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1、基于低温电流比较仪的微弱电流精密测量技术仪器仪表学报..第卷第期.年月日皿基于低电流比较仪的微弱电流精密测量技术鲁云峰’,赵建亭,贺青,张钟华.哈尔滨业大学电气程及自动化学院哈尔滨;.中国计量科学研究院北京的低温电流比较仪,通过实验及分析,其电流分辨率摘要:研制了基于??为./”,比例误差小于“量级,将该低温电流比较仪应用于微弱电流精密测量,通过溯源到量子化霍尔电阻的标准电阻以及校准过的数字电压表对低温电流比较仪放大后的副边电流进行测量,进而构成微弱电流精密测量系统,实现微弱电流的精密测量,对于~“的电流测量,理论
2、标准不确定度小于一,最高可达到×一;利用该测量系统对目前商用最好的微电流源表进行初步测量,其灵敏度远远高于源的稳定性,完全满足目前级以上微弱电流精密测量要求。关键词:低温电流比较仪;?;量子化霍尔电阻;微弱电流测量;比例误差中图分类号:文献标识码:国家标准学科分类代码:.”,,,.,,,;,,?:?.“./¨..,.×?×?~.:,.:;?;?;:来越高。微弱电流信号易受噪声干扰,噪声来源除了信引目号本底噪声外,还包含放大电路的噪声,所以在设计微弱电流信号测量电路时,需要有效地抑制噪声并放大微弱随着科学技术的发展,
3、微弱电流信号的测量变得的被测信号,再提取出有效信号。传统上对于微弱电流益迫切,其广泛应用于军事侦察、科学研究、工农业生产、测量主要有种方法:取样电阻法和运算放大器电流反能源以及医疗等领域。随着电子技术的进步,对微弱电馈法,由于受到电阻噪声及运算放大器增益有限的限制.流等微弱信号的测量要求越来越高,如测量精度要求越收稿日期::十基金项目:国家自然科学基金,、周家科学仪器设备开发专项资助项目万方数据第期鲁云峰等:基于低温电流比较仪的微弱电流精密测量技术准确度不高。本文采用低温电流比较仪对被测微弱电流,,职,进行放大,南
4、于其低噪声特点使得测量准确度大大提高。式中:表示感应电流,“,分别表示流入组线圈的电低温电流比较仪南于年首先提出?,作流,形。、耽为组线圈匝数,则:为电流放大器,低温电流比较仪用于超低电流放大具有传,。一,.%毛统仪器无法达到的个优势:超低噪声,电流分辨力高,其在白噪声频带范围可达到甚至小于/¨,如此高的灵敏度主要是由于的低噪声特性决定的,超导量子干涉器作为当前最灵敏的微弱磁通探测器件,的检其作用原理是基于对单个磁通量子机约?/;低测,灵敏度可达到‘机/”约。温电流比较仪电流增益的准确性。伴随着单电子输运器件的研究
5、进步旧‘,目前低温电流比较仪已用来放大单电子隧道电流。?,进而实现量子电流基准的直接传递,以及图低温电流比较仪工作原理图?量子计量三角的闭合??。超导量子干涉器件.,以处理单个磁通量子的高超能力而成为一种最为灵敏的微弱磁通探测手段,不仅在电磁测量领域,也在生物医学、地球物理组线圈通方向相反的电流根据图所示,形.、等方面有着色的应用。在用于低温电流比较仪不“,,不平衡磁通信号在超导屏蔽表面产生电流,由检平衡磁通检测的低温电流比较仪线路中,由于进一步巧妙测线圈。检测并以电流形式流人输入线圈.,并耦合到地应用了特殊的反馈
6、机理,可以把电流锁定在单个磁通量,最后输出电信号进行反馈,即通过磁通电压转子检测曲线的峰点上,把检测灵敏度提高到单个磁通量子换器将不平衡磁通信号转换为电信号反馈给其中一个线的十万分之一,达到‘。矾,从而使低温电流比较仪成圈,最终达到安匝平衡,即满足,根据式,得:为现代最灵敏的电测量仪器。目前国内已使用低温电流,.耽比较仪构成电阻电桥进行量子电阻基准传递。“。,形.本文对基于.的低温电流比较仪进行分为保证检测到的磁通信号完全南感应电流,,析,其比例误差小于一‘,电流分辨率为./”;产生,避免“,电流信号的耦合,因此必
7、须对形,、职进通过溯源到量子化霍尔电阻的标准电阻作为采样电阻对行很好的电磁屏蔽,采用型低温电流比较仪几何放大后的副边电流进行准确采样,利用校准过的数字电结构¨“,使用超导材料将形.、%包围,并采用多层屏蔽压表测量该采样电阻上的电压,进而构成微弱电流测量形式包围,包围结构仿佛蛇吞尾巴一样,层与层之间采用系统,实现微弱电流的精密测量。对于~“的电绝缘材料聚四氟乙烯膜防止短路,这样的屏蔽结构只流测量,理论标准不确定度小于×~,最高可达有极其微弱的漏磁从尾部出去,其结构示意图如图一。利用该系统对公司生产的一款微电流源所示。
8、图是实物图,中间是检测线圈,南图中可以表进行初步测量,低温电流比较仪匝数比选用:,看出,检测线圈置于超导屏蔽外,紧贴超导屏蔽外表面,实验表明,该测量系统灵敏度远远高于源的稳定性,完全用来检测流过超导屏蔽外表面的感应电流,安装好后再满足目前级以上微弱电流精密测量要求。用超导屏蔽材料将低温电流比较仪线圈主体和检测线圈一起屏蔽,只留出引线出口,如图所示。低温电流比
