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2020年 41卷 3期
刊出日期：2020-03-28
电磁学计量
电磁学计量
273
能量天平悬挂系统初始位姿识别方法
白洋,王大伟,李正坤,鲁云峰,许金鑫,贺青
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.01
溯源至普朗克常数的能量天平法由于悬挂系统的初始位姿不理想,电磁力与砝码重力之间很难达到理想的平衡状态,总会不可避免地产生水平力与转矩,进而引起准直误差。立足于能量天平悬挂系统的准直误差的产生机理,结合能量天平悬挂系统的力学和电磁学特性,分析并建立悬挂系统初始位姿与寄生位移之间的数学模型,为准直误差的抑制奠定理论基础。
2020 Vol. 41 (3): 273-278 [
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279
采用电补偿方案的新一代立式计算电容装置
黄璐,杨雁,陆祖良,王维
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.02
针对立式计算电容最大不确定度来源的端部效应误差,中国计量科学研究院经过多年改进,研制出的最优中空电补偿电极在计算电容模型装置上,没有采用加装钉子头进行补偿的电补偿方案,并完成了诸如端部效应误差的补偿效果、偏心效应误差等电气性能验证试验,成功应用在新一代立式计算电容装置上。实验结果表明,采用电补偿方案的新一代立式计算电容装置复现1 pF电容单位的相对标准不确定度为1.0×10
-8
。
2020 Vol. 41 (3): 279-283 [
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284
NIM新一代二端对电容电桥装置
杨雁,黄璐,王维,陆文俊,陆祖良
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.03
基于一种交流电桥自动辅助平衡方法,中国计量科学研究院(NIM)研制了新一代二端对电容电桥装置。电桥采用固定比率的感应耦合比率臂电桥,通过复用比率,用单一电桥即实现了计算电容过渡和电容10:1传递;采用一种改进的靴带法实现电桥感应比率臂比率的精确校验。该装置用于电容单位的量值复现和标准电容器的高准度量值传递。利用新一代二端对电容电桥装置,可从计算电容装置复现1 pF电容值,并实现电容 1~100 pF的十进制量值传递,电容量值传递相对标准不确定度可达5×10
-9
(1592 Hz)。采用该电桥参加了10 pF和100 pF电容国际关键比对(CCEM.K4-2017),中国比对成绩优异,数据均非常接近关键比对参考值(KCRV),其中100 pF的结果最接近KCRV,与KCRV取得了很好的一致性,从而获得国际互认。
2020 Vol. 41 (3): 284-289 [
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290
基于SNS型双路约瑟夫森结阵驱动方法研究
周天地,贾正森,王磊,徐熙彤,潘仙林,石照民
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.04
根据SNS型双路约瑟夫森结阵的驱动原理以及结阵分段特点,提出了平衡三进制驱动算法,实现了双路约瑟夫森结阵偏置状态的快速计算。根据约瑟夫森结阵的偏置状态以及组合方式,采用节点电压法,准确合成了双路阶梯波交流量子电压的台阶电压值,最终实现了最小分辨率为2个结,有效位为15位的交流量子电压输出。双路交流量子电压互测实验结果表明,合成交流量子电压的最大误差为0.06 μV,双路信号同步性测试实验中,两个通道的相位差为-0.01 μrad,证明了合成双路交流量子电压具有较高的幅值准确度和相位同步性。
2020 Vol. 41 (3): 290-295 [
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296
脉冲大电流校准及溯源技术研究
王书强,张军齐,崔绍颖,吴端
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.05
为解决1~100kA的脉冲大电流校准问题,建立了脉冲大电流校准系统,开展了脉冲大电流校准及溯源技术研究。校准系统由脉冲大电流发生装置、脉冲分流器组、光纤电流传感器、罗氏线圈电流传感器、宽带数据采集系统及测量软件组成;通过该校准系统,可开展脉冲幅度为1~100kA,持续时间为20μs~100ms的脉冲大电流发生/测量系统的校准,开展罗氏线圈传感器、光纤电流传感器等测量器具的校准,校准不确定度优于1%。
2020 Vol. 41 (3): 296- [
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301
串并联型电阻分压器相角偏差的自校验方法
石照民,张江涛,潘仙林,宋莹
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.06
