一種高穩電流源考核方法和系統與流程
2023-05-10 04:04:21
本申請涉及計量和測試領域，尤其涉及一種電流源的考核方法。
背景技術：
對電裝置的輸出電流進行校準，最常用的方法直接測量法，即採用數字電流表直接測量其輸出電流進行校準。目前高精度數字電流表直流電流的測量準確度在±0.01％～±0.005％，採用間接測量法是將輸出直流電流轉換成直流電壓，然後再對直流電壓進行精密測量，目前使用的高穩電流源精密分流器最高準確度也只有±0.001％。採用直接測量兩個電流源差值的方法對輸出電流進行校準時，用於校準的電流源的輸出穩定性會影響校準的精度，且電流源也會受到環境溫度的影響。這些測量方法無法滿足一些超高精度電裝置(例如一種慣性導航加速度計模擬器，其技術指標在5μA～50mA內最高達到±0.0005％)的校準要求。高穩電流源的穩定性<2×10-6/年。電流源隨著環境和內部器件老化的影響，其真實輸出會偏離理想值，並且隨時間變化而發生漂移，在使用中造成明顯的偏差。
技術實現要素：
本發明提出一種高穩電流源考核方法和系統，改進高穩電流源的測量不確定度指標。
本申請實施例提供一種高穩電流源考核方法，包括以下步驟：將高穩電流源的輸出電流通過直流分流器轉換成直流電壓；控制可編程電壓基準，輸出理想電壓；測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值；根據所述理想電壓和差值得出所述直流電壓的校準值；重複上述過程，得出所述校準值隨時間變化的數據。
優選地，所述理想電壓和所述直流電壓差值的測量方法是：正向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第一差值；反向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第二差值；計算所述第一差值和第二差值的平均值，作為所述理想電壓和所述直流電壓的差值。
進一步優選地，所述理想電壓和所述直流電壓差值的測量方法是：正向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第一差值；反向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第二差值；再次反向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第三差值；再次正向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第四差值；計算所述第一差值、第二差值、第三差值和第四差值的平均值，作為所述理想電壓和所述直流電壓的差值
在本申請的高穩電流源考核方法實施例中，所述「重複上述過程」的方法是：連續重複測量取平均值，得到第一次測量結果；間隔N(2<N<12)小時，再次連續重複測量取平均值，得到第二次測量結果；
以所述第一次測量結果和第二次測量結果，作為一日測量結果；連續M日(1≤M≤10)進行測量，得到一組測量數據；間隔L月(3≤L≤4)，再次測量得到另一組測量數據；第一年，共測量得到K(3≤K≤4)組測量數據；用所述測量數據，得到年變化曲線。
進一步地，還包含以下步驟：從第二年開始，每年測量得到一組測量數據；用所述測量數據，更新所述年變化曲線。
本申請的實施例還提供一種高穩電流源考核系統，包含可編程電壓基準、直流分流器、直流電壓表、低熱電勢程控開關、控制計算機；所述可編程電壓基準，用於輸出理想電壓；所述直流分流器，用於連接所述高穩電流源，產生直流電壓；所述直流電壓表，用於測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值；所述低熱電勢程控開關，用於連接所述可編程電壓基準、直流分流器、直流電壓表，連接方式為將所述可編程電壓基準和所述直流分流器輸出電壓反向串聯後，將兩端分別連接於所述直流電壓表的兩端；所述低熱電勢程控開關，還用於在連接狀態下對所述可編程電壓基準的兩端、直流分流器的兩端、直流電壓表的兩端進行倒換；所述控制計算機，用於控制所述可編程電壓基準、改變理想電壓；所述控制計算機，還用於控制所述低熱電勢程控開關，改變連接關係；所述控制計算機，還用於讀取所述直流電壓表的讀數，計算所述直流電壓的校準值。
