淺析電學(xué)計(jì)量的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

李時(shí)鑫

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津 300192）

自20世紀(jì)18世紀(jì)以來，人們便開展了對(duì)電學(xué)的研究。當(dāng)前，在人類社會(huì)中無論是科學(xué)技術(shù)活動(dòng)和物質(zhì)生產(chǎn)活動(dòng)都離開不了電力能源的參與，而電學(xué)計(jì)量便是幫助電力活動(dòng)實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量程準(zhǔn)確的主要活動(dòng)。電力計(jì)量是電力工作中技術(shù)和管理的結(jié)合體，通過電力計(jì)量工作便可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量單位的統(tǒng)一，同時(shí)，也是現(xiàn)代科技發(fā)展過程中的必然趨勢。隨著計(jì)量基準(zhǔn)、繞組匝比技術(shù)、交流電量測量技術(shù)、虛擬表測量技術(shù)、等效模擬技術(shù)等在電力計(jì)量工作中的應(yīng)用，使得當(dāng)前我國的計(jì)量技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展。

1 電學(xué)計(jì)量基準(zhǔn)的應(yīng)用

電學(xué)計(jì)量基準(zhǔn)主要是當(dāng)前我國及世界上部分國家，對(duì)電學(xué)中的統(tǒng)一量值賦予最高的測量標(biāo)準(zhǔn)所賦予的專有名稱。電學(xué)計(jì)量也是指通過國家決定承認(rèn)的測量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前，在國際單位SI的7個(gè)基本單位中與電磁量有關(guān)的基本單位主要是安培。

電力設(shè)備在實(shí)際的應(yīng)用過程中，如果需要其在長時(shí)間保持高度穩(wěn)定的電流標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，那么，往往難以實(shí)現(xiàn)。但是，電力設(shè)備中的電壓及電阻單位更容易在實(shí)際應(yīng)用中保持穩(wěn)定，因此，各國政府在電機(jī)計(jì)量應(yīng)用的過程中，將電壓單位和電阻單位作為當(dāng)前保存電磁單位的實(shí)際手段。同時(shí)，電壓單位和電阻單位也是電磁學(xué)單位中最重要的兩個(gè)單位之一，該單位在應(yīng)用中都具備計(jì)量基準(zhǔn)。

2 現(xiàn)階段電學(xué)計(jì)量中的計(jì)算基準(zhǔn)

2.1 電容

電容值是電學(xué)計(jì)量中的基準(zhǔn)之一，電容這一單位主要是指電路在位于給定電位差下，電路自身所儲(chǔ)備的電荷量。通常電荷會(huì)隨著電場中電流的運(yùn)動(dòng)而隨之運(yùn)動(dòng)，這便使得導(dǎo)體之間存在著電荷這一介質(zhì)，但是，電容在導(dǎo)體中移動(dòng)時(shí)導(dǎo)體自身材料性質(zhì)會(huì)對(duì)電荷的移動(dòng)造成一定的影響，使得導(dǎo)體中的電荷累積儲(chǔ)存，在導(dǎo)體中電荷的儲(chǔ)存量統(tǒng)稱為電容。在電力學(xué)中電容主要是指可以容納電場的能力，我國科學(xué)家在研究中通過將4個(gè)柱形電極構(gòu)成的電容器用于電荷的儲(chǔ)存，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該電容器的電容量與電容器軸向長度成正比的關(guān)系，但是，與電容器的自身形狀沒有關(guān)系。因此，在對(duì)電容器軸向長度進(jìn)行測量過程中采用干涉法，便可以提高電容器的測量量級(jí)，使當(dāng)前交流阻抗的復(fù)現(xiàn)水平穩(wěn)步提升。

2.2 電感

電感是電學(xué)計(jì)量中的計(jì)算基準(zhǔn)之一，電感主要是指閉合回路下，電路自身所附帶的一種屬性，電感是一個(gè)物理量值。當(dāng)電路線圈中通入電流后，線圈在電流的作用下便會(huì)形成磁場效應(yīng)，在由線圈所組成的磁場效應(yīng)中，感應(yīng)磁場會(huì)隨之產(chǎn)生感應(yīng)電流，對(duì)線圈中現(xiàn)有的電流進(jìn)行抵制。感應(yīng)磁場中的電流與線圈之間的相互作用并被稱為電的感抗，通常也被稱為電感。電感這一物理量主要用來描述線圈內(nèi)部電容發(fā)生的變化，或是本線圈在另一線圈中引起感應(yīng)電動(dòng)勢的電路參數(shù)。

