基于电流比较仪的交流电阻标准量值传递装置研究

建立溯源到量子计量标准的交流电阻标准及其量值传递装置，是目前国际计量界研究的热点问题之一。本项目在现有研究成果的基础上，定位于解决基于"双螺线"型计算电阻建立完善我国交流电阻标准量值传递体系中的关键问题。将"双螺线"型计算电阻的定义拓展为更为精密的四端对阻抗形式，对其交、直流差进行准确的理论分析和计算；设计研制实物电阻器并研究其精密控温方法。提出一种在1592Hz及以下频率满足交流电阻标准量值传递要求的高准确度电流比较仪阻抗电桥，核心器件为自行研制的由1:1和10:1固定比构成的补偿式电流比较仪，研究基于电容轮换法的电流比较仪比例整体校验新方案，通过合理配置零极点等手段提高电流比较仪反馈网络的电流调节能力，解决现有方案中存在的反馈增益较低且易导致系统振荡等问题。利用研制的电流比较仪阻抗电桥将四端对"双螺线"型计算电阻的交、直流差传递给交流电阻工作标准，对测量结果进行合理地不确定度评定。

我国正着手建立交流电阻标准及其量值传递体系。一种切实可行的方案是以“双螺线”型计算电阻（该电阻交、直流电阻差值可通过精确计算得到）作为过渡量具，使交流电阻量值间接溯源到直流量子化霍尔电阻基准。“双螺线”型计算电阻的原始定义为无屏蔽的四端元件，抵抗电磁干扰的能力较差，一般适用于直流或者低频中值阻抗。. 本项目提出将“双螺线”型计算电阻的定义拓展为电磁性能优异的四端对元件，即对“双螺线”型计算电阻施加屏蔽并采用同轴电缆作为元件引线。采用二分之一等电位屏蔽方案解决了施加屏蔽后，“双螺线”型计算电阻与屏蔽之间存在的分布电容会改变交流电阻的频率特性的问题。建立四端对“双螺线”型计算电阻的等效电路模型，推导出由同轴电缆引入的附加误差。. 结合四端对“双螺线”型计算电阻对于全屏蔽和无定向结构的要求，提出一种可靠实用的实物电阻器研制方案。设计实现了基于超低功耗单片机和高分辨率数字温度传感器的模糊PID温度控制系统。建立并求解了电阻控温箱温度场的拉普拉斯方程和热传导方程，从理论上给出了控温箱均温层和绝热层之间的最佳厚度比。利用自行搭建的虚拟仪器自动测试系统对所研制电阻的稳定性进行考察，结果表明其电阻值的短期稳定性可达1E-7，满足交流电阻量值传递的要求。. 提出一种能够在1592Hz及以下频率范围内满足交流电阻标准量值传递要求的自动平衡式电流比较仪阻抗电桥。给出一种电流比较仪容性误差补偿方案和基于电容轮换的比例校验方法；提出并研制一种基于乘法型数模转换器的四象限微差补偿装置，通过程序控制可以保证电流比较仪的自动平衡和数据记录。利用该电桥对四端对“双螺线”型计算电阻进行比较测量，1592Hz频率范围内，“双螺线”型计算电阻的交、直流相对差小于2E-7，测量不确定度小于3E-7，满足交流电阻量值传递要求。