優選地，所述可編程電壓基準為量值傳遞不確定度<1.0×10-8的約瑟夫森量子直流電壓基準。
優選地，所述直流分流器為不確定度<1.5×10-6的精密直流分流器。
優選地，所述直流分流器通過溫度控制，溫度漂移<0.2×10-6/℃，短期穩定性<0.2×10-6/月。
優選地，所述直流電壓表不確定度<2×10-6。
本申請實施例採用的上述至少一個技術方案能夠達到以下有益效果：
本發明採用的基於量子電壓基準的高穩電流源考核方法，在測量過程中，量子電壓引入的不確定度小，採用直流數字電壓表測量量子電壓與高穩電流源轉換電壓之間微小的差值，其引入的不確定度約為2×10-7。通過採用本發明實施例所述差值測量方法對測量迴路中的熱電勢進行補償，使整個迴路中的熱電勢影響量降低為20nV左右，給整個測量帶來的不確定度約為2×10-8。採用本發明的考核方法和系統可以使高穩電流源的測量不確定度改善一個數量級。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中：
圖1為本發明的高穩電流源考核方法實施例流程圖；
圖2為正向測量裝置連接示意圖；
圖3為反向測量裝置連接示意圖；
圖4為正反測量法測量理想電壓和直流電壓差值的實施例流程圖；
圖5為正反反正測量法測量理想電壓和直流電壓差值的實施例流程圖；
圖6為校準值隨時間變化的數據示意圖；
圖7為本發明的高穩電流源考核系統示意圖。
具體實施方式
為使本申請的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本申請具體實施例及相應的附圖對本申請技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。
為理解本發明，首先區分校準和考核的含義。校準一般是測量一次(可以是多個數)，給出數據。考核是測量一段時間(多次)或者是隔一段時間測量一次，通過在一個周期內測量多次來確定待測儀器的長期穩定性。
以下結合附圖，詳細說明本申請各實施例提供的技術方案。
圖1為本發明的高穩電流源考核方法實施例流程圖。本實施例提供一種高穩電流源考核方法，包括以下步驟：
步驟10、將高穩電流源的輸出電流通過直流分流器轉換成直流電壓；
步驟20、控制可編程電壓基準，輸出理想電壓；
其中，所述理想電壓是所述電流源經過所述分流器轉換成直流電壓的理想值(標稱值)，比如：10mA×100Ω＝1V；
步驟30、測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值；
步驟40、根據所述理想電壓和差值得出所述直流電壓的校準值；
步驟50、重複上述過程，得出所述校準值隨時間變化的數據。
在採用可編程(約瑟夫森)電壓基準對高穩電流源進行考核需要進行差值測量，即低電壓測量。對於低電壓的測量，系統各個環節引入的熱電勢是不可忽略的。在測量直流低電壓時，電壓值越低，熱電勢帶來的影響越大，要想減小熱電勢的影響，就必須採取精密測量技術。在測量直流低電壓時，熱電勢帶來的誤差較大，為了補償其影響，可以採用正、反向兩次測量，然後取平均值的辦法。由於熱電勢的符號不隨電流方向而改變，因此方法可以消除熱電勢中的固定部分。
圖2為正向測量裝置連接示意圖。
正向測量過程：計算機控制可編程約瑟夫森電壓基準輸出需要的直流電壓，並控制程控開關連接觸點，使其與精密直流分流器上的直流電壓正向對接，用數字表測量電壓差值。直流數字電壓表上測量的電壓值為精密直流分流器上的直流電壓值減去可編程約瑟夫森電壓基準輸出的理想電壓值的差值，即U+＝V2-V1，考慮固定熱電勢e的影響，流數字電壓表上測量的電壓值U-＝V2-V1-e。
圖3為反向測量裝置連接示意圖。
反向測量過程：計算機控制可編程約瑟夫森電壓基準輸出需要的理想電壓，並控制程控開關連接觸點，使其與精密直流分流器模塊上的直流電壓反向對接，用數字表測量電壓差值。直流數字電壓表上測量的電壓值為可編程約瑟夫森電壓基準輸出的直流電壓值減去精密直流分流器模塊上的直流電壓值的差值，即U+＝V1-V2，考慮固定熱電勢e的影響，流數字電壓表上測量的電壓值U-＝V2-V1+e。