2.3 電阻頻率特性

電阻頻率特性是電學(xué)計(jì)量中的計(jì)算基準(zhǔn)之一，電子頻率特性主要是指電學(xué)測量過程中對(duì)交流電流、交流電阻、高頻電路等在應(yīng)用過程中產(chǎn)生的電路介質(zhì)損耗。當(dāng)電阻處于交流高頻狀態(tài)時(shí)，電阻元件的寄生電感、接線面的趨膚效應(yīng)、電容鄰近效應(yīng)、周圍介質(zhì)的損耗等因素會(huì)使電阻元件在交流狀態(tài)下的阻抗實(shí)部與直流不相等。同時(shí)，由于高頻電路中所存在的寄生電感、寄生電容與電阻器的導(dǎo)線形狀、位置排列，及周邊的電磁環(huán)境有著密切的關(guān)系，因此，在對(duì)幾何形狀規(guī)則的電阻器進(jìn)行電子頻率特性計(jì)算時(shí)，需要考慮高頻電路中的寄生電感和寄生電容等各種附加損耗因素，這樣才可以較準(zhǔn)確地計(jì)算出電阻在交流狀態(tài)下與直流狀態(tài)下的區(qū)別。

2.4 電壓

電壓是電學(xué)計(jì)量中的計(jì)算基準(zhǔn)值之一，電路中的電壓量值在絕對(duì)測量中可以采用電壓天平，也可以根據(jù)安培定律，通過電流與電阻之間的關(guān)系進(jìn)行導(dǎo)出。當(dāng)前，世界上大多數(shù)國家都采用直流電壓和頻率之間的關(guān)系來推導(dǎo)出電壓的商值，該值通常也被稱為約瑟夫森常數(shù)。

2.5 交直流轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)

交直流轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)主要是在基于交流電壓、功率和電流的計(jì)量上進(jìn)行測定，在測定過程中通過電流熱效應(yīng)的比較技術(shù)，對(duì)交流電壓和電流的真實(shí)有效值進(jìn)行判斷。在對(duì)未知的交流電壓或電流熱效應(yīng)進(jìn)行判斷時(shí)，可以將該數(shù)值與已知的直流電壓和電流熱效應(yīng)進(jìn)行匹配。當(dāng)前，我國通過一種真有效值固態(tài)傳感器，通過該傳感器上的硅片晶體管和擴(kuò)散電阻對(duì)電路中電阻所消耗的功率進(jìn)行檢測，在檢測中通過基極、發(fā)射極電壓、發(fā)射極溫度之間所形成的關(guān)系，便可以直接得到檢測數(shù)值。

3 電學(xué)計(jì)量基準(zhǔn)的發(fā)展

3.1 電學(xué)計(jì)量中應(yīng)用數(shù)字化測量技術(shù)

電學(xué)計(jì)量基準(zhǔn)在發(fā)展中通過應(yīng)用數(shù)字化測量技術(shù)，便可以直接利用儀器對(duì)被測量進(jìn)行采樣、量化、轉(zhuǎn)換和編碼，在編碼轉(zhuǎn)換過程中直接通過實(shí)際數(shù)字顯示測量儀表，就可以直接顯示數(shù)字結(jié)果。在采用數(shù)字化測量技術(shù)中電壓是其最基本的模數(shù)轉(zhuǎn)化因子，同時(shí)，數(shù)字電壓表也是數(shù)字儀表組成的主體和核心之一。在電學(xué)中的多數(shù)物理量都可以直接通過變換器轉(zhuǎn)化成電壓，然后，再通過電壓表將電壓值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的電學(xué)測量，使數(shù)字化測量擴(kuò)展到用電測量儀器和非用電測量儀器等多個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)前對(duì)我國地區(qū)計(jì)量測量產(chǎn)生較大影響的儀器之一。

