电磁学计量基础概述

电磁学计量基础概述电磁学计量基础概述 电磁计量就是应用电磁测量仪器、 仪表和设备，采用相应的方法对被测量进 行定量分析、 研究， 保证电磁量测量的统一和准确的计量分支。 主要研究内容有： 精密测定与电磁量有关的物理常数，确定电磁学单位制，按定义研究、复现和保 存电磁学单位的计量基准和标准，研究电磁量的测量方法，研究进行电磁量量值 传递的标准量具和专用测量装置，以及研究制定相应的检定系统、检定规程、技 术规范等技术法规。 电磁计量在计量领域有其独特的优点： 电磁量可以直接进行检测；电磁计量 测试所采用的测量方法具有较高的准确度和灵敏度；电磁信号便于处理和传输， 能够实现快速测量、连续测量、连续记录和进行数据处理；另外，电磁量还可以 离开被测对象一定距离，实现远距离的遥测等。随着科学技术的发展，现代计量 的各个领域，如长度、热工、力学、光学、电离辐射、标准物质等，都借助于各 种传感器把被测量变换成电磁信号进行处理。 目前将非电量变换成对应的电量进 行测量已是计量技术的一种普遍现象。 电磁学计量已经成为支撑很多领域中计量 仪器研究的重要方法和手段。 电磁计量技术中的各种概念和方法也被其他学科所 借鉴。电磁计量已成为整个计量科学的重要基础。 电磁计量分为电学量计量和磁学量计量，根据米、千克、秒三个基本单位， 基于量子基准和绝对测量来建立电磁计量基准，复现电磁计量单位。电磁计量基 准包括电压、电流、电阻、电容(或电感)、功率、磁感应强度、磁通和磁矩。 电磁计量对象的基本名称和概念电磁计量对象的基本名称和概念 电流（I）是电磁学的基础，也是一个基本物理量，它的单位是安培（A） 。 在国际单位制中，安培是七个基本单位之一。安培的定义为：真空中相距 1 米的 两根无限长且圆截面可忽略的平行导线内通过一恒定电流， 当两导线每米长度之 间产生的力等于 2×10-7牛顿时，则规定导线中通过的电流为 1 安培。 电压（U）又称电位差、电势差，单位是伏特（ V） 。伏特是两点间的电位 差， 在载有 1A 恒定电流导线的两点间消耗 1W 的功率时， 这两点间的电压为 1V （1V=1W·1A ） 。 电阻（R）的单位是欧姆（Ω） ，其定义为：导体两点间加上 1V 恒定电压 -1 时，在导体内产生 1A 的电流(1Ω=1V·1A )。 磁通（ΦΦ）是指在均匀磁场中一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，通过 这个平面的磁感应强度为 B，则ΦΦ=BS。磁通的单位是韦伯（Wb） ，它的定义是： 单匝环路的磁通量，当它在 1s 内均匀地减小到零时，环路内产生 1V 的电动势 （1Wb=1V·s） 。 磁感应强度（B）又称磁通量密度，描述的是磁场的强弱，它的单位是特斯 拉（T） 。特斯拉的定义为：1Wb 的磁通量均匀而垂直地通过 1 ㎡面积时产生的 磁通量密度（1 T =1Wb·m ） 。 电磁计量单位的复现电磁计量单位的复现 一、一、电流电流 根据国际单位制电流的定义，电流的复现是很难完成的。 “两根无限长且圆 截面可忽略的平行导线” 几乎是不可能实现的。所以电流单位的复现采用的是 等效的形式来完成。 最为常用的方法是通过计量载流线圈之间的作用力来实现电 流单位的复现，而电流天平是其中最常用的一种。电流天平又被称为安培秤，它 是通过对天平力的测量来复现电流单位的。电流天平的示意图见图 1： -2 -1 图 1 电流天平示意图 首先在线圈通电流以前，在右边砝码盘加适当砝码与活动线圈 C 平衡，然 后将电流 I 引入线圈 A、B、C，使 B、C 线圈的电流的流向相同，而 A、C 线圈 的电流的流向相反，其合力是将线圈 C 垂直拉向下。