一种提高低温电流比较仪信噪比的系统及其方法技术方案

本发明专利技术属于一种在计量过程中的一种计量系统及其方法，和低温电流比较仪装置相关。尤其涉及一种在低温电流比较仪系统中解决高匝数低温电流比较仪测量时中电流换向过渡过程时产生电流跳跃问题的系统及方法。一种提高低温电流比较仪信噪比的系统，所述系统包括前馈环节和反馈环节；前馈环节还包括缓慢变向电路，所述缓慢变向电路是在主动和从动电流源电路的输入端加入一个时间常数可调的补偿ＲＣ低通电路，用于解决高匝数低温电流比较仪测量时中电流换向过渡过程时产生电流跳跃的问题。由于解决了高匝数的低温电流比较仪测量过程中的电流跳跃问题，信噪比大大提高了，从而测量准确度也大为提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种在计量过程中的计量系统及其方法，和低温电流比较仪装置相关。尤其涉及一种在低温电流比较仪系统中解决高匝数低温电流比较仪测量中电流换向过渡过程时产生电流跳跃问题的系统及方法。
技术介绍
在电学计量中，电压量标准和电阻量标准是最基本的两种标准。只要有了这两种标准，其它的标准均可由此而导出。在实际应用中，电阻量标准是由标准电阻器保存和维持的，所以用于比较标准电阻量值的测量仪器十分重要。 1980年，德国的冯克里青教授发现了量子化霍尔效应，量子化霍尔效应是指在强磁场及超低温的条件下，半导体器件中的二维电子气可以完全量子化，此时的霍尔电阻为RH=hie2i=1,2,3...(1)]]>此处h为普朗克常数，e为基本电荷电量，i为正整数。 式(1)的一个重要特点是量子化后的霍尔电阻RH只与基本物理常数h及e有关，与器件的材料及其它外界条件均无关。这是一种很理想的情况。人们可以据此复现电阻单位，不受地点、时间的限制。因此从发现之日起，各国的标准实验室投入了较大力量来建立此种“量子电阻基准”，并迅速取得了成果。 在满足完全量子化的条件下，量子化霍尔效应对应的平台区的霍尔电阻的数值只取决于恒量h/e2。这个恒量由基本物理常数组成，原则上不会变化，用于复现电阻单位是很理想的。在使用GaAs-AlXGa1-XAs异质结器件时，与第一个和第二个自然的朗道次能带之间的间隙对应的是i＝2的平台处的量子化霍尔电阻值为RH＝h/(2e2)＝25812.807/2Ω＝12906.4035Ω (2)这是一个由第18次CCE会议建议，并得到第77届国际计量委员会的批准后从1990年1月1日起在世界范围内启用的量子化霍尔电阻基准的国际推荐值。各个已建成量子化霍尔电阻实验装置的国家实验室均已根据式(2)建立起了自己的量子电阻基准。 要利用式(2)建立准确的可供日常检定工作使用的十进制电阻基准，要克服一些测量技术方面的困难。首先，式(2)给出的是个非整数值，要用特殊的方法才能与通常的十进制电阻进行比较。同时，式(2)作为国际推荐值，实际上已作为无误差常数使用。因此，在测量技术方面需发展一种能高准确度地比较非整数值电阻量值的精密仪器。 传统的能高准确度地比较非整数值电阻量值的精密仪器有两种类型。第一种是用电阻串并联方法来得到非整数电阻量值比例的哈蒙量具法，可以达到10-8量级的不确定度。80年代不少实验室曾使用这种方法得到了较好的结果。但这种方法使用起来比较繁琐，电阻元件的不稳定性也限制了此种方法准确度的进一步提高，因此近年来已很少使用。第二种方法是90年代发展起来并逐步成熟的低温电流比较仪法，可达到10-9-10-10量级。 低温电流比较仪构成的电阻比较电桥如附图1所示，它的测量原理是附图1中的两个独立回路中的电流I1和I2被通入绕在同一铁心上的两个绕组中，W1和W2分别表示这两个绕组的匝数。这样，铁心中的总磁动势(即总的安匝数)将为I1W1+I2W2。当此电路正常工作时，铁心中的总磁通为零。即满足磁动势平衡条件I1W1+I2W2＝0 (3)或写成I2I1=-W1W2---(4)]]>由于电桥在平衡时满足代入(4)式可得到R1R2=I2I1---(5)]]>R1R2=-W1W2---(6)]]>其中等式右边的负号表示两个线圈之一的极性端需反接。 从式(6)可看到，利用低温电流比较仪测量电阻时，电阻之间的比值等于绕组的匝数之比。绕组的匝数是整数，一旦绕制完成后也不会随时间或温度、气压等外界因素而变化。所以低温电流比较仪原则上可以达到很高的比例准确度。 