳机配备准确的原子钟并与卫星钟同步不现实。设卫星j发播信号时的GPS原子钟时辰tsj，而卫星的钟面时为tsj’；用户接纳信号时的GPS原子钟时辰tr，而接纳机的钟面时为tr’。那么测定到的间隔为：“伪距〞：不是卫星到用户的真实间隔，包含了时钟差的间隔。GPS伪距丈量导航定位的根本方程：4个待定参数，在观测4颗GPS卫星的情况下，不需求用户配备高精度的原子钟，也不需求与卫星钟同步，即可实现定位以及用户钟相对GPS时间的准确钟差。观测一颗GPS卫星，也可以实现精细的时间丈量或同步。第2节电磁学计量测试电学计量：直流计量、交流计量磁学计量：1。电学计量单位及规范电流安培 在真空中，截面积可以忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内经过等量恒定电流时，假设导线间相互作用力在每米长度上为2*10-7N，那么每根导线中的电流为1A。电流单位复现 电流天平 核磁共振 欧姆定律电流天平安培秤:FI固定线圈A、B,活动线圈CA、B、C通一样的电流I BC电流流向一样 AC电流流向相反C线圈受力垂直向下核磁共振

nuclearmagneticresonance——NMR核磁共振：在恒定磁场中，磁矩不为零的原子核受射频场鼓励后发生的能级间共振跃迁景象〔共振吸收景象〕。1946年美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，两人获得1952年度诺贝尔物理学奖。核磁共振成像：利用水分子中氢原子的核磁共振景象，获取人体内水分子分布信息，从而准确绘制人体内部构造。保罗·劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得·曼斯菲尔由于在核磁共振成像技术方面的奉献获得2003年度诺贝尔医学奖。其根本原理：将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停顿射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处置获得图像。核磁共振确立磁场强度的规范：IB，复现安培电学计量单位及规范电压伏特：两点间的电位差，在载有1A规定电流导线的这两点间耗费1W的功率。规范电池：利用化学反响产生稳定的电动势〔1.01860V〕 惠斯登1890发明的镉电池。由H型或单管型玻璃容器内装入硫酸镉溶液等制成。 按电解液浓度分:饱和型和非饱和型。饱和型长期稳定性高，但内阻大、温度系数大；非饱和型的特点恰好相反。约瑟夫森电压基准： 量子隧道效应：超导体-绝缘体-超导体〔SIS〕 电压-频率之间的自然关系电学计量单位及规范电阻电磁计量中精度较高的一个，良好的实物基准 根本的电阻基准标称值为1Ω 两端电阻和四端电阻〔把电流端与电位端分开〕。计算电容法阻抗规范 制造一个高精度电容器，将其几何尺寸准确计量出，从而计算出电容量，把它作为阻抗规范导出其它电学阻抗。量子化霍尔效应电阻规范 量子化霍尔效应自1980年发现以来，在用于建立量子电阻规范方面获得了宏大的胜利。国际计量委员会建议从1990年1月1日起在世界范围内启用量子化霍尔电阻规范替代原来的电阻实物规范，并给出了下面的国际引荐值： RK=h/e2=25812.807Ω量子化霍尔效应1879年美国物理学家霍尔(Hall,EdwinHerbert,1855-1938)发现：当电流垂直于外磁场经过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一景象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(KlausvonKlitzing,1943-)等在研讨极低温度和强磁场中的半导体时发现量子霍耳效应：霍尔常数〔纵向电压和横向电流的比值〕是量子化的，RH＝V/I＝h/νe2，ν＝1，2，3，……。这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，获1985年诺贝尔物理学奖。