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2025年 46卷 1期
刊出日期：2025-01-28
电磁学计量
电磁学计量
1
新一代电感基准装置的研究与建立
杨雁 陈妍 王维 黄璐 戴冬雪 陆文俊
采用改进型的麦克斯韦-维恩电桥法，提出一种基于无感电阻法的电桥电阻时间常数影响量补偿方法，研制新型电感基准传递电桥，建立了我国新一代电感基准装置。基于容抗与感抗的等效替代法，提出一种将电感量值直接溯源至电容单位的新方法，缩短了电感量值溯源链，并验证了麦克斯韦-维恩电桥法复现电感量值的结果。新一代电感基准装置在1 kHz频率下，可复现10 mH、100 mH的电感量值，测量不确定度优于2 μH/H（k=1）。新电感基准装置的建立完善了我国交流阻抗计量溯源新体系，确保全国电感量值的准确统一，并将应用于新一轮的电感国际关键比对(CCEM-K3)。
2025 Vol. 46 (1): 1-6 [
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7
交流电阻标准装置的研究与建立
黄璐 杨雁 王维 张江涛
本文阐述了交流电阻标准装置的组成及原理，研制了一套基于感应分压器原理的四端对交流电阻电桥，通过与溯源至我国新一代计算电容基准和量子化霍尔电阻基准的四回线型算电阻标准的比较测量，可实现400Hz~10kHz频率范围内1Ω~1MΩ的交流电阻量值及时间常数的高准确溯源量传，其中交流电阻量值的相对标准测量不确定度可达0.1 μΩ/Ω~6.0 μΩ/Ω。
2025 Vol. 46 (1): 7-13 [
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14
基于叉指结构的片上小电容标准单元研究
赵硕 冉自煊 陈建 杨雁
基于Schwarz-Christoffel变换，对叉指电容结构的电容值进行了理论计算，通过理论计算和仿真分析的结合，研究了叉指电容结构几何尺寸和电极对数对片上小电容标准单元的影响，并实现了电容值在10 fF～100 fF的叉指结构电容标准单元的制备和测试验证。测试结果表明片上小电容标准单元的电容值随着叉指电极长度和对数增加电容值的改变将越趋近于线性变化，在10 fF～100 fF范围内片上小电容标准单元的标准不确定度优于0.5% × C + 100 aF（C为电容值）。研究结果为进一步制作更宽范围的片上小电容标准单元提供研究基础。
2025 Vol. 46 (1): 14-18 [
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19
宽频电流互感器误差测量仪研制
金海彬 胡志远 梁晟直 任秀伟
传统的电流互感器校验仪一般仅适用于工频电流互感器的误差测量，而且误差测量范围较窄。为了满足宽误差范围的宽频电流互感器的校准，采用了电流比较仪测小电流原理，研制了一台基于电流比较仪式的宽频电流互感器误差测量仪。误差测量仪采用嵌入式控制模块，在工作电压下，通过程控的电导箱G和电容箱C产生与工作电压同相和正交的高精度微差电流，与被测误差电流同时输入电流比较仪绕组通过数字指零仪进行平衡测量。电流互感器误差测量仪同步了误差校验回路中电流标准回路的电流信号，在微处理的控制下，自主平衡误差测量仪差值回路的误差电流信号，实现多种工作电流频率下信号的自动采集，自主平衡，实现了电流互感器比值误差和相位误差的计算、数据存储、显示、数据实时上传等功能。
2025 Vol. 46 (1): 19-24 [
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25
150 mV脉冲驱动交流量子电压芯片研制
徐思思 程千硕 李晓宇 韩琪娜 钟青 李劲劲 曹文会 钟源
脉冲驱动的任意波形合成系统（JAWS）使用高速脉冲序列驱动约瑟夫森结阵，可合成具有量子精度的从直流到数百kHz正弦信号，有望成为下一代的国家交流量子电压基准。脉冲驱动交流量子电压超导芯片是JAWS系统的核心。中国计量科学研究院自研的JAWS芯片，该芯片采用渐变波导结构以补偿阵列中不同位置的约瑟夫森结所感受到的差异化驱动脉冲强度。通过测试芯片的I-V特性曲线，以及使用脉冲序列驱动芯片合成交流信号来验证芯片的电学性能。测试结果表明芯片中集成的8000个约瑟夫森结全部正常工作，为国内首个实现有效值150 mV交流1 kHz量子电压信号输出的超导芯片，高次谐波的幅值比基频低105 dB。