设计了一种串并联结构的同轴型电阻分压器,基于该分压器提出一种新的相角偏差量值溯源方法。该方法主要通过分压器相角偏差与电阻阻值之间的特殊比例关系实现,通过测量两结构尺寸完全相同的分压器相角偏差的差值实现自校验;设计完成了分压比为100:1,电阻阻值为100 Ω的电阻分压器,通过新的相角偏差溯源方法对该分压器相角偏差在400 Hz到100 kHz频率范围内进行自校验,并对自校验结果进行了不确定度评估,在100 kHz时分压器相角偏差标准不确定度优于30 μrad。
2020 Vol. 41 (3): 301- [
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306
参考级直流标准电压源自动校准系统
李晶晶,王乾娟,孙智,金海彬,罗春妹,黄文钰
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.07
针对参考级直流标准电压源范围宽、指标高,校准流程复杂的问题,研制了一套基于程控低热电势开关矩阵的参考级直流标准电压源自动校准系统。介绍了系统的组成、低热电势开关矩阵的研制、参考级直流标准电压源的校准方法,并对系统进行了不确定度评估,经评定直流电压100V不确定度达到2×10
-6
(k=2)。
2020 Vol. 41 (3): 306-310 [
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311
基于约瑟夫森量子电压的谐波电压测量方法研究
徐熙彤,贾正森,王磊,周天地,潘仙林,石照民
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.08
约瑟夫森量子电压目前大多应用于正弦信号的测量,极少有针对谐波信号的研究。对可编程约瑟夫森电压基准应用于谐波检测的可行性进行了研究,实现谐波电压向量子电压过渡。在使用阶梯波交流量子电压进行谐波电压测量时,由于过渡过程和吉布斯现象的存在,部分数据出现较大波动;若将该部分处于过渡过程的数据纳入傅里叶变换,会导致恢复得到的信号幅值和相位失真。针对这一问题,提出了一种新的谐波电压计算方法:加权傅里叶变换。该方法通过将处于过渡过程的数据权重置零的方式,实现了谐波电压的准确测量。实验结果表明,谐波电压幅值和相位测量结果较理想,幅值测量标准差均小于1 μV,相位测量标准差均小于15 μrad。
2020 Vol. 41 (3): 311-316 [
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317
基于二进制电抗分流器实现热电变换器共地测量
潘仙林,张江涛,石照民,宋莹,贾正森,王嵘瑜,丁香
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.09
相比于传统的串联连接方式,提出了一种基于二进制电抗分流器实现热电转换器共地比较测量的方法,通过串联连接的方式实现交流电流量程扩展。二进制电抗分流器产生两路共地可自校的电流输出,为热电转换器之间进行相互比较提供已知关系的1:1电流比例;该方法可以减少电流泄漏和三通连接器串联连接的影响。基于这种共地测量方法,热电变换器结合100 mA和1 A分流器进行了实验分析,测量频率范围1~200 kHz,同时在串联模式下进行换臂测量。实验结果表明基于二进制电抗分流器和换臂法可以很好地消除泄露电流所引起的测量误差,且两种不同方法在200 kHz频率下一致性优于3 μA/A。3种不同热电变换器和分流器组合在10 mA~1 A测量电流下交流转换误差一致性优于6 μA/A。
2020 Vol. 41 (3): 317-321 [
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322
基本电荷量常数定值综述
刘民,彭明
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.10
综述电磁学基本单位和电荷量测定的历史,解释基本电荷量成为国际单位制成员之一的意义。库仑定律和安培定律是联系电磁学与机械力学的桥梁,由两个定律分别发展出绝对静电单位制和绝对电磁单位制。实用单位制的出现,使电磁学形成了独立的单位体系,为了与机械功率等效,选择了电流作为基本量,规定真空磁导率。密立根油滴实验是仅有的测定基本电荷量的实验,因为准确度较低,电荷量的溯源体系一直未出现。基本电荷量值的确定,不是依赖约瑟夫森常数KJ和冯·克里青常数RK,而是在普朗克常数被确定后,由精细结构常数公式计算出来的。基本电荷量被确定后,真空磁导率的角色发生了根本变化,在安培定律公式中发挥着平衡电磁学和力学单位的作用。
2020 Vol. 41 (3): 322-327 [
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328
静态电荷量测试仪校准源研制
焦海妮,王逸洲,李晶晶,孙文,张军齐
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.11
静态电荷量标准采用精密程控电压源和精密电容器输出高准确度静态电荷量,利用电压负反馈进行自动调整,克服负载电容和输出电压对输出电荷量的影响,实现静态电荷量的稳恒输出,可方便地检定静电计和电荷放大器。该静态标准电荷源的稳恒特性比传统的电荷源提高了5个数量级。该标准源静态电荷量Qx范围为200pC～2μC;允许误差为0.1%Qx+0.1pC;等效源内电容为10