美籍华裔物理学家崔琦(DanielCheeTsui,1939-)和美国物理学家劳克林(RobertB.Laughlin，1950-)、施特默(HorstL.Strmer，1949-)在更强磁场下研讨量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，获1998年诺贝尔物理学奖。量子化霍尔效应电阻规范Klitzing常数——h/e2：量子化霍尔效应复现的RK，极其稳定，到达10-8量级以上。不象实物规范，复现和保管时由于线圈阻值随时间变化而产生不确定性。主要困难：非整数值，适用规范电阻值为十进数值，需求建立高准确度的非整数比例安装。90年代前：电阻串并联法实现非整数比例安装，准确度10-7～10-8量级，未能充分发扬规范本身的高准确度。90年代后：低温电流比较仪安装，实现恣意非整数比例值，原理上可以到达极高的比例准确度。但实际阐明实现难度极高。目前只需五、六个国家得到了胜利，比例准确度为10-8～10-9量级。中国计量科学研讨院张钟华院士：研制的低温电流比较仪不确定度到达10-10量级，世界第一，在国际计量领域享有极高声誉，建立了我国量子化霍尔电阻规范。电学计量单位及规范电容和电感法拉：当1F电容器充以1C电荷量时，电容器两极板产生1V的电位差。电容器基准普通是由几只105pF的石英电容器组成，精度普通约为10-5量级〔0.01,0.02,0.05,0.1,0.2级〕。亨利：亨利是一闭合回路的电感，当此回路中流过的电流以1A/s的速率均匀变化时，回路中产生1V的电动势。电感器基准普通是由几只10mH的电感组成(空心无磁性骨架线圈)，精度普通约为10-5量级〔0.01,0.02,0.05,0.1,0.2级〕。2.直流计量直流电阻计量单电桥——韦斯顿四臂电桥 R1、R2构成比例，建立电阻比例的方法：哈蒙电阻箱。把n个量值很接近的电阻串联，然后将n个同样量值接近的电阻并联，构成n2：1的电阻比例。双电桥——开尔文电桥 1Ω以下小电阻(四端电阻)计量 被测电阻和规范电阻均采用四端接法，电流端接电源回路，从而将这两端的引线电阻、接触电阻折合到电源回路的其它串联电阻中直流电阻计量——双电桥当满足以下条件时，RX、RN引线电阻和接触电阻的影响可以消除直流计量直流电压计量直流电位差计 〔P37FIG3-1-6〕 先根据规范电池的数值确定任务电流 然后把被测电压接上，调理Rx使检流器再次为零两次检流器为零，不从规范电压和被测电压中吸收能量，规范电压稳定。数字电压表直流计量直流电流计量电表计量：精度低 大电流〔几十安以上〕时采用分流器〔低值四端电阻，并联分流〕。电压法：用四端电阻〔也称分流器〕将电流转换为电压，用电位差计或数字电压表进展计量。 电压量限与分流器的标称电压相等时，可直接从电压表读数得到电流值。 大电流〔几千安以上〕时，分流器功耗大、发热，影响准确度。直流电流比较仪： 处理电压法中的大电流问题〔10-7〕 P167F8-2-4超导电流比较仪：10-11直流计量直流功率和电能计量电动势或电磁式功率表计量电压电流计算功率3.交流计量交流阻抗计量交流电阻的等效电路交流电桥〔调平衡？〕感应式比例器交流电桥：处理阻抗臂比例精度不高问题自耦式感应分压器作比例臂，隔离式感应分压器作比例臂 P170F8-2-7匝数比稳定、可靠、准确交流计量交流电流与电压计量 有效值、平均值、峰值AC-DC转换：交流量没有实物基准，用直流量基准作参考 AC-DC转换是交流量计量中最关键的问题有效值计量：热效应转换，热电偶 热电势与加热丝中交流电流有效值平方成正比平均值计量：全波或半波整流，取直流分量进展计量峰值计量：交直流比较判别峰值〔P172F8-2-9〕交流计量交流功率和能量计量电动式或电磁式功率表直流功率比较：高精度乘法积分运算安装，热电式交直流功率比较器4.磁学计量〔1〕根本磁学量磁感应强度B：描画磁场强弱