2025 Vol. 46 (1): 25-29 [
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30
数字比例交流电桥关键技术研究
王智炜 李琛恭 杨雁 黄璐
基于一种电桥自动辅助平衡算法，本文改进了数字比例交流电桥装置。改进型的数字比例交流电桥能够有效减小中心点电位对测量结果的影响，进而实现自动化快速测量。引入高精度电压跟随器实现模拟开关与桥路、采集卡的有效隔离以提升测量精度。对采集卡采集到的电压比例进行修正，修正后的电压相对比例误差小于10 μV/V。将改进型数字比例交流电桥装置与传统四端对交流电阻电桥进行对比实验，在典型频率下数字比例交流电桥的测量不确定度进入10-6量级。
2025 Vol. 46 (1): 30-35 [
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36
千安级宽频交流大电流校准系统研究
陈少华 余和真 王书强 金海彬 黄晨
介绍了一种千安级宽频交流大电流的校准系统，可解决电流范围最大到2 kA、频率从50Hz~1kHz的交流大电流的校准问题。为了保证交流大电流溯源链的完整性，开展了补偿式交流电流比率校准方法研究，研制了一套可以覆盖比率到1000:1、频率到1 kHz的交流电流比率校准系统，解决了关键的非工频电流比率标准溯源问题，并进行了相关测试，以验证交流电流比自校准系统的量传可靠性。通过该校准系统可对被测交流大电流源开展校准试验，验证结果表明系统的扩展不确定度约为2.4×10-4，满足大部分宽频交流大电流校准需求。
2025 Vol. 46 (1): 36-41 [
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42
一种基于频率自适应多阶准同步算法的直流动态电能计量方法
岑炜 段永贤 段晓萌 黎小军 张知杰 耿爱玲
在新型电力系统中，电动汽车充电、光伏、储能等直流配用电技术迅速发展，对直流电能计量准确性提出更高要求。针对直流信号中纹波分量的随机时变动态特征，提出了一种基于频率自适应多阶准同步算法的直流动态电能计量方法。在有限脉冲响应滤波和微分过零点频率监测基础上，进行直流信号和纹波信号的跟踪分离，然后分别计算直流电压、直流电流、直流功率、纹波电压、纹波电流、纹波功率等电参量，实现计及动态特征的直流电能的精密计量。为了验证算法的准确可靠性，搭建了直流动态电能测试系统，测试结果表明，该算法准确度优于0.01%，可应用于直流动态工况下的电能计量。
2025 Vol. 46 (1): 42-52 [
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基于优化广义S变换和混合输入神经网络的电能质量扰动识别
刘海涛 武祥 张淑清 刘大鹏 刘勇 穆勇
S变换克服了短时傅里叶变换窗宽固定的缺陷，但S变换窗函数随频率以确定的趋势改变，广义S变换通过改变高斯函数方差实现对高斯窗的控制，但也存在窗函数的参数选取困难的问题。根据广义S变换时频矩阵中时间最大幅值曲线和频率最大幅值曲线与电能质量信号幅值和频谱包络线的相关性，提出优化广义S变换对高斯窗函数参数进行自适应选取方法，充分保留了电能质量扰动的幅值和频率特征。人工特征提取方法难以对电能质量信号中深层扰动特征有效提取，深度学习方法能够自动提取数据中抽象特征，但对于电能质量信号仅使用单一输入导致特征提取不充分，对复杂电能质量扰动识别准确率低。提出一种混合输入神经网络框架，首先对优化广义S变换得到的时频矩阵利用卷积神经网络进行自动特征提取，然后利用一维卷积神经网络对原始一维时序信号进行自动特征提取，并加入长短期记忆网络模块增强对时序信号特征提取效果，最后将两种输入提取到的特征进行组合并利用全连接层来识别扰动类型。通过对包含26种电能质量扰动信号的仿真数据集进行训练和验证，结果表明本文提出混合输入神经网络模型对扰动识别准确率为99.77%，高于传统单一输入神经网络。
2025 Vol. 46 (1): 53-61 [
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62
基于频率响应的并网逆变器参数虚拟测量方法
郑迪 胡天宇 王颖 钱丽娟 邵海明