低温电流比较仪在实际测量电阻时，磁动势平衡公式(3)实际上并不能完美地得到满足，因而磁调制器式电流比较仪的准确度受到一系列因素的限制。也就是说实践中的式(3)应表示成为 I1W1+I2W2+Δ＝0 (7)其中Δ表示各种因素导致的安匝数平衡方程的误差。为了消除式(7)中误差项Δ内包括的由于漏磁通而引起的比例误差部分，在低温电流比较仪中巧妙地应用了超导体的迈斯纳效应，泄漏出的漏磁通微乎其微，由漏磁通造成的比例误差小于10-12，可以忽略不计。式(7)中误差项Δ中的第二部分是安匝数平衡装置的噪声引起的误差。附图3中的低温电流比较仪使用了超导量子干涉器件SQUID作为监视安匝数平衡条件的技术手段。超导量子干涉器件是现代最灵敏的微弱磁通探测手段，其灵敏度可达到10-20Wb量级，已经在探测生物微弱磁场和空间磁场方面得到了很好的应用。而且这种器件没有磁滞特性，用于监测安匝数平衡条件可得到很好的效果。由于低温电流比较仪中比较理想地实现了安匝数平衡条件，其电流比例的准确度极高。在原理上低温电流比较仪由于安匝数平衡检测灵敏度不足而引起的比例误差可小于10-11。 然而真正影响测量过程的并不直接是噪声，而是信噪比。因此如果能增加有用信号，信噪比也就随之增加。可以看到，式(7)中的I1W1或I2W2为有用信号，Δ则为包括噪声在内的误差信号。I1W1和I2W2两者大小相等，方向相反。增大安匝数I1W1或I2W2的绝对值，也就扩大了式(7)中的有用信号。另一方面，实验已经验证，Δ主要是由于杜瓦瓶中的气压波动而引起的，并不会随安匝数增大而增加。这样，通过增大安匝数的方法就可使式(7)的信噪比得到改善。 安匝数I1W1或I2W2由电流和匝数两者相乘而得。从附图1可以看到，电流I1或I2要通过被比较的电阻。在精密测量中为了避免电阻发热而引起附加误差，通过电阻的电流大小受到严格限制。例如通过量子化霍尔样品的电流一般不能超过40μA。通过100Ω电阻的电流则不能超过5mA。所以要加大电流I1或I2以增加信噪比是很有限的。而在增加匝数w1或W2方面则存在较大的灵活性。 另一方面，从提高电流比较仪比较非整数电阻时的比例准确度的角度来看，增加匝数W1或W2也是有利的。对于现在普遍使用的用GaAs-AlxGa1-xAs异质结制成的量子化霍尔样品，则一般使用i＝2平台处的量子化霍尔电阻。即RH=h2e2=12×25812.407Ω=12906.4035Ω---(8)]]>因为对于这种样品来说i＝2的平台对应于第1朗道能级与第2朗道能级的间隙处，平台最宽也最平坦。平台中心处样品的量子化最充分，因而可以得到最准确的量子化霍尔电阻测量值(i＝1、3处的平台对应于自旋分裂的间隙，平台较窄也不很平坦。i＝4处的平台对应第2朗道能级与第3朗道能级的间隙，但平台不太宽。其它的平台质量更差)。 把RH与100Ω电阻相比较时式(6)中的比例绕组匝数比W1/W2的准确值就应该是129.064035。但另一方面，匝数W1和W2都只能是整数。因此我们就应该仔细挑选W1和W2的数值，使得这两个整数之比尽可能地接近其理想值129.064035。 对于我们所讨论的低温电流比较仪的匝数比问题，不难看出，理想比例值129.064035/1介于129/1和130/1之间。如把若干个实现129/1和130/1这两种比例的绕组适当组合起来，应该就可得到接近理想比例的结果。为此我们可先取n组129/1的绕组相串联。此时一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高低温电流比较仪信噪比系统，其特征在于：所述系统包括前馈环节和反馈环节；所述反馈环节包括：检测线圈及磁通变换器、ＳＱＵＩＤ及后续电子电路、积分器、电压电流变换器和二次线圈；所述前馈环节包括：主动电流源、从动电流 源和一次线圈；所述前馈环节用于使从动电流源的输出电流接近一个预定值，减小对反馈环节的信号冲击，提高信噪比；所述前馈环节还包括：缓慢变向电路，所述缓慢变向电路是在主动和从动电流源电路的输入端分别加入相关的变化速率可调的基准电压，使得主 动电流和从动电流都成为变化速率可调的缓慢变化电流，用于解决高匝数低温电流比较仪测量时电流换向过渡过程中产生电流跳跃的问题。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺青，张钟华，李正坤，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]