圖2-3所示兩次測量的平均值即為：U＝(U++U-)/2＝V2-V1，消除了固定熱電勢e的影響。
圖4為正反測量法測量理想電壓和所述直流電壓差值的實施例流程圖。優選地，所述理想電壓和所述直流電壓差值的測量方法是：
步驟311、正向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第一差值；
步驟312、反向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第二差值；
步驟313、計算所述第一差值和第二差值的平均值，作為所述理想電壓和所述直流電壓的差值。
圖5為正反反正測量法測量理想電壓和直流電壓差值的實施例流程圖。
消除變化的熱電勢。可以採用正、反向多次測量的方法，根據最小二乘法，利用軟體進行線性擬合，補償迴路的固定熱電勢和線性變化的熱電勢帶來的誤差，減小熱電勢和噪聲對測量的影響。若電路中存在隨溫度緩慢變化而產生的線性變化的熱電勢，更好的辦法是採用正、反、反、正向四次測量，再對四次測量的數據進行線性擬合，通過統計方法，得出電壓測量值。採用正反反正測量，就是正向測量一次、反向測量兩次、再正向測量，一次共計四次測量，取四次的平均值，既提高了平均值的可靠性，又能更好的跟蹤變化的熱電勢，減小其影響。
該方法可以有效地補償熱電勢中的固定部分及線性變化部分，減小熱電勢引入的不確定度。
因此，在前述實施例基礎上進一步優選地，所述理想電壓和所述直流電壓差值的測量方法的實施例如下：
步驟321、正向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第一差值；
步驟322、反向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第二差值；
步驟323、再次反向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第三差值；
步驟324、再次正向測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值，得到第四差值；
步驟325、計算所述第一差值、第二差值、第三差值和第四差值的平均值，作為所述理想電壓和所述直流電壓的差值。
應說明的是，步驟325中所述「平均值」，可以是算數平均值，也可以是統計平均值，本方案不限定取得平均值的數學手段。
實際測量過程中，以上方法還可結合多次測量取平均的方法，以便同時減小噪聲的影響。首先正向測量，得到測量值U+，再反向測量，得到測量值U-，然後再正向測量，得到測量值U+。採用最小二乘法對測量數據進行線性擬合，就可以計算出電壓校準值，同時最大限度地消除熱電勢的固定部分及線性變化部分的影響。
圖6為校準值隨時間變化的數據示意圖。
在本申請的高穩電流源考核方法實施例中，所述「重複上述過程」的方法是：連續重複測量取平均值，得到第一次測量結果；間隔N(2<N<12)小時，再次連續重複測量取平均值，得到第二次測量結果；以所述第一次測量結果和第二次測量結果，作為一日測量結果；連續M日(1≤M≤10)進行測量，得到一組測量數據；間隔L月(3≤L≤4)，再次測量得到另一組測量數據；第一年，共測量得到K(3≤K≤4)組測量數據；用所述測量數據，得到年變化曲線。
進一步地，還包含以下步驟：從第二年開始，每年測量得到一組測量數據；用所述測量數據，更新所述年變化曲線。
對高穩電流源考核，確定其年變化曲線，隨時使用時可以根據該曲線計算該時間段電流源的輸出值，用於校準其他儀器時使用。如何用前期考核形成的曲線在後期校準被校儀器時使用，說明如下：與時間相關的一組組相差很小的數據，找到一根與時間相關的直線(水平坐標軸為時間)，使每一個數據都在這條直線的上下變化，我們認為下一個時間點的數據預期也在這條直線的上下某處，用這條線上的值來代替它更接近其真實值。例如圖6所示，圖中的「O」表示測量結果；第1-3天、第31-33天每天對應兩次測量結果；第1-3天為一組測量數據，第31-33天為第二組測量數據；用第1-3天、第31-33天變化曲線擬合一條直線，第61天直接用線上的數據作為校準後的直流電壓值，認為誤差最小。