针对现有并网逆变器参数虚拟测量方法大多需要获取设备内部信息来实现参数测量，对试验条件要求较高的问题，提出一种基于频率响应的并网逆变器参数虚拟测量方法，仅需在设备端口施加扰动和测量输出即可实现参数的虚拟测量。首先，分析了并网逆变器的运行原理和数学模型，建立了相应的传递函数并得到频率响应特性。在此基础上构建并网逆变器的虚拟测量优化模型，并利用粒子群算法计算逼近设备实际频率响应特性的参数组合。仿真结果表明，该算法仅利用并网逆变器端口电压和电流测量信息实现内环、外环和锁相环控制参数的虚拟测量，且最大误差不超过2.6%。
2025 Vol. 46 (1): 62-68 [
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X射线超导转变边沿传感器超导薄膜研究
贾娥 李万 胡家昊 白海军 陈建 徐骁龙 郭思明 孙天宝 赵晓波 李劲劲 王雪深
超导薄膜的物理特性研究是X射线超导转变边沿传感器研制的基础。采用超高真空直流磁控溅射技术，在不同的溅射功率和溅射气压下制备了超导Mo薄膜，表征了薄膜的应力，粗糙度，超导转变温度等。Mo薄膜的应力范围为-421 MPa ~ 163 MPa，粗糙度小于1nm, 超导转变温度为1.06 K ~ 1.10 K；选择适合的Mo薄膜制备条件，制备并表征了不同厚度的Mo/Au双层薄膜，Mo/Au双层薄膜的应力范围在-38 MPa到26 MPa之间，超导转变温度为80 mK ~ 350 mK。通过对上述表征参数的分析，获得了适合的Mo/Au薄膜制备条件，研制的Mo/Au双层薄膜满足单能X射线超导转变边沿传感器制备需求。
2025 Vol. 46 (1): 69-74 [
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75
阻抗电桥法测量交流分流器时间常数
冯建 石雷兵 周碧红 胡俊杰 许峰
介绍了四端交流分流器的等效模型，以零磁通电流互感器为电流比例标准，构建了测量交流分流器时间常数这一主要参数的交流电桥，采用多位双级感应分压器对标准交流电阻的电压进行分压，利用差分测量电路实现对被测分流器和标准交流电阻电压差值的测量，通过双路同步采样系统实现电桥信号的测量，并采用离散傅里叶变换算法计算出电压幅值比和相位差，从而计算出被测交流分流器的阻值和时间常数。验证实验表明，测量装置可在20Hz~3kHz频率范围内实现100A以下交流分流器的精密测量，时间常数最佳测量不确定度为8ns。
2025 Vol. 46 (1): 75-79 [
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80
近零场高精度矢量原子磁力仪测试标定方法
吴爽 薛洪波 伏吉庆 宋伟 陶然 闵泽文 张伟 王劲东 李晖 李磊
面向深空磁场探测应用的矢量原子磁力仪，不仅需要在弱场下具备较高的灵敏度，还需要具有长期准确测量能力。故需要对矢量原子磁力仪在近零场下的灵敏度和线性度，尤其是准确度方面的性能指标进行地面测试标定。由于目前国家标准计量机构暂时没有可对微弱磁场强度下的磁力仪进行直接测试标定的装置，故提出了一种近零场下间接的测试标定装置和方法。在磁屏蔽筒内利用经过计量标定的CPT原子磁力仪对磁场发生线圈进行标定，通过标定过的线圈产生微弱人工磁场，结合零点旋转测试标定方法，实现对磁力仪准确度的测试标定。完成了近零场高精度原子磁力仪传感器的测试标定和不确定度分析，在±5nT量程范围内线性度为0.03%，零点不确定度为12.90pT（1σ），准确度为15.80pT（1σ）。
2025 Vol. 46 (1): 80-86 [
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87
Bell-Bloom型Cs-4He光泵磁力仪
陈豪燃 孔嘉 伏吉庆
该文章研究了一种新型Cs-4He光泵磁力仪，为了避免射频展宽，应用了Bell-Bloom结构，以此提高Cs-4He光泵磁力仪探测磁场的灵敏度。通过对比自旋交换碰撞、潘宁电离形成的角动量交换速率和磁场导致的拉莫尔进动频率，给出了实现Bell-Bloom型Cs-4He光泵磁力仪需要的条件，并计算了使用Bell-Bloom型Cs-4He磁力仪带来的灵敏度提升效率。
2025 Vol. 46 (1): 87-91 [
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92
