馬建龍

江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院 江蘇南京 210023

自從上世紀(jì)以來，人們便對(duì)電學(xué)開展了相關(guān)研究工作，并取得了十分顯著的研究成果。目前，在社會(huì)發(fā)展過程當(dāng)中，科學(xué)技術(shù)活動(dòng)、物質(zhì)生產(chǎn)活動(dòng)等，都與電有著十分緊密地聯(lián)系，通過開展電學(xué)計(jì)量工作，可以有效統(tǒng)一單位制，并保證量值的準(zhǔn)確可靠。電學(xué)計(jì)量主要結(jié)合了電學(xué)工作當(dāng)中的技術(shù)和管理，并能夠統(tǒng)一計(jì)量單位，促進(jìn)我國科技的現(xiàn)代化發(fā)展。在電學(xué)計(jì)量過程中，交直流參數(shù)測(cè)量技術(shù)以及虛擬表測(cè)量技術(shù)等得到有效應(yīng)用，這全面提高了我國計(jì)量技術(shù)的快速發(fā)展。

1 電學(xué)計(jì)量概述

目前，我國和世界上的部分國家，針對(duì)電學(xué)當(dāng)中的統(tǒng)一量賦予了最高測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，其專有名稱為電學(xué)計(jì)量基準(zhǔn)。在經(jīng)過長期發(fā)展以后，電氣測(cè)量也取得了十分顯著的突破，在現(xiàn)代物理學(xué)電氣測(cè)量的基礎(chǔ)上，有效實(shí)現(xiàn)基線到基線物理的自然過渡，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)也增加了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，而參考電壓具體包括自然地量子霍爾效應(yīng)、代表性的約瑟夫森效應(yīng)，通過電阻自然基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，使電氣測(cè)量技術(shù)得到了快速發(fā)展。通過對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可以使電平的交流阻抗計(jì)算基礎(chǔ)得到明顯增加。對(duì)比擴(kuò)大電力傳輸，繞組匝數(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，并達(dá)到了更高地的數(shù)量級(jí)水平。通過對(duì)交流電源數(shù)字化采集技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可以使傳統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換得到擺脫，并取得良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性效果。而對(duì)等效模擬技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，則可以使用標(biāo)準(zhǔn)的真實(shí)規(guī)模得以實(shí)現(xiàn)。除此之外，在模型開發(fā)過程中，通過應(yīng)用虛擬電流測(cè)量儀器，可以對(duì)生產(chǎn)和測(cè)試使用的模型進(jìn)行建立。

2 電學(xué)計(jì)量應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

目前，我國以及世界上的部分國家，對(duì)電學(xué)當(dāng)中的計(jì)量參數(shù)的單位制進(jìn)行了統(tǒng)一主要使用國際單位制其中電學(xué)的基本單位為安培。在實(shí)際應(yīng)用電力設(shè)備時(shí)，想要使設(shè)備長時(shí)間處于高度穩(wěn)定電流標(biāo)準(zhǔn)表狀態(tài)，難度往往相對(duì)較大。但在應(yīng)用電學(xué)設(shè)備當(dāng)中的電阻、電壓?jiǎn)挝粫r(shí)，則可以更為容易地保持穩(wěn)定，所以，各國在應(yīng)用電學(xué)計(jì)量時(shí)，主要將電阻和電壓?jiǎn)挝蛔鳛榫唧w對(duì)電磁單位進(jìn)行保存的手段。與此同時(shí)，在電學(xué)單位當(dāng)中，電壓和電阻單位也是十分重要的組成部分，具有相應(yīng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)單位[1]。而根據(jù)現(xiàn)階段電學(xué)計(jì)量當(dāng)中的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，具體包括以下幾個(gè)方面。

