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◆?導(dǎo)讀

基于對高精度、低噪聲的低電壓信號測量的需求，納伏電壓表在航天、熱工、傳感器等許多領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越豐富，并且正逐漸替代電位差計(jì)。今天我們一起來探討下納伏電壓表的校準(zhǔn)難點(diǎn)和解決方案。

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◆ 什么是納伏電壓表

【納伏電壓表】是一種專用于直流低電壓測量的儀器，即使低至 nV 級也能保持較高的靈敏度和準(zhǔn)確度；與常規(guī)的數(shù)字電壓表相比，納伏電壓表能夠提供精確的超低電壓測量，且測量速度更快，輸入電阻高，噪聲性能顯著提高；更適用于進(jìn)行穩(wěn)定的低噪聲電壓測量，以及可靠且重復(fù)地檢定低阻材料和器件。

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· 應(yīng)用行業(yè)

基于納伏電壓表靈活和高性能的低電平測量功能，其在壓力、溫度、振動等非電量精密傳感器或敏感元件的低電壓輸出測量，航天、軍工設(shè)備的低電壓控制信號的精密測量、精密低電壓源校準(zhǔn)得到了廣泛的應(yīng)用；而且由于其使用方便，已經(jīng)逐漸取代電位差計(jì)。

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· 典型應(yīng)用場景

霍爾效應(yīng)測量

霍爾效應(yīng)測量對半導(dǎo)體制造業(yè)材料的特性測量來說極為有用，但霍爾電壓一般都很?。ê练踔粮停?，則一般使用納伏電壓表進(jìn)行測量。

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低值電阻測量

在低值電阻測量時一般采用四線（Kelvin）連接法，通過電流反轉(zhuǎn)法對消熱電勢影響，實(shí)際使用則采用電流源搭配納伏電壓表進(jìn)行低電阻測量。

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超導(dǎo)體電阻測量

超導(dǎo)材料一般在較低電流密度（毫安與幾十安培）下測試，由于測試采用小測試電流和極低的電阻，因此使用納伏電壓表進(jìn)行測量。

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◆ 規(guī)范解讀

· 校準(zhǔn)規(guī)范簡介

JJF 1587-2016 《數(shù)字多用表校準(zhǔn)規(guī)范》中針對mV及μV級輸出中未提及的分壓器分壓實(shí)現(xiàn)小電壓輸出，導(dǎo)線熱電勢引入的誤差、清零操作等注意事項(xiàng)；因此制定了JJF XXXX-202X 《納伏電壓表校準(zhǔn)規(guī)范》，主要針對納伏電壓表的直流電壓測量功能、直流數(shù)字電壓表（或數(shù)字多用表直流電壓功能）10 mV及以下量程的校準(zhǔn)；于2023年報(bào)審?fù)ㄟ^，目前處于待發(fā)布狀態(tài)；天恒測控參與了該規(guī)范起草。

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· 校準(zhǔn)難點(diǎn)

高穩(wěn)定性直流低電壓輸出

· JJF XXXX-202X 《納伏電壓表校準(zhǔn)規(guī)范》（報(bào)批稿）中要求校準(zhǔn)用的直流低電壓輸出短期穩(wěn)定度（每分鐘）應(yīng)優(yōu)于被檢納伏表的相對最大允許誤差絕對值的1/10。

· 上述常見的納伏電壓表技術(shù)指標(biāo)所示，要滿足10 mV及以下量程檔的校準(zhǔn)需求，則要求校準(zhǔn)系統(tǒng)低電壓輸出的短期穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于53 nV/min @ 10 mV、7 nV/min @ 1 mV，這給校準(zhǔn)工作提出了較高的要求。

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直流低電壓測量難點(diǎn)

直流低電壓在測量的過程中可能會引入大量原本在高電平下可以忽略的噪聲誤差，這些誤差包括引線電阻、熱電勢EMF、非歐姆接觸、器件發(fā)熱、磁場和接地環(huán)路等，其中熱電勢（EMF）和噪聲干擾是低電壓測量中最常見的誤差源。

1）熱電勢EMF

熱電動勢是由兩個導(dǎo)體的接觸電勢（珀?duì)栙N電勢）和單一導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜電勢）所組成。

2）噪聲干擾

因此，針對直流低電壓測量，如何消除熱電勢影響以及抑制噪聲和各種干擾是提高測量精度的關(guān)鍵之一。

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· 校準(zhǔn)項(xiàng)目與方法

【校準(zhǔn)項(xiàng)目】納伏電壓表校準(zhǔn)規(guī)范主要針對納伏電壓表直流電壓測量功能進(jìn)行校準(zhǔn)。

【校準(zhǔn)方法】量子電壓法、標(biāo)準(zhǔn)源法、標(biāo)準(zhǔn)分壓器法、電流電壓轉(zhuǎn)換法。其中不同校準(zhǔn)方法中采用不同的標(biāo)準(zhǔn)器與被校納伏電壓表進(jìn)行比對，從而得到所測的誤差值，具體對比如下：

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· 校準(zhǔn)方法比較

納伏電壓表校準(zhǔn)可根據(jù)校準(zhǔn)需求選擇不同的校準(zhǔn)方法，量子電壓法準(zhǔn)確度最高，但是量子電壓基準(zhǔn)存儲條件及使用方法最為復(fù)雜，只在國家級計(jì)量院或軍工一級計(jì)量站可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)；標(biāo)準(zhǔn)源法為天恒原創(chuàng)方案，相較于其他方案成本最低、準(zhǔn)確度較高，操作最便捷。

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◆ 天恒檢測方案

天恒的納伏電壓表校準(zhǔn)方案包括TH1200 納伏表校準(zhǔn)裝置、TH1950 高精度多功能校準(zhǔn)器、TH0320 參考級電阻標(biāo)準(zhǔn)、TH1000 超穩(wěn)電流標(biāo)準(zhǔn)等（部分校準(zhǔn)方法需搭配高精度八位半數(shù)表），可根據(jù)JJF XXXX-202X《納伏電壓表校準(zhǔn)規(guī)范》中的校準(zhǔn)項(xiàng)目完成納伏電壓表的校準(zhǔn)操作。

· 測量不確定度高達(dá)6ppm@10V

· mV輸出的穩(wěn)定性典型值高達(dá)1.8nV/min

· 雙通道電壓輸出均用低熱電勢端子連接

· 支持自動校零功能，消除內(nèi)部熱電勢帶來的誤差支持通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)自動化校準(zhǔn)

· TH1950輸出電壓短期穩(wěn)定度達(dá)1.5ppm/min，優(yōu)于納伏表的相對最大允許誤差絕對值的1/10

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· TH0320最大工作電壓及標(biāo)稱阻值覆蓋納伏表校準(zhǔn)范圍，年穩(wěn)定性達(dá)到5ppm滿足校準(zhǔn)要求