一种高稳电流源考核方法和系统

摘要

本发明公开一种高稳电流源考核方法和系统。方法包括以下步骤：高稳电流源输出电流通过直流分流器转换成直流电压；可编程电压基准输出理想电压；测量理想电压和直流电压的差值，得出直流电压校准值；重复上述过程得出校准值随时间变化的数据。系统包含可编程电压基准、直流分流器、直流电压表、低热电势程控开关、控制计算机；可编程电压基准输出理想电压；直流分流器连接高稳电流源产生直流电压；直流电压表测量理想电压和直流电压的差值；低热电势程控开关连接可编程电压基准、直流分流器、直流电压表；控制计算机控制可编程电压基准、低热电势程控开关、读取直流电压表读数，计算直流电压校准值。本发明使高稳电流源测量不确定度改善一个量级。

说明书

技术领域

本申请涉及计量和测试领域，尤其涉及一种电流源的考核方法。

背景技术

对电装置的输出电流进行校准，最常用的方法直接测量法，即采用数字电流表直接测量其输出电流进行校准。目前高精度数字电流表直流电流的测量准确度在±0.01％～±0.005％，采用间接测量法是将输出直流电流转换成直流电压，然后再对直流电压进行精密测量，目前使用的高稳电流源精密分流器最高准确度也只有±0.001％。采用直接测量两个电流源差值的方法对输出电流进行校准时，用于校准的电流源的输出稳定性会影响校准的精度，且电流源也会受到环境温度的影响。这些测量方法无法满足一些超高精度电装置(例如一种惯性导航加速度计模拟器，其技术指标在5μA～50mA内最高达到±0.0005％)的校准要求。高稳电流源的稳定性<2×10^-6/年。电流源随着环境和内部器件老化的影响，其真实输出会偏离理想值，并且随时间变化而发生漂移，在使用中造成明显的偏差。

发明内容

本发明提出一种高稳电流源考核方法和系统，改进高稳电流源的测量不确定度指标。

本申请实施例提供一种高稳电流源考核方法，包括以下步骤：将高稳电流源的输出电流通过直流分流器转换成直流电压；控制可编程电压基准，输出理想电压；测量所述理想电压和所述直流电压的差值；根据所述理想电压和差值得出所述直流电压的校准值；重复上述过程，得出所述校准值随时间变化的数据。

优选地，所述理想电压和所述直流电压差值的测量方法是：正向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第一差值；反向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第二差值；计算所述第一差值和第二差值的平均值，作为所述理想电压和所述直流电压的差值。

进一步优选地，所述理想电压和所述直流电压差值的测量方法是：正向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第一差值；反向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第二差值；再次反向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第三差值；再次正向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第四差值；计算所述第一差值、第二差值、第三差值和第四差值的平均值，作为所述理想电压和所述直流电压的差值

在本申请的高稳电流源考核方法实施例中，所述“重复上述过程”的方法是：连续重复测量取平均值，得到第一次测量结果；间隔N(2<N<12)小时，再次连续重复测量取平均值，得到第二次测量结果；

以所述第一次测量结果和第二次测量结果，作为一日测量结果；连续M日(1≤M≤10)进行测量，得到一组测量数据；间隔L月(3≤L≤4)，再次测量得到另一组测量数据；第一年，共测量得到K(3≤K≤4)组测量数据；用所述测量数据，得到年变化曲线。

进一步地，还包含以下步骤：从第二年开始，每年测量得到一组测量数据；用所述测量数据，更新所述年变化曲线。

本申请的实施例还提供一种高稳电流源考核系统，包含可编程电压基准、直流分流器、直流电压表、低热电势程控开关、控制计算机；所述可编程电压基准，用于输出理想电压；所述直流分流器，用于连接所述高稳电流源，产生直流电压；所述直流电压表，用于测量所述理想电压和所述直流电压的差值；所述低热电势程控开关，用于连接所述可编程电压基准、直流分流器、直流电压表，连接方式为将所述可编程电压基准和所述直流分流器输出电压反向串联后，将两端分别连接于所述直流电压表的两端；所述低热电势程控开关，还用于在连接状态下对所述可编程电压基准的两端、直流分流器的两端、直流电压表的两端进行倒换；所述控制计算机，用于控制所述可编程电压基准、改变理想电压；所述控制计算机，还用于控制所述低热电势程控开关，改变连接关系；所述控制计算机，还用于读取所述直流电压表的读数，计算所述直流电压的校准值。