首先，電容。在電學(xué)計(jì)量基準(zhǔn)當(dāng)中，電容值具體是指電路在給定電位差下儲(chǔ)備的電荷量。一般來說，電荷在電場(chǎng)當(dāng)中會(huì)隨著電流的運(yùn)動(dòng)而保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這也使得各導(dǎo)體之間有電荷這一介質(zhì)存在，但在電容的具體移動(dòng)過程當(dāng)中，導(dǎo)體自身材料性質(zhì)往往會(huì)影響到電荷移動(dòng)。在此過程當(dāng)中，電荷會(huì)在導(dǎo)體當(dāng)中逐漸積累和儲(chǔ)存，而針對(duì)其儲(chǔ)存量則稱之為電容。在電力學(xué)當(dāng)中，電容指對(duì)電場(chǎng)的容納能力，相關(guān)專家學(xué)者在開展研究工作時(shí)，會(huì)采用四個(gè)柱形電極，從而形成相對(duì)電容器，有效儲(chǔ)存電荷。在具體實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，其發(fā)現(xiàn)磁電容器電容量和其軸向長度之間具有明顯的正比關(guān)系，但和電容器自身形狀無關(guān)。所以，在測(cè)量電容器軸向長度時(shí)，需要對(duì)干涉法進(jìn)行采用，這樣可以使電容器測(cè)量量級(jí)得到提高，并有效提升交流阻抗的復(fù)現(xiàn)水平[2]。

其次，電感。電感也同樣是電學(xué)計(jì)量當(dāng)中的重要計(jì)算基準(zhǔn)之一，其具體是指在閉合回路下，電路附帶屬性中的一種，屬于物理量值。當(dāng)電路線圈中有電流通入后，在電流作用下，線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)效應(yīng)。感應(yīng)磁場(chǎng)可在線圈組成的磁場(chǎng)效應(yīng)中，進(jìn)一步產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而抵制線圈中的現(xiàn)有電流。對(duì)于感應(yīng)磁場(chǎng)當(dāng)中，電流和線圈電流的相互作用，可以將其稱之為電的感抗，即電感。此物理量可對(duì)線圈內(nèi)部的電容變化進(jìn)行描述，同時(shí)還可用來表現(xiàn)該線圈在另一線圈的當(dāng)中所引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電路參數(shù)。

再次，電阻頻率特性。電阻頻率特性是指在電學(xué)測(cè)量時(shí)應(yīng)用交流電阻、交流電流以及高頻電路所產(chǎn)生的電路介質(zhì)損耗。當(dāng)電阻保持交流高頻狀態(tài)時(shí)，電阻元件的相關(guān)因素會(huì)導(dǎo)致其在交流狀態(tài)下具有的阻抗實(shí)物和直流之間不等，相關(guān)因素具體包括周圍介質(zhì)損耗、接線面趨膚效應(yīng)、寄生電感以及電容鄰近效應(yīng)等。與此同時(shí)，高頻電路當(dāng)中的寄生電容和電感與電阻器位置排列、導(dǎo)線形狀、電磁環(huán)境等具有緊密聯(lián)系，所以在計(jì)算幾何形狀規(guī)則的電阻器電阻頻率特性時(shí)，需要對(duì)高頻電路當(dāng)中寄生電容、電感等實(shí)際附加損耗因素進(jìn)行充分考慮。這樣一來，可對(duì)電阻在直流和交流狀態(tài)下的區(qū)別進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算[3]。

第四，電壓。在電學(xué)計(jì)量當(dāng)中，電壓也是十分重要的一類計(jì)量基準(zhǔn)值。在絕對(duì)測(cè)量電路當(dāng)中的電壓量值時(shí)，可對(duì)電壓天平進(jìn)行采用，還可以結(jié)合安培定律有效導(dǎo)出電流和電阻間的關(guān)系。目前，世界上許多國家都通過直流電壓與頻率間的關(guān)系，對(duì)電壓商值進(jìn)行推導(dǎo)，而該值也被稱之為約瑟夫森常數(shù)。

最后，交直流轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)交直流轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，其具體是基于交流電壓、功率與電流計(jì)量開展測(cè)定工作。在實(shí)際測(cè)定時(shí)，需要對(duì)電流熱效應(yīng)比較技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，并判斷未知的電流熱效應(yīng)或交流電壓，可以將此數(shù)值匹配已知的電流熱效應(yīng)和直流電壓。目前，我國可對(duì)一種真有效值固態(tài)傳感器進(jìn)行采用，在傳感器上的擴(kuò)散電阻以及硅片進(jìn)氣管能夠有效檢測(cè)電路當(dāng)中的電阻消耗功率，并在實(shí)際檢測(cè)時(shí)利用發(fā)射極溫度、電壓以及基極等因素之間的關(guān)系，對(duì)檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行獲取[4]。