弱磁〔10-8-10-3T〕中磁〔10-3-10-1T〕强磁〔10-1T以上〕1Wb磁通量均匀而垂直地经过1m2面积的磁通量密度单位：特斯拉(T)、高斯〔Gs〕磁学计量磁通〔磁感应通量〕假设将某一空间曲线围成的某一曲面S分成无限多个微分面积dS，并取其法线一侧的方向n作为dS的方向，那么dS与该处磁感应强度矢量B的标量积便称为向dS的法线一侧穿过的磁感应通量。磁通是联络磁学计量和电学计量的纽带韦伯〔Wb〕:磁通单位，伏•秒单匝环路的磁通量，当它在1s内均匀地减小到零时，环路内产生1V的电动势。磁通表又称韦伯计。磁学计量磁场强度H 辅助量单位：安/米、奥斯特〔Oe〕磁学计量磁规范 磁通规范、磁感应强度规范、磁矩规范 磁通规范：规范互感器法、规范磁场法、伏秒脉冲法 伏秒脉冲法：用规范幅度和规范宽度的电压脉冲模拟规范磁通，电压脉冲的积分替代规范磁通 磁感应强度规范：永久磁铁、通电线圈 亥姆霍兹线圈：均匀性好，磁场较弱 螺管线圈：中磁 水冷螺线管、低温超导螺线管：强磁

磁学计量〔2〕磁场计量冲击法/磁通计法 旋转线圈法，发电机原理 线圈的感应电动势与磁感应强度B成正比霍尔效应法 导体的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。 将金属或半导体置于磁场中，在垂直于磁场的方向通以电流，那么电子在洛仑兹力的作用下，沿垂直于磁场和电流的平面挪动，产生电动势。(体积小、速度快)磁学计量核磁共振法 在恒定的磁场中，任何具有本征磁矩的原子核都会产生能级分裂，假设在垂直于外磁场的方向上加一个小的射频场，当射频场的角频率等于原子的进动频率时，低能级的粒子就会从射频场吸收能量，迁跃到高能级。 能量的谐振吸收，谐振频率 磁学计量〔3〕资料磁特性计量抗磁资料、顺磁资料、铁磁资料直流磁特性：磁化曲线、磁滞回线、矫顽力、剩磁感应强度、 起始磁导率、最大磁导率、最大磁能积等交流磁特性：交流磁化曲线、交流磁滞回线、损耗、起始磁导率、最大磁导率、最大磁能积等资料磁特性计量的根本原理：法拉第电磁感应定律磁特性往往是非线性的第3节无线电计量测试3.1概述无线电计量、高频计量、射频和微波计量,电磁计量在频率上的延伸频率范围：几十千赫以上〔高频、射频、微波〕参数及分类信号能量：电压、电流、功率、电磁场强度信号特性：频率、波长、相位、频偏、调制、噪声、失真度电路电磁特性：电容、电感、电阻、质量因数、阻抗、衰减资料电磁特性：介电常数、介质损耗、导磁率电子设备性能：放大/衰减倍数、灵敏度、噪声系数网络特性：反射系数、电压驻波比、增益特点 频率范围宽、量程广、波形多、传输系统复杂、分布参数影响 量值传送链较短、分布参数影响、易于自动化3.2高频电压计量1。高频电压的表征 瞬时值、峰值、平均值、有效值 波形因数〔有效值/平均值〕 波峰因数〔峰值/有效值〕2。电压规范 根本原理：利用它们和直流电压在热电转换元件上产生一样热效应以实现直流替代。不同频段采用不同的热电转换元件和转换方式。 小电压〔1uV-0.1V〕 中电压〔0.1-2V〕 大电压〔2V以上〕高频电压计量高频中电压规范 功率计法、测辐射热器电桥法、补偿式电子管电压表法、真空热电偶法功率计法英国、加拿大建立国家规范的方法U同轴热电转换器输出端面〔功率计输入端面〕电压P功率计计量所得到的高频功率值R功率计输入阻抗优点：借助于功率规范，较好的准确度缺陷：必需知道各种频率下准确的输入阻抗高频电压计量测辐射热器电桥法 美、俄、日和我国建立国家规范的方法 P178F8-3-1 测辐射热器：测热电阻〔高频电压计量敏感元件〕 直流平衡电桥：高频和直流功率替代的平衡安装，判别交直流引起的阻值变化能否相等。 频率范围宽、准确度高、性能稳定、构造简单、加工方便，是现代高频电压计量的技术根底。补偿式电子管电压表法和真空热电偶法 主要用于规范计量器具〔传送规范和任务规范〕。 真空热电偶做成的同轴热电转换器，构造简单、稳定，常用作国际比对的传送规范器。高频电压计量高频小电压规范用于确定接纳机的灵敏度和本机噪声等目的校准接纳机 校准高频信号发生器的小电压输出和高频衰减器 中频替代衰减计量安装 P179F8-3-2高频微伏规范 P179F8-3-3 提供准确的高频小电压，直接校准电压表 电流+小电阻 输出内阻小，适宜做成任务规范和比对用的传送规范 热偶：交直流替代法准确确定输出电压高频电压计量3.其它高频电压计量方法测力法 利用与电流或电磁场相关的一些物理景象，根据测力原理实现电压计量。