电压标准的现状与发展趋势

    1　引言

   电磁测量在计量测试和科学技术领域占有重要地位。人们在进行电磁测量时要直接或间接用到电磁标准器。理论上最基本的电磁基准是安培,但它实际上是通过伏特和欧姆两个基准来体现的。因此,电压基准器和电阻基准器共同构成了电磁测量的主要基础。

    电压标准是电测量单位体现和量值传递的重要支柱之一。目前,最重要的电压标准是标准电池、齐纳标准和约瑟夫森标准(量子电压标准)。本文简述这三个标准的过去、现在和未来。

    2　标准电池

    自1799年伏打发明第一个化学电池以来,标准电池经历了二百年的时代变迁,经过伏打、丹聂尔、克拉克和韦斯顿等几代人的艰苦努力,最后,在1893年发展为沿用至今的高精度标准电池———韦斯顿电池。它是一种酸性饱和式标准电池,其主要优点是电动势稳定性好。在我国,1990年以前,标准电池构成了电压单位的国家基准和用于量值传递的主要标准。随着工业文明进程的加快和现代科学技术的发展,涌现出了更好的电压标准—齐纳标准和约瑟夫森标准。与之相比,标准电池的主要缺点显现出来,这就是电动势温度系数大、电动势随时间漂移和低电平、单名义值输出等。

    回顾过去,标准电池———近代工业文明造就的电压标准家族的骄子,作为实物电压标准,曾铸造了经典电磁计量的辉煌历史。在我国,其应用广度和深度都无可比拟;在制造工艺、保存条件、比对方法和数据处理诸多方面拥有自己的优势和特色;在共和国半个世纪的计量史上,建立了不朽的功勋;今后,在不可替代的领域里将继续发挥应有的作用。

    3　齐纳标准

    国际上,一种新型电压标准———齐纳(固态)标准,在计量领域正式登台参与量值传递已有15年以上的历史。用它组成的10V电压标准,不确定度达到8ⅹ10^-8水平(K≈3)。该标准在我国的普及应用呈方兴未艾之势。其诞生与发展基本与量子电压标准同步的这一电子式电压标准仍属于实物标准的范畴。它的诞生与发展首先得益于半导体和集成电路技术的进步,这一领域的进步为其问世与发展提供了前提条件和技术保证;其次,得益于量子电压标准的进展;最后,误差理论———线性回归分析为其推广应用提供了理论依据和技术支撑。

    在应用上,齐纳标准与量子标准和线性回归分析技术能够实现两个完美结合。一是该标准与量子标准可实现完美结合。它在1V~10V范围可实现多名义值输出;能经受一定的电流冲击;量子标准的直接测量对象首先是齐纳标准(量子标准不能直接测量标准电池)。另一方面,高精度齐纳标准在一定时限内随时间的变化是高度线性的,因此,它为线性回归分析的应用开辟了广阔天地;反之,线性回归分析为齐纳标准进行量值传递和工程应用提供了技术支持。因而,它们之间的结合也是近乎完美的。