3 電學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展研究

3.1 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

在電學(xué)計(jì)量基準(zhǔn)的實(shí)際發(fā)展過程當(dāng)中，通過對(duì)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可以更為直接地使用儀器，實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的量化采樣、編碼以及轉(zhuǎn)換，與此同時(shí)，在實(shí)際轉(zhuǎn)換和編碼時(shí)還能夠在測(cè)量儀表當(dāng)中顯示出實(shí)際數(shù)字，從而對(duì)數(shù)字結(jié)果進(jìn)行直接顯示。在對(duì)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，電壓是基本模數(shù)轉(zhuǎn)化因子，而在數(shù)字儀表當(dāng)中，數(shù)字電壓表也是十分重要的組成部分。針對(duì)電學(xué)中的物理量進(jìn)行分析，其中多數(shù)物理量可通過變換器向電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再利用電壓表，使實(shí)際電壓值能夠轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字量，從而數(shù)字化地開展電學(xué)測(cè)量工作。通過采用此種方式，可使數(shù)字化測(cè)量向用電測(cè)量儀器以及非用電測(cè)量儀器等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)我國的地區(qū)計(jì)量測(cè)量具有重要意義。數(shù)字測(cè)量儀可以對(duì)簡(jiǎn)單變換壓力表進(jìn)行模擬，從而顯示數(shù)字結(jié)果，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制數(shù)字顯示測(cè)量儀器的有效測(cè)量。針對(duì)數(shù)字采集技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析，其在交流電量測(cè)量方面取得了十分顯著的應(yīng)用效果。數(shù)字采集技術(shù)的原理在于對(duì)高準(zhǔn)確度直流電壓測(cè)量功能進(jìn)行利用，可以通過鈣素采樣的方式，對(duì)足夠密度的直流電壓量值進(jìn)行獲取。通過運(yùn)算可以對(duì)被測(cè)交流電壓的有效值進(jìn)行獲取，對(duì)比傳統(tǒng)熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換方式，要具有耐沖擊性、低頻特性、經(jīng)濟(jì)性以及便攜性等方面的優(yōu)勢(shì)，而且還可以將其在交流電壓測(cè)量、超低頻測(cè)量以及功率電能測(cè)量當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，從而取得良好的使用效果[5]。

3.2 模擬電子技術(shù)應(yīng)用

在電學(xué)計(jì)量過程當(dāng)中，對(duì)模擬電子技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可通過模擬電子技術(shù)有效測(cè)算不同條件下的電子元件計(jì)量數(shù)值。而在具體測(cè)算電學(xué)計(jì)量數(shù)據(jù)時(shí)，可對(duì)等效電路進(jìn)行利用，從而使主要與次要矛盾得到忽略。例如，在工程計(jì)算過程當(dāng)中，可對(duì)模擬電子技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，具體需要通過等效電路法使工程中的瑣碎電學(xué)問題得到有效解決。在對(duì)模擬電子技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，還可在交直流轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)電路中直流電流、電壓以及功率大小進(jìn)行判斷。而想要對(duì)該種技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可通過固態(tài)傳感器的擴(kuò)散電阻以及晶體管，從而有效開展電學(xué)計(jì)量檢測(cè)工作?？偟膩碚f，虛擬儀表的使用有效打破了傳統(tǒng)儀器形式的束縛，并對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行了充分利用，同時(shí)還改進(jìn)了測(cè)量方式，可以有效提升測(cè)量效率?，F(xiàn)如今，相關(guān)型號(hào)的虛擬儀表已在大量研制和使用當(dāng)中，這為網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量提供了有力支持，而且發(fā)展空間巨大。

3.3 虛擬表技術(shù)應(yīng)用

在電學(xué)計(jì)量過程當(dāng)中，還可對(duì)虛擬表技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。具體來說，相關(guān)工作人員應(yīng)對(duì)虛擬表技術(shù)中PXI、VXI板卡儀器等進(jìn)行使用，從而使傳統(tǒng)儀器測(cè)量的局限得到有效突破，使現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)具有的測(cè)算量得到充分利用。與此同時(shí)，還可將普朗克常數(shù)、光速以及電子電荷等新單位值進(jìn)行引入，從而使光學(xué)計(jì)量測(cè)量的準(zhǔn)確性得到有效提高。除此之外，此項(xiàng)技術(shù)對(duì)未來電學(xué)計(jì)量測(cè)試的發(fā)展也具有重要作用，可利用虛擬表技術(shù)快速進(jìn)行電路采樣，并自動(dòng)控制和修正各種環(huán)境因素與條件，從而自動(dòng)處理相關(guān)電學(xué)計(jì)量數(shù)據(jù)，使計(jì)量測(cè)量的精準(zhǔn)度與速度得到有效提高。