优选地，所述可编程电压基准为量值传递不确定度<1.0×10^-8的约瑟夫森量子直流电压基准。

优选地，所述直流分流器为不确定度<1.5×10^-6的精密直流分流器。

优选地，所述直流分流器通过温度控制，温度漂移<0.2×10^-6/℃，短期稳定性<0.2×10^-6/月。

优选地，所述直流电压表不确定度<2×10^-6。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明采用的基于量子电压基准的高稳电流源考核方法，在测量过程中，量子电压引入的不确定度小，采用直流数字电压表测量量子电压与高稳电流源转换电压之间微小的差值，其引入的不确定度约为2×10^-7。通过采用本发明实施例所述差值测量方法对测量回路中的热电势进行补偿，使整个回路中的热电势影响量降低为20nV左右，给整个测量带来的不确定度约为2×10^-8。采用本发明的考核方法和系统可以使高稳电流源的测量不确定度改善一个数量级。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的高稳电流源考核方法实施例流程图；

图2为正向测量装置连接示意图；

图3为反向测量装置连接示意图；

图4为正反测量法测量理想电压和直流电压差值的实施例流程图；

图5为正反反正测量法测量理想电压和直流电压差值的实施例流程图；

图6为校准值随时间变化的数据示意图；

图7为本发明的高稳电流源考核系统示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为理解本发明，首先区分校准和考核的含义。校准一般是测量一次(可以是多个数)，给出数据。考核是测量一段时间(多次)或者是隔一段时间测量一次，通过在一个周期内测量多次来确定待测仪器的长期稳定性。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本发明的高稳电流源考核方法实施例流程图。本实施例提供一种高稳电流源考核方法，包括以下步骤：

步骤10、将高稳电流源的输出电流通过直流分流器转换成直流电压；

步骤20、控制可编程电压基准，输出理想电压；

其中，所述理想电压是所述电流源经过所述分流器转换成直流电压的理想值(标称值)，比如：10mA×100Ω＝1V；

步骤30、测量所述理想电压和所述直流电压的差值；

步骤40、根据所述理想电压和差值得出所述直流电压的校准值；

步骤50、重复上述过程，得出所述校准值随时间变化的数据。

在采用可编程(约瑟夫森)电压基准对高稳电流源进行考核需要进行差值测量，即低电压测量。对于低电压的测量，系统各个环节引入的热电势是不可忽略的。在测量直流低电压时，电压值越低，热电势带来的影响越大，要想减小热电势的影响，就必须采取精密测量技术。在测量直流低电压时，热电势带来的误差较大，为了补偿其影响，可以采用正、反向两次测量，然后取平均值的办法。由于热电势的符号不随电流方向而改变，因此方法可以消除热电势中的固定部分。

图2为正向测量装置连接示意图。

正向测量过程：计算机控制可编程约瑟夫森电压基准输出需要的直流电压，并控制程控开关连接触点，使其与精密直流分流器上的直流电压正向对接，用数字表测量电压差值。直流数字电压表上测量的电压值为精密直流分流器上的直流电压值减去可编程约瑟夫森电压基准输出的理想电压值的差值，即U⁺＝V2-V1，考虑固定热电势e的影响，流数字电压表上测量的电压值U^-＝V2-V1-e。

图3为反向测量装置连接示意图。

反向测量过程：计算机控制可编程约瑟夫森电压基准输出需要的理想电压，并控制程控开关连接触点，使其与精密直流分流器模块上的直流电压反向对接，用数字表测量电压差值。直流数字电压表上测量的电压值为可编程约瑟夫森电压基准输出的直流电压值减去精密直流分流器模块上的直流电压值的差值，即U⁺＝V1-V2，考虑固定热电势e的影响，流数字电压表上测量的电压值U^-＝V2-V1+e。