基于Goertzel算法的超级电容内阻检测方法
吴双双 柏文琦 张彬 黄国良
等效内阻是超级电容的重要参数之一，不易准确检测。基于快速傅里叶变换方法（FFT）能够准确测量超级电容内阻，但计算量大。本文采用交流注入法，提出了基于Goertzel算法的超级电容内阻检测新方法。首先通过交流注入法，求出超级电容的复阻抗；然后利用Goertzel算法，求出激励信号与超级电容输出信号的相位差，从而计算获得超级电容的等效内阻。这种方法只需计算激励信号特定频率点的频谱信息，与FFT相比计算量大幅下降。实验结果表明，采用Goertzel算法的测量误差与FFT算法相当，均能满足误差小于5%的要求，但Goertzel算法的计算量远小于FFT算法。
2025 Vol. 46 (1): 92-98 [
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99
10伏可编程约瑟夫森结阵特性与激励系统研究
王曾敏 李红晖 段梅梅 吴然 王思云 廖福剑 王磊
本文研究了10伏可编程结阵的结构和低温超导特性，分析了10伏可编程结阵的激励算法和激励系统结构，提出了数字多用表的结阵超导特性扫描方法，与传统基于示波器的观测方法相比，大幅提升了结阵超导特性扫描和评估的准确性。实验结果表明，各子阵列的临界电流均大于4 mA，在注入微波后，各子阵列正向和负向量子电压台阶宽度均大于1.5 mA，论文设计和研制10伏可编程结阵激励和超导特性扫描系统，能够较好地为10伏约瑟夫森结阵提供激励，为开展无液氦10伏量子电压系统的研究奠定了重要基础。
2025 Vol. 46 (1): 99-105 [
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106
量子电压芯片制备中的介质层平坦化
曹樾 徐思思 钟源 李劲劲 钟青 曹文会 蔡晋辉
在制造量子电压芯片时，使用二氧化硅薄膜作为层间介质层（IDL）以实现约瑟夫森结的电气连接。然而，通常二氧化硅是保形沉积的，后续的铌线层容易在矩形台阶附近形成晶界裂纹。出于对光刻和可靠性的考虑, 对IDL进行平坦化是必要的。相对其他平坦化方案，牺牲层回刻的方法工艺步骤简单，非常适用于小批量的研究工作。在IDL上旋涂覆盖厚光刻胶层填充图形中的沟壑并形成平坦的界面，然后采用反应离子束刻蚀等速去除光刻胶和SiO2，整体上完全刻蚀到SiO2层后即可得到平坦的介质层表面，从而消除了绝缘层台阶。其中光刻胶和SiO2的等速刻蚀通过调节氧气流量与射频功率来实现。此外，为了实时监控平坦化状态，终点探测系统被应用于回刻过程。根据系统追踪的反射光强变化曲线来判断刻蚀深度，并决定何时停止这一过程。采用以上方法成功在结区上方形成厚度适宜、表面平坦且粗糙度更低的介质层。将牺牲层回刻法应用于芯片的制备，得到了没有裂纹的铌线层和良好的直流特性曲线，证明新工艺有效提升了芯片的可靠性。
2025 Vol. 46 (1): 106-111 [
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112
高准确度电流比较仪研制及校验方法研究
王维 刘夏 黄璐 杨雁
这篇文章介绍了一种新型高准确度电流比较仪的结构及工作原理。提出了一个“屏蔽定向引流”线路结构，该结构可基本消除二次绕组容性泄漏误差，并可消除二次绕组各段组合使用时引入的附加误差，提高了电流比较仪的准确度，在电流比率5A/5A～5000A/5A范围内，达到的技术指标优于1×10-6。结合 “屏蔽定向引流”线路结构的特点，还提出了一个新的多比率电流比较仪自校准方法，校准不确定度优于2×10-7。该校准方法准确度高、稳定性好、操作简单、耗时短，解决了过去长期困扰的互感器长途运输送检的问题。
2025 Vol. 46 (1): 112-118 [
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119
精密角位置信号数字化测量系统的研究
游立 王书强 金海彬 李亚琭 关振宇
感应同步器、旋转变压器是一类基于电磁感应原理的角位置传感器，广泛应用于自动控制、伺服系统中，其输出信号是一组随角位置变化呈比例关系的交流电压信号。要对该信号实现精密测量或校准需要使用专用角度指示器，此仪器功能单一且价格高昂。因此，我们用通用数字化仪研制了一套精密角位置信号数字化测量系统，实现了分辨力达0.0001°，测量准确度达±0.001°的同步分解信号测量能力。该系统不仅可应用于角度模拟器、感应同步器、旋转变压器的校准或检测中，相关技术还可以应用于国产化精密角度指示器研制中，具有良好的应用前景。