-15
F。
2020 Vol. 41 (3): 328-332 [
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333
高电压脉冲校准装置研究
颜晓军,金海彬,王书强
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.12
为解决高电压脉冲的校准问题,对高电压脉冲的校准方法进行研究,并建立了一套脉冲校准装置。校准装置将高电压脉冲信号进行电压转换,变为脉冲小电压,通过数据采集系统,在频带范围10Hz~1kHz、电压范围1~1600V内,对脉冲电压的关键参数进行测量,得到高电压脉冲的电压幅度、脉冲频率、脉冲宽度、上升时间和下降时间。通过实验室标准仪器设备对高电压脉冲校准装置进行测试,其中脉冲幅度的测量误差为 0.02%~0.4%。
2020 Vol. 41 (3): 333-338 [
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339
卫星电源动态参数测试系统设计
孙晨昕,金海彬,丁明理,颜晓军
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.13
针对目前卫星电源系统动态参数的测试具有自动化水平低、准确度低、数据记录和分析能力差等缺点,设计了一套电源动态参数测试系统,该系统利用太阳能电池模拟器、电子负载模拟卫星在轨运行时太阳帆板的输出和载荷的功耗变化,配合高速采集卡研制动态特性测量单元等模块,组建卫星电源系统及动态参数测试系统并对其进行了测试,母线电压测量及纹波测量结果的相对不确定度均小于0.1％。
2020 Vol. 41 (3): 339-343 [
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344
基于希尔伯特变换的信号解调算法及其在飞机供电特性参数测试系统中的应用
李小舟,金海彬
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.14
电压调制幅度、频率调制幅度和畸变频谱是对飞机机载电源系统供电特性参数进行测试时与信号调制相关的重要参数。为了更好地测试这些参数,提出了一种基于希尔伯特变换原理的数字解调算法,可以将采集的幅度或频率调制信号进行解调分析;同时,构建了一套飞机供电特性参数测试系统,将解调程序与硬件设备结合,通过程序控制数据采集卡对机载电源信号采样与解调分析;设计了实验对波形发生器产生的调制信号进行采样与解调,验证了该系统具有良好的效果,可以应用于飞机供电特性参数的测试中。
2020 Vol. 41 (3): 344-348 [
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349
一种薄膜材料电阻率测试用环形电极设计
国北辰,陈少华,王书强,蔡建臻,孙超,王伟
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.15
针对航天器用高电阻率薄膜材料的电阻率测试问题进行了研究。通过对现有高阻值电阻率测试环形电极设计方法进行仿真理论分析,结合数学模型推导,提出了一种环形电极有效测试宽度及尺寸设计取值方法,并制成薄膜材料测试用环形电极装置。通过实验实现了航天器用薄膜材料表面电阻率和体电阻率测量,相对示值误差可控制在9%范围内;该装置可应用于体积电阻率在105~1018Ω·cm的航天器用复合材料电阻率的测试。
2020 Vol. 41 (3): 349-353 [
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354
激光泵浦的铯-氦磁力仪的信号特征
伏吉庆,贺青,张伟
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.16
研究了基于激光泵浦的铯-氦磁力仪的磁共振信号特征。通过使用窄线宽激光对铯原子进行泵浦,得到了12.3 A/T的电流-磁场转换因子,与基于放电灯泵浦的铯-氦磁力仪相比,转化效率增大13.5倍。实验发现通过间接泵浦,可消除“光致展宽”。通过分析线宽的实验值和理论值,得到实验值线宽的最大展宽来自于脉冲激励的结论。通过测量光源、磁场、光电传感器和电路的本底噪声,确定了该磁力仪最大的噪声源为光源和磁场,以磁场分辨力为优化目标得到了最佳光强,铯-氦磁力仪的磁场分辨力可以达到0.05 nT。
2020 Vol. 41 (3): 354-358 [
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359
基于FPGA的北斗驯服铷原子频标装置的研制
王亚军,张磊,谷扬,黄艳,康婷婷
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.17
为了提高铷原子钟频率的准确度和稳定度,设计了基于FPGA技术的多路输出北斗驯服铷原子频标装置。装置采用粗测和细测的时间间隔测量方法实现铷原子频率的驯服和时间跟踪与同步。采用模块化设计和编程,提高了装置的通用性和可移植性。以铯原子钟时间频率为参照,利用该装置对铷原子钟驯服前后的数据进行多次比对测试,结果表明其频率的相对准确度达到了1.5×10
-13
,相对稳定度达到6.97×10