图2-3所示两次测量的平均值即为：U＝(U⁺+U^-)/2＝V2-V1，消除了固定热电势e的影响。

图4为正反测量法测量理想电压和所述直流电压差值的实施例流程图。优选地，所述理想电压和所述直流电压差值的测量方法是：

步骤311、正向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第一差值；

步骤312、反向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第二差值；

步骤313、计算所述第一差值和第二差值的平均值，作为所述理想电压和所述直流电压的差值。

图5为正反反正测量法测量理想电压和直流电压差值的实施例流程图。

消除变化的热电势。可以采用正、反向多次测量的方法，根据最小二乘法，利用软件进行线性拟合，补偿回路的固定热电势和线性变化的热电势带来的误差，减小热电势和噪声对测量的影响。若电路中存在随温度缓慢变化而产生的线性变化的热电势，更好的办法是采用正、反、反、正向四次测量，再对四次测量的数据进行线性拟合，通过统计方法，得出电压测量值。采用正反反正测量，就是正向测量一次、反向测量两次、再正向测量，一次共计四次测量，取四次的平均值，既提高了平均值的可靠性，又能更好的跟踪变化的热电势，减小其影响。

该方法可以有效地补偿热电势中的固定部分及线性变化部分，减小热电势引入的不确定度。

因此，在前述实施例基础上进一步优选地，所述理想电压和所述直流电压差值的测量方法的实施例如下：

步骤321、正向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第一差值；

步骤322、反向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第二差值；

步骤323、再次反向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第三差值；

步骤324、再次正向测量所述理想电压和所述直流电压的差值，得到第四差值；

步骤325、计算所述第一差值、第二差值、第三差值和第四差值的平均值，作为所述理想电压和所述直流电压的差值。

应说明的是，步骤325中所述“平均值”，可以是算数平均值，也可以是统计平均值，本方案不限定取得平均值的数学手段。

实际测量过程中，以上方法还可结合多次测量取平均的方法，以便同时减小噪声的影响。首先正向测量，得到测量值U⁺，再反向测量，得到测量值U^-，然后再正向测量，得到测量值U⁺。采用最小二乘法对测量数据进行线性拟合，就可以计算出电压校准值，同时最大限度地消除热电势的固定部分及线性变化部分的影响。

图6为校准值随时间变化的数据示意图。

在本申请的高稳电流源考核方法实施例中，所述“重复上述过程”的方法是：连续重复测量取平均值，得到第一次测量结果；间隔N(2<N<12)小时，再次连续重复测量取平均值，得到第二次测量结果；以所述第一次测量结果和第二次测量结果，作为一日测量结果；连续M日(1≤M≤10)进行测量，得到一组测量数据；间隔L月(3≤L≤4)，再次测量得到另一组测量数据；第一年，共测量得到K(3≤K≤4)组测量数据；用所述测量数据，得到年变化曲线。

进一步地，还包含以下步骤：从第二年开始，每年测量得到一组测量数据；用所述测量数据，更新所述年变化曲线。

对高稳电流源考核，确定其年变化曲线，随时使用时可以根据该曲线计算该时间段电流源的输出值，用于校准其他仪器时使用。如何用前期考核形成的曲线在后期校准被校仪器时使用，说明如下：与时间相关的一组组相差很小的数据，找到一根与时间相关的直线(水平坐标轴为时间)，使每一个数据都在这条直线的上下变化，我们认为下一个时间点的数据预期也在这条直线的上下某处，用这条线上的值来代替它更接近其真实值。例如图6所示，图中的“O”表示测量结果；第1-3天、第31-33天每天对应两次测量结果；第1-3天为一组测量数据，第31-33天为第二组测量数据；用第1-3天、第31-33天变化曲线拟合一条直线，第61天直接用线上的数据作为校准后的直流电压值，认为误差最小。