圖7為本發明的高穩電流源考核系統示意圖。
本發明的實施例提供一種高穩電流源考核系統，包含可編程電壓基準11、直流分流器13、直流電壓表12、低熱電勢程控開關16、控制計算機15。
所述可編程電壓基準11，用於輸出理想電壓。
所述直流分流器13，用於連接所述高穩電流源14，產生直流電壓。
所述直流電壓表12，用於測量所述理想電壓和所述直流電壓的差值。其中，所述理想電壓是所述電流源經過所述分流器轉換成直流電壓的理想值(標稱值)。比如：10mA×100Ω＝1V。優選地，所述直流電壓表為數字式的。
所述低熱電勢程控開關16，用於連接所述可編程電壓基準、直流分流器、直流電壓表，連接方式為將所述可編程電壓基準和所述直流分流器輸出電壓反向串聯後，將兩端分別連接於所述直流電壓表的兩端；所述低熱電勢程控開關，還用於在連接狀態下對所述可編程電壓基準的兩端、直流分流器的兩端、直流電壓表的兩端進行倒換。
所述控制計算機15，用於控制所述可編程電壓基準、改變理想電壓；所述控制計算機，還用於控制所述低熱電勢程控開關，改變連接關係；所述控制計算機，還用於讀取所述直流電壓表的讀數，計算所述直流電壓的校準值。
需要說明的是，由於熱電勢e不是絕對固定不動的，它將隨著溫度的變化及時間的推移在緩慢變化，採用計算機控制低熱電勢開關，快速切換可編程約瑟夫森電壓基準、直流數字電壓表、精密直流分流器模塊上電壓的方向，並控制直流數字電壓表快速測量其差值，使得熱電勢e沒有變化或者變化很小的情況下就已經完成測量，從而減小熱電勢對測量過程的影響。
關於所述一次測量結果中的重複測量時間間隔，越小越好，但是受到開關時間(微秒級)，數字表採樣時間(約幾十毫秒)影響。迴路中的熱電勢隨時間緩慢單方向(增加或者減小)變化，測量速度快，熱電勢變化的就小，正反反正平均後，熱電勢抵消的就越好，影響就越小。
優選地，所述可編程電壓基準為量值傳遞不確定度<1.0×10-8的約瑟夫森量子直流電壓基準(k＝2)。在兩個可編程約瑟夫森電壓基準比對中，輸出直流電壓一致性可以達到10-10量級。
優選地，所述直流分流器為不確定度<1.5×10-6的精密直流分流器。優選地，所述直流分流器通過溫度控制，溫度漂移<0.2×10-6/℃，採用統計電阻、並聯結構其短期穩定性<0.2×10-6/月。
優選地，所述直流電壓表測量不確定度<2×10-6。
還需要說明的是，約瑟夫森量子電壓基準不是隨時可以運行的，它需要低溫液氦杜瓦，使超導結達到零下270℃左右才能工作，系統龐大，運行維護成本很高。對高穩電流源考核，確定其年變化曲線後，隨時使用高穩電流源時可以根據該曲線計算該時間段電流源的輸出值，用於校準被校儀器時使用。
例如，經過考核的高穩電流源作為過渡標準對慣性導航加速度計模擬器進行校準。高穩電流源和慣性導航加速度計模擬器經過同比例的精密直流分流器先轉化成直流電壓信號，再進行差值測量，測量過程中換向工作由低熱電勢程控開關完成，高精度數字表作為指零儀。
通常採用直流數字電壓表直接測量，直流數字電壓表直接測量直流電壓引入的不確定度約為2×10-6，整個迴路中的熱電勢約為500nV，給整個測量帶來的不確定度約為5×10-7。本發明採用的基於量子電壓基準的高穩電流源考核方法，在實際測量過程中，量子電壓引入的不確定度不大於5×10-8，採用直流數字電壓表測量量子電壓與高穩電流源轉換電壓之間微小的差值，其引入的不確定度約為2×10-7。通過採用線性擬合法對測量迴路中的熱電勢進行補償，使整個迴路中的熱電勢影響量降低為20nV左右，給整個測量帶來的不確定度約為2×10-8。採用本發明的考核方法和系統可以使高穩電流源的測量不確定度改善一個量級。
還需要說明的是，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、商品或者設備中還存在另外的相同要素。
以上所述僅為本申請的實施例而已，並不用於限制本申請。對於本領域技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的權利要求範圍之內。