接着再次在左边砝码盘上 添加砝码， 使天平重新平衡，根据两次添加砝码的差值可以得到载流线圈之间的 作用力 F 根据安培力公式：F=  0 2F ； 可得到 I=，其中μ 0= 4π ×10-7， 202I 所以 I = F 。想要实现 1A 电流的复现，只要精密复现 2×10-7N 的力。通 7210 过砝码调节，实现对电流单位的复现，复现电流单位的准确度达到 10-6量级。 二、二、电压电压 电压是欧姆定律中的一个重要量，它的复现对电磁学理论十分重要，对电 压单位的复现一般有三种方法：标准电池、电压天平和液体静电计。 1、标准电池 在相当长一段时间里，电压单位是复现一直是用标准电池来实现，目前实 验室广泛使用的是韦斯顿饱和标准电池（镉汞标准电池） 。它的电压为1.0186V， 内阻为数百欧。按电压的年变化量大小，进行等级划分最高为0.001 级，其年变 化量不大于 10μV；最低为 0.02 级，年变化量不大于 500μV。 2、电压天平 电压的另一种复现方式是使用电压天平，图 2 是常见的一种，下极板是固 定电极，加高电压U；上极板连接天平一端，是可动电极，加零电压。可动电极 表面分布均匀静电场，两极板之间距 离为 d，可动电极面积为 S，则静电引 S 力 F 表示为：F= 2 U2。其中ε为空 2d 气介电常数。用天平计量出静电引力 F，用几何方法计算出 d 和 S，则有： U=d 2F 。 S 图 2 电压电平示意图 电压天平的不确定度约为 10-7量级。要了解到限制电压天平准确度的原因 有两个：一是极间静电引力太小，为毫牛级，不易准确计量；二是因极板的边缘 效应会形成附加误差。 3、液体静电计 液体静电计也是复现电压单位的一种方法。它是在导电液体（如水银）上 方安置一个水平电极，电极上接高电压，导电液体接地。极板的电压对导电液体 的表面产生静电引力，使液面升高一段距离 h。根据物理学原理可得： U 2    gh。式中ε为空气介电常 2d 数；ρ为液体密度；g 为重力加速度。 从而得到计量电压：U  d 2gh  。 图 3 液体静电计示意图 使用几何方法计量出液面上升高度以及电极与上升液面之间的距离 d，从而得到 电压 U。使用这种方法计量电压的准确度约为 10-7量级。 三、三、电阻电阻 电阻单位的复现是电磁计量的一项基础工作。通常使用标准电阻的方法来 复现电阻单位。标准电阻是由低温度系数的合金丝（如镍铜合金丝）绕制而成， 通常使用纯矿物油或惰性气体来密闭保存，以保证其阻值稳定。标准电阻在 20℃附近的温度系数约为 1×10-5/K~5×10-5/K， 电阻单位量值复现的不确定度小 于 1×10-7。标准电阻根据电阻偏差和年变化量来划分等级，最低的为 0.1 级，最 高为 0.001 级。 电磁计量的传递方法电磁计量的传递方法 一、直流电流的传递直流电流的传递 直流电流的传递常用的有两种：一种是采用分流器；一种是使用电流比较 仪。 1、分流器 对于小电流我们通常使用指针式电流表进行测量，对于十几安培以上的电 流需要在计量系统中加入分流器。分流器的实质是一个低阻值电阻，它并联在电 流表的两端， 将原本要流过电流表的电流加以成比例的分流，电流表的量程成比 例的扩大，选择不同阻值的分流器，可以获得不同倍数的量程放大。分流器应用 于直流电流准确度要求不高的情况下，测量不确定度为 10-4量级。 当计量准确度要求更高时，可用精密的四端电阻代替分流器，并使用电