图7为本发明的高稳电流源考核系统示意图。

本发明的实施例提供一种高稳电流源考核系统，包含可编程电压基准11、直流分流器13、直流电压表12、低热电势程控开关16、控制计算机15。

所述可编程电压基准11，用于输出理想电压。

所述直流分流器13，用于连接所述高稳电流源14，产生直流电压。

所述直流电压表12，用于测量所述理想电压和所述直流电压的差值。其中，所述理想电压是所述电流源经过所述分流器转换成直流电压的理想值(标称值)。比如：10mA×100Ω＝1V。优选地，所述直流电压表为数字式的。

所述低热电势程控开关16，用于连接所述可编程电压基准、直流分流器、直流电压表，连接方式为将所述可编程电压基准和所述直流分流器输出电压反向串联后，将两端分别连接于所述直流电压表的两端；所述低热电势程控开关，还用于在连接状态下对所述可编程电压基准的两端、直流分流器的两端、直流电压表的两端进行倒换。

所述控制计算机15，用于控制所述可编程电压基准、改变理想电压；所述控制计算机，还用于控制所述低热电势程控开关，改变连接关系；所述控制计算机，还用于读取所述直流电压表的读数，计算所述直流电压的校准值。

需要说明的是，由于热电势e不是绝对固定不动的，它将随着温度的变化及时间的推移在缓慢变化，采用计算机控制低热电势开关，快速切换可编程约瑟夫森电压基准、直流数字电压表、精密直流分流器模块上电压的方向，并控制直流数字电压表快速测量其差值，使得热电势e没有变化或者变化很小的情况下就已经完成测量，从而减小热电势对测量过程的影响。

关于所述一次测量结果中的重复测量时间间隔，越小越好，但是受到开关时间(微秒级)，数字表采样时间(约几十毫秒)影响。回路中的热电势随时间缓慢单方向(增加或者减小)变化，测量速度快，热电势变化的就小，正反反正平均后，热电势抵消的就越好，影响就越小。

优选地，所述可编程电压基准为量值传递不确定度<1.0×10^-8的约瑟夫森量子直流电压基准(k＝2)。在两个可编程约瑟夫森电压基准比对中，输出直流电压一致性可以达到10^-10量级。

优选地，所述直流分流器为不确定度<1.5×10^-6的精密直流分流器。优选地，所述直流分流器通过温度控制，温度漂移<0.2×10^-6/℃，采用统计电阻、并联结构其短期稳定性<0.2×10^-6/月。

优选地，所述直流电压表测量不确定度<2×10^-6。

还需要说明的是，约瑟夫森量子电压基准不是随时可以运行的，它需要低温液氦杜瓦，使超导结达到零下270℃左右才能工作，系统庞大，运行维护成本很高。对高稳电流源考核，确定其年变化曲线后，随时使用高稳电流源时可以根据该曲线计算该时间段电流源的输出值，用于校准被校仪器时使用。

例如，经过考核的高稳电流源作为过渡标准对惯性导航加速度计模拟器进行校准。高稳电流源和惯性导航加速度计模拟器经过同比例的精密直流分流器先转化成直流电压信号，再进行差值测量，测量过程中换向工作由低热电势程控开关完成，高精度数字表作为指零仪。

通常采用直流数字电压表直接测量，直流数字电压表直接测量直流电压引入的不确定度约为2×10^-6，整个回路中的热电势约为500nV，给整个测量带来的不确定度约为5×10^-7。本发明采用的基于量子电压基准的高稳电流源考核方法，在实际测量过程中，量子电压引入的不确定度不大于5×10^-8，采用直流数字电压表测量量子电压与高稳电流源转换电压之间微小的差值，其引入的不确定度约为2×10^-7。通过采用线性拟合法对测量回路中的热电势进行补偿，使整个回路中的热电势影响量降低为20nV左右，给整个测量带来的不确定度约为2×10^-8。采用本发明的考核方法和系统可以使高稳电流源的测量不确定度改善一个量级。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。