間接標(biāo)準(zhǔn)電流源法校準(zhǔn)數(shù)字式靜電計(jì)直流電流的測(cè)量不確定度評(píng)定

【摘要】 間接標(biāo)準(zhǔn)電流源法作為JJF 1726-2018《數(shù)字式靜電計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》中直流電流的校準(zhǔn)方法。當(dāng)直流標(biāo)準(zhǔn)電流源無(wú)法滿足校準(zhǔn)需求時(shí)，常用的該校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)直流微弱電流。本文介紹了間接標(biāo)準(zhǔn)電流源法校準(zhǔn)數(shù)字式靜電計(jì)直流電流的測(cè)量不確定度評(píng)定方法與評(píng)定實(shí)例，為評(píng)定數(shù)字式靜電計(jì)直流電流的測(cè)量不確定度提供參考。

【關(guān)鍵詞】 直流電流;間接標(biāo)準(zhǔn)電流源;不確定度評(píng)定

Abstract： The indirect standard current source method is used as the calibration method of DC current in JJF 1726-2018 Calibration Specification for Digital Electrometers. When the DC standard current source cannot meet the calibration requirements，this calibration method is used to calibrate the weak DC current.This paper introduces the measurement uncertainty evaluation method and evaluation example of indirect standard current source method for calibrating DC current of digital electrometers，which provides a reference for evaluating the measurement uncertainty of the DC current of digital electrometers.

Key words： DC current;indirect standard current source;uncertainty

數(shù)字式靜電計(jì)主要由高輸入阻抗、低輸入偏置電流的靜電放大器和不同的反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其中電流測(cè)量一般是利用高值反饋電阻，將微電流轉(zhuǎn)換成電壓。數(shù)字式靜電計(jì)常用于如光電倍增管和電離室輸出的電流以及諸如半導(dǎo)體、質(zhì)譜儀中的微弱電流測(cè)量。本文以Keithley6517B為測(cè)量對(duì)象，測(cè)量2nA量程下的1nA直流電流值，其分辨力達(dá)到0.1pA。利用多功能標(biāo)準(zhǔn)源以及標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器對(duì)其進(jìn)行不確定度評(píng)定。

1 測(cè)量原理

1.1 測(cè)量依據(jù)

JJF 1726-2018《數(shù)字式靜電計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》。

1.2 測(cè)量設(shè)備

測(cè)量設(shè)備由多功能標(biāo)準(zhǔn)源、標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器組成。

1.3 環(huán)境條件

環(huán)境溫度：（20±2） ℃;相對(duì)濕度：40%～60%;供電電源：電壓（220±22） V，頻率（50±1） Hz。

1.4 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)數(shù)字式靜電計(jì)直流電流1nA測(cè)量值采用間接標(biāo)準(zhǔn)電流源，將多功能標(biāo)準(zhǔn)源與標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器以及被校數(shù)字式靜電計(jì)利用低噪聲同軸線纜按照?qǐng)D1方式接線。

其中標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器選取100GΩ，多功能標(biāo)準(zhǔn)源輸出100V直流電壓值。讀取數(shù)字式靜電計(jì)測(cè)量的電流值作為顯示值。利用多功能標(biāo)準(zhǔn)源輸出的直流電壓值以及標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器阻值換算為間接電流值作為標(biāo)準(zhǔn)值。

2 測(cè)量模型及不確定度傳播率

2.1 測(cè)量模型

被校數(shù)字式靜電計(jì)的示值誤差為[ΔIx]可表示為：

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

3.1 由多功能標(biāo)準(zhǔn)源輸出直流電壓引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[uUn]

用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度方法評(píng)定，由多功能標(biāo)準(zhǔn)源的說明書給出置信概率95%時(shí)，直流電壓量程220 V，一年絕對(duì)不確定度為5×10-6輸出值+40 μV，且置信因子k=1.96。因此：

3.2 由標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[uRn]

該不確定度分量含3個(gè)參數(shù)，分別用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度方法評(píng)定，為使模型簡(jiǎn)化，將每個(gè)參數(shù)分別評(píng)定后合成一個(gè)不確定度分量。

3.2.1 由標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器上級(jí)傳遞引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[uRn1]

標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器校準(zhǔn)證書給出：100 GΩ的擴(kuò)展不確定度[UrelRn1=0.050%]，[k=2]。所以標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.2.2 由標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器年穩(wěn)定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[uRn2]

根據(jù)每年標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器校準(zhǔn)證書值可知100 GΩ年穩(wěn)定度為±5×10-5;假定其滿足均勻分布，[k=3]，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.2.3 由標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[uRn3]

標(biāo)準(zhǔn)高值電阻器100 GΩ溫度影響系數(shù)為50×10-6/℃，認(rèn)為其滿足均勻分布，[k=3]，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.3 由被校數(shù)字式靜電計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度[uIx]

3.3.1 由被校數(shù)字式靜電計(jì)的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[uIx1]

用A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度方法評(píng)定。由被校數(shù)字式靜電計(jì)測(cè)量的電流值數(shù)據(jù)如表1所示。

3.3.2 由被校數(shù)字式靜電計(jì)的有限分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量[uIx2]

用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度方法評(píng)定，被校數(shù)字式靜電計(jì)在示值為1 nA時(shí)的分辨率為0.0001 nA，設(shè)為均勻分布，包含因子[k=3]，按半寬計(jì)算：

4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

4.1 主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總

主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總?cè)绫?所示：

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了間接標(biāo)準(zhǔn)電流源法校準(zhǔn)數(shù)字式靜電計(jì)直流電流的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)過程并以校準(zhǔn)1nA直流電流為例給出了測(cè)量不確定度的評(píng)定過程。滿足JJF1726-2018《數(shù)字式靜電計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，為數(shù)字式靜電計(jì)直流電流的校準(zhǔn)和不確定度的評(píng)定提供借鑒。

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【作者簡(jiǎn)介】魏天舒（1988-），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)殡姶艑W(xué)計(jì)量。