3.4 動(dòng)態(tài)計(jì)量的應(yīng)用

針對(duì)我國國防尖端領(lǐng)域與科研生產(chǎn)領(lǐng)域的研究工作進(jìn)行分析，其具體需要涉及到相關(guān)電子元器件的動(dòng)態(tài)計(jì)量測(cè)量工作。其中動(dòng)態(tài)測(cè)量是指在實(shí)際測(cè)量過程當(dāng)中，相關(guān)被測(cè)量往往會(huì)隨著時(shí)間流逝而產(chǎn)生相應(yīng)變化，此時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)量過程中的信號(hào)值快速響應(yīng)與不失真復(fù)現(xiàn)加大重視。動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)對(duì)比靜態(tài)測(cè)量，在技術(shù)層面上要更加復(fù)雜，而在電子元器件的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，對(duì)二次儀表和傳感器進(jìn)行使用是一項(xiàng)難點(diǎn)，同時(shí)還需要在具體測(cè)量過程當(dāng)中有效轉(zhuǎn)換原測(cè)量結(jié)果，從而得到最終的測(cè)量結(jié)果，使電學(xué)計(jì)量信號(hào)得到恢復(fù)。為了使電子元器件的信號(hào)恢復(fù)概率得到提高，相關(guān)工作人員需要對(duì)所用測(cè)量儀器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征進(jìn)行了解。目前，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)是電學(xué)計(jì)量學(xué)當(dāng)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，但與常規(guī)電學(xué)計(jì)量還有著明顯區(qū)別，因此具有一定特殊性。在動(dòng)態(tài)計(jì)量測(cè)量過程當(dāng)中，除了需要對(duì)測(cè)量理論進(jìn)行充分研究之外，還需要對(duì)測(cè)量方法加大研究力度，從而更為準(zhǔn)確地識(shí)別動(dòng)態(tài)計(jì)量測(cè)量過程中的特低頻微弱小信號(hào)[6]。

在未來發(fā)展過程當(dāng)中，電學(xué)計(jì)量的整體發(fā)展趨勢(shì)主要是基于普朗克常數(shù)、光速以及電子電荷等基本常數(shù)的全新單位制，因此，在發(fā)展電學(xué)基準(zhǔn)時(shí)，需要對(duì)物理學(xué)的最新成就進(jìn)行充分利用，并要合理創(chuàng)新測(cè)量原理和方法，從而使測(cè)量準(zhǔn)確度得到提高。而通過對(duì)交流約瑟夫森效應(yīng)，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)交流電阻的自然基準(zhǔn)，目前相關(guān)工作已經(jīng)得到了開展。除此之外，一些發(fā)達(dá)國家還采用電子隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電流自然基準(zhǔn)，如今已經(jīng)進(jìn)入到試驗(yàn)階段，可以通過量子三角形互證i個(gè)量子基準(zhǔn)。數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍也變得更加廣泛，可以以此為基礎(chǔ)全面促進(jìn)電子計(jì)量的智能化、自動(dòng)化以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件以及信號(hào)處理等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，電學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)數(shù)據(jù)的分辨率、采集速度以及儲(chǔ)存率都得到了明顯提升，這使其在精度校準(zhǔn)過程當(dāng)中，可以采集頻率變化超過MHz級(jí)地電信號(hào)。除此之外，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度也在不斷加快，可對(duì)電學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)采集當(dāng)中的數(shù)學(xué)解算以及數(shù)據(jù)分析處理等任務(wù)進(jìn)行完成。在計(jì)量測(cè)量過程當(dāng)中，對(duì)現(xiàn)代物理效應(yīng)進(jìn)行利用，還可以使計(jì)量基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)量值的一致性得到明顯提高。除此之外，通過對(duì)計(jì)算機(jī)、數(shù)字等技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可使電學(xué)計(jì)量測(cè)量效率得到明顯提升，并進(jìn)一步促進(jìn)計(jì)量測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)化、智能化以及自動(dòng)化發(fā)展。