-13
,与驯服之前相比,铷原子钟频率的准确度和稳定度均得到大幅提高和改善。
2020 Vol. 41 (3): 359-362 [
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363
原子时算法分析与对比
王锐,袁静,班亚,杨帆,罗浩,江力,罗亚雄
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.18
原子时算法是得到一个高可靠性,高准确性,长期稳定的时间尺度的重要因素。详细介绍了几种经典且广泛使用的原子时算法,从理论上分析了ALGOS算法、Kalman算法和AT1算法数学模型,并且根据对算法过程的研究,对比得到了各算法的优缺点。分析得出:ALGOS和AT1是经典的加权平均算法;Kalman和AT1是实时性的算法;Kalman滤波算法能更好地处理噪声的影响,适用于卫星导航系统。
2020 Vol. 41 (3): 363-368 [
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369
基于卫星定位的网约车计程计时检测技术研究
康婷婷,张磊,王跃佟,黄艳,王亚军
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.19
分析了网约车计程计时的误差来源,在微波暗室环境下对6种不同场景,4家不同的网约车平台计程计时数据进行检测。结果表明,计时误差均满足规定要求,在高速公路,机场周边,由于卫星信号相对较好,计程误差在-0.4%～1.6%之间;而在市区道路,火车站及工业园区,由于有建筑物遮挡及其他环境的干扰,尤其在市区道路之间,由于经过隧道,导致部分路段出现信号消失的情况,计程误差在-0.4%～5.5%之间;在高速辅路,卫星信号不连续导致轨迹丢失较多,计程误差在2.4%～8.4%之间。
2020 Vol. 41 (3): 369-373 [
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374
基于迭代学习控制的二阶延迟微分系统研究
詹玉枝,梁成斌,张庆芳
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.20
针对由二阶延迟微分方程刻画的系统过程,提出应用其基本解阵延迟正、余弦矩阵函数表达的精确解设计迭代学习控制算法来对系统进行输出跟踪控制。给出能使得延迟系统的系统输出随迭代次数增加而收敛到给定期望输出的充分条件,并能由系统重复运行逐步迭代出能使得输出收敛的最优控制输入。数值仿真实验结果表明:设计的迭代算法能使系统输出随迭代次数增加而精确收敛到期望输出,验证了所提方法的有效性。
2020 Vol. 41 (3): 374-378 [
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379
X波段空中辐射场测量中的天线设计与应用
景洪,郝文析,刘英君,宗子健,刘敏
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.21
为减小空中微波辐射场测量时极化失配带来的影响,设计了一种低轴比微带圆极化阵列天线,该天线在9.7GHz,3dB波束宽度约45°,轴比低至0.1dB。天线功率容量大于1.5kW,常温(26℃)和低温(-6℃)时天线轴比偏差小于0.1dB。应用该天线可以将极化失配不确定度减小到0.1dB以内,并具有较强的环境适应性,适用于X波段空中辐射场精确测量。
2020 Vol. 41 (3): 379-382 [
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383
卫星太阳敏感器模拟器校准技术研究
王凯,佟雷,殷聪如,刘民,唐友东,李峥
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.22
针对卫星姿轨控半实物仿真系统的技术要求,提出了一种用于太阳敏感器模拟器的校准装置。校准装置以FPGA和AVR单片机为控制核心,微型单板电脑模拟动力学计算机,通过网口进行指令的上传下达。内置信号调理电路、高精度采集模块,数据解算模块等。该校准装置集成度高,替代了原有由数字表、动力学计算机等组成的复杂校准系统,有效地降低了成本,提升效率约40%,实现了太阳敏感器模拟器的快速全过程在线校准。
2020 Vol. 41 (3): 383-387 [
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388
任意阶次多项式最小二乘拟合不确定度计算方法与最佳拟合阶次分析
许金鑫,由强
DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2020.03.23
阐述了一种采用矩阵方程表示的任意阶次多项式最小二乘拟合的不确定度计算方法,同时通过仿真研究了该方法的特性。通过该方法,可以得到拟合不确定度最小的拟合阶次,也就是最佳的拟合阶次。仿真得到的最佳拟合阶次与仿真模型的原函数阶次都为5阶,从而验证了该方法的有效性。
2020 Vol. 41 (3): 388-392 [
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