3.2 電學(xué)計(jì)量中應(yīng)用模擬電子技術(shù)

在電學(xué)計(jì)量中可以應(yīng)用模擬電子技術(shù)，通過應(yīng)用模擬電子技術(shù)可以在不同條件下對(duì)電子元件中的計(jì)量數(shù)值進(jìn)行測算，在對(duì)電學(xué)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測算中，可以通過利用等效電路而忽略主要矛盾和次要矛盾，例如，在工程計(jì)算中可以采用模擬電子技術(shù)中的等效電路法，來解決工程應(yīng)用中出現(xiàn)的瑣碎電學(xué)問題。在采用模擬電子技術(shù)的過程中，還可以在基于交直流轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，判斷電路中的直流電壓、電流和功率大小，而實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)只需要通過固態(tài)傳感器上的晶體管和擴(kuò)散電阻，即可進(jìn)行電學(xué)計(jì)量的檢測工作。

3.3 電學(xué)計(jì)量中應(yīng)用虛擬表技術(shù)

在電學(xué)計(jì)量中還可以應(yīng)用虛擬表技術(shù)，通過應(yīng)用虛擬表技術(shù)中的VXI、PXI板卡儀器等，并可以突破傳統(tǒng)儀器測量過程中的局限，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的測算量，并通過引入光速、普朗克常數(shù)、電子電荷等新單位值，提高電學(xué)計(jì)量測量的準(zhǔn)確度。同時(shí)，該技術(shù)也是未來電學(xué)計(jì)量測試應(yīng)用中的發(fā)展趨勢，通過虛擬表技術(shù)可以在電路中快速采樣，并且通過對(duì)各種環(huán)境條件及因素進(jìn)行自動(dòng)控制修正，便可以對(duì)電學(xué)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，將要提高電學(xué)計(jì)量的測量速度和精準(zhǔn)度。

3.4 電學(xué)計(jì)量中的動(dòng)態(tài)計(jì)量應(yīng)用

在我國的科研生產(chǎn)領(lǐng)域和國防尖端領(lǐng)域的研究中，涉及電子元器件的動(dòng)態(tài)計(jì)量測量，動(dòng)態(tài)測量主要是指在測量中被測量會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化，這時(shí)，便需要在測量中注重信號(hào)值的快速響應(yīng)和不失真復(fù)現(xiàn)。動(dòng)態(tài)測量技術(shù)與靜態(tài)測量相比，所使用的技術(shù)較為復(fù)雜，其具體的難點(diǎn)是在電子元器件的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)使用傳感器和二次儀表，并且還需要在測量中將原測量結(jié)果轉(zhuǎn)換到最終測量結(jié)果，而這一過程也是電學(xué)計(jì)量信號(hào)的恢復(fù)過程。為了提高電子元器件信號(hào)恢復(fù)的可能性，還需要事先了解所使用測量儀器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。現(xiàn)階段，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)是屬于電學(xué)計(jì)量學(xué)的范疇內(nèi)，但是，有常規(guī)的電學(xué)計(jì)量還存在了一定的區(qū)別具有特殊性，在動(dòng)態(tài)計(jì)量測量中不僅需要研究測量理論，同時(shí)，還需要研究測量方法，這樣才可以對(duì)動(dòng)態(tài)計(jì)量測量中的特低頻微弱小信號(hào)準(zhǔn)確地識(shí)別。

4 結(jié)語

隨著我國計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，所使用的電學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置數(shù)據(jù)集卡的采集速度、分辨率和儲(chǔ)層率都有著大幅度的增長，這便可以在精度校準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)頻率變化達(dá)到MHz級(jí)以上的電信號(hào)采集。此外，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度大幅度提升，還可以完成電學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)采集中較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)學(xué)解算。

在地區(qū)計(jì)量測量中，通過利用現(xiàn)代物理效應(yīng)，還可以大幅度提高計(jì)量基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)量值的一致性。同時(shí)，在采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上，還可以大幅度提高電學(xué)計(jì)量測量的效率，并借此實(shí)現(xiàn)進(jìn)行計(jì)量測量的自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。