2025 Vol. 46 (1): 119-125 [
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126
基于H-CNN-BiLSTM模型的电动汽车充电桩电能表误差估计方法研究
戴煊丁 何雨辰 钱丽娟 张煌辉 邵海明 刘国强 林强
当前新能源汽车充电设施的数量不断攀升,电能测量的准确性、可靠性直接关乎用户的自身利益，但由于老化、故障和其他因素，智能电表的性能通常会随时间下降，而现场检定需要大量人力物力，因此提出了一种基于高速卷积神经网络和双向长短期记忆网络相结合的误差估计方法。首先，针对智能电表采集到的充电设施的数据特性进行预处理，其次基于加入高速网络的卷积模块提取变量间的空间特征，保留一部分原始信息，再将提取的特征输入双向长短期记忆网络中捕捉时序特征，得到更精确的相对误差。最后该模型在某地的新能源汽车充电站采集到的数据集中进行验证，并与PSO-BPNN、EKF-LMRLS、GDRLS三种现有的传统模型以及CNN、LSTM两种单一神经网络模型进行对比，实验结果表明文中所提方法在充电桩电能表相对误差估计方面有更高的准确性，设计的三种性能评价指标至少有13.68%以上的提升。
2025 Vol. 46 (1): 126-132 [
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133
基于优化窗函数改进S变换的低频振荡暂态检测方法
江青柳 梁成斌 陈光贵 王嵘瑜 贺青
低频振荡暂态是电力系统中常见的一种电能质量扰动，其直接影响电力系统的安全、稳定运行。通过对影响时频分析算法检测精度的窗函数进行了研究，提出了一种基于优化窗函数改进S变换的低频振荡暂态检测方法。首先，对时频分析算法中窗函数随检测频率变化的改变特性进行分析，确定了适用于低频振荡暂态扰动检测的优化窗函数，并利用其构造了改进S变换算法；其次，通过利用卷积定理、Fourier变换及其逆变换，推导了改进S变换算法快速实现的计算表达式，获取了包含信号幅值、相位信息的二维时频矩阵，给出了改进算法的实现流程；最后，采用包含低频振荡暂态扰动的电网信号对改进算法进行了测试。该优化算法对低频振荡暂态扰动表现出相对最佳的时频能量聚集性能，实际实验中所测得扰动中心频率为600 Hz，与扰动的生成频率相吻合，验证了改进算法的可行性和有效性。
2025 Vol. 46 (1): 133-140 [
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141
面向新型电力系统的光纤电流传感技术研究进展
白静芬 曾非同 孟静 李琪林 岑炜 蔡君懿 段永贤
电流传感测量在电力系统的计量、保护、控制等领域有举足轻重的作用。随着中国新型电力系统建设纲要提出并智能化、数字化水平不断增长，电流传感器面临着宽频带、高动态、小型化的需求。相比于传统电磁互感器，基于法拉第效应、磁致伸缩、磁流体、热效应等原理的先进电流测量技术在宽幅值、宽频带、电磁免疫上各有优势；另一方面，针对新型电力系统的未来场景需求，传感器的部署、精度要求和可靠运行面临重大挑战。本文从电流测量机制方面，分别介绍了基于法拉第效应、热光效应、磁流体和磁致伸缩效应的电流传感技术。在此基础上，指出电流传感技术在传感方式、频率特性、环境适应性、直流测量等方面的挑战，需要新的传感材料以及拓扑结构提升其测量性能。之后，提出光纤电流测量发展趋势建议，为准确度高、适应性好的光纤电流传感器在新型电力系统建设中的广泛应用提供技术指导。
2025 Vol. 46 (1): 141-150 [
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《计量学报》“生物计量”专刊征稿通知
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出 版：
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崔丽红
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