检波法检波后用直流电压表进展丈量检波-放大式、放大-检波式峰值检波、均值检波、有效值检波补偿法将高频电压经过检波转换成直流电压，并与知的直流补偿电压相比较，从而得出相应的高频电压。与检波法略有区别。DVM3.3功率计量在波导传输的微波系统中，不能计量电压小功率、中功率〔10mV–10W〕、大功率功率计量原理：高频或微波能量转化成热、力、直流或低频电量等能量方式。热效应功率计、力效应功率计、霍尔效应功率计等功率探头〔功率座〕+功率计〔指示器〕1.量热式功率计 P181F8-3-6 热电堆+量热体A、B热电势 量热体内有吸收微波功率的全匹配负载 量热体A交替加直流和微波功率，产生一样的热电势 准确度高，建立中、小功率的国家计量规范功率计量2.测热电阻电桥功率计 P181F8-3-7 功率敏感元件：测热电阻〔接入传输线内吸收微波功率〕 第1次不加高频功率调平衡：I1 第2次加高频功率再调平衡：I2功率丈量范围1uW-100mW功率计量3.微量热计 量热式准确度高，但丈量时间长，对环境条件要求高 测热电阻式功率计呼应快、长期稳定性好 结合二者优点，把测辐射热元件作为量热体微量热计 P182F8-3-8 微波功率=测热电阻耗费功率+量热体A吸收功率(电桥丈量)(热电势丈量)4.大功率计量水负载量热式大功率计规范衰减器法3.4衰减计量衰减的单位：dB规范衰减器：波导衰减器、感应分压器、回转式衰减器衰减计量方法：替代法高频替代法 直接替代或同频率替代 串联替代、并联替代P184F8-3-11中频替代法 将微波频率与本振混频后降到中频，用中频衰减器替代低频替代法 将微波频率降到低频范围进展丈量 平方律检波法、调制副载波法〔F8-3-12〕3.5阻抗计量阻抗的有源和无源定义有源定义：电压对电流的比值。适宜实践计量。无源定义：根据元件的电磁特性、几何外形及周围电磁特性计量出来。适用于建立计量规范。集总参数和分布参数阻抗频率低，电路元件尺寸与波长相比很小。元件阻抗、Q值、介电常数、介质损耗角正切等参量称为集总参数阻抗参量。频率高，电路元件尺寸接近波长的1/4时，一切元件必需看成均匀分布于电路各点，用分布参数的概念描画阻抗计量集总参数阻抗规范容抗作为参考量，由容器几何尺寸和空气介电常数计算。高频电容规范是一段精细同轴空气介质传输线。经过直接比较和外推技术，可把量值传送到集总参数阻抗的各种任务规范器上。集总参数阻抗计量伏安法、电桥法、谐振法、矢量阻抗法。伏安法适宜低频与音频，精度低。电桥法适宜音频、高频甚至超高频，精度高。谐振法利用被测阻抗与知元件组成谐振回路的谐振特性，适宜高频和超高频。计量仪器：Q表〔谐振法〕、LRC表、高频阻抗分析仪等阻抗计量微波阻抗规范特性阻抗规范：同轴系统中无介质支撑的刚性空气介质规范同轴线；波导系统中具有规范截面尺寸和法兰定位的规范波导。根据截面尺寸计算出来。λ/4短路器：终端短路的1/4波长传输线。由于其反射系数可根据几何尺寸和电导率计算并直接测定，在微波阻抗计量中常作为阻抗规范。规范负载：在给定的同轴或波导中产生确定的反射系数。无反射规范负载、失配规范负载、大反射规范负载。作为传送或任务规范。微波阻抗计量开槽线、反射计〔测反射系数〕、标量网络分析仪〔反射系数和S参数幅值〕、矢量网络分析仪〔S参数幅值和相位〕。3.6噪声计量 噪声特性是决议接纳系统灵敏度和测试分辨率的重要目的 噪声计量本质是极其微弱的电波能量的计量噪声功率谱密度随机性功率按频率的谱分布延续噪声功率谱密度表示单位带宽内的噪声功率〔W/Hz〕噪声温度电子器件和设备实践噪声功率按W/Hz表示通常在10-18-10-23量级，运用不方便，引入噪声温度等效单位。某有源二端网络的噪声功率谱密度为Wn，用一个等效电阻在温度Te时所产生的噪声功率谱密度表示： Wn=kTe或Te=Wn/k k—波尔兹曼常数，1.38╳10-23J/K Te=290K时称为规范噪声温度噪声计量超噪比〔ENR〕 表示噪声功率超越其内阻〔室温T0=290K〕时不可防止要产生的噪声功率的倍数。噪声系数表示有源多端口网络输出信噪比So/No比其输入信噪比Si/Ni减小或变坏的倍数。噪声