間接標準電流源法校準數字式靜電計直流電流的測量不確定度評定

【摘要】 間接標準電流源法作為JJF 1726-2018《數字式靜電計校準規范》中直流電流的校準方法。當直流標準電流源無法滿足校準需求時，常用的該校準方法校準直流微弱電流。本文介紹了間接標準電流源法校準數字式靜電計直流電流的測量不確定度評定方法與評定實例，為評定數字式靜電計直流電流的測量不確定度提供參考。

【關鍵詞】 直流電流;間接標準電流源;不確定度評定

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

數字式靜電計主要由高輸入阻抗、低輸入偏置電流的靜電放大器和不同的反饋網絡組成。其中電流測量一般是利用高值反饋電阻，將微電流轉換成電壓。數字式靜電計常用于如光電倍增管和電離室輸出的電流以及諸如半導體、質譜儀中的微弱電流測量。本文以Keithley6517B為測量對象，測量2nA量程下的1nA直流電流值，其分辨力達到0.1pA。利用多功能標準源以及標準高值電阻器對其進行不確定度評定。

1 測量原理

1.1 測量依據

JJF 1726-2018《數字式靜電計校準規范》。

1.2 測量設備

測量設備由多功能標準源、標準高值電阻器組成。

1.3 環境條件

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

1.4 校準方法

校準數字式靜電計直流電流1nA測量值采用間接標準電流源，將多功能標準源與標準高值電阻器以及被校數字式靜電計利用低噪聲同軸線纜按照圖1方式接線。

其中標準高值電阻器選取100GΩ，多功能標準源輸出100V直流電壓值。讀取數字式靜電計測量的電流值作為顯示值。利用多功能標準源輸出的直流電壓值以及標準高值電阻器阻值換算為間接電流值作為標準值。

2 測量模型及不確定度傳播率

2.1 測量模型

被校數字式靜電計的示值誤差為[ΔIx]可表示為：

3 標準不確定度的評定

3.1 由多功能標準源輸出直流電壓引入的標準不確定度分量[uUn]

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

3.2 由標準高值電阻器引入的標準不確定度分量[uRn]

該不確定度分量含3個參數，分別用B類標準不確定度方法評定，為使模型簡化，將每個參數分別評定后合成一個不確定度分量。

3.2.1 由標準高值電阻器上級傳遞引入的標準不確定度分量[uRn1]

標準高值電阻器校準證書給出：100 GΩ的擴展不確定度[UrelRn1=0.050%]，[k=2]。所以標準不確定度分量為：

3.2.2 由標準高值電阻器年穩定度引入的標準不確定度分量[uRn2]

根據每年標準高值電阻器校準證書值可知100 GΩ年穩定度為±5×10-5;假定其滿足均勻分布，[k=3]，其標準不確定度分量為：

3.2.3 由標準高值電阻器溫度變化引入的標準不確定度分量[uRn3]

標準高值電阻器100 GΩ溫度影響系數為50×10-6/℃，認為其滿足均勻分布，[k=3]，其標準不確定度分量為：

3.3 由被校數字式靜電計引入的標準不確定度[uIx]

3.3.1 由被校數字式靜電計的重復性引入的標準不確定度分量[uIx1]

用A類標準不確定度方法評定。由被校數字式靜電計測量的電流值數據如表1所示。

3.3.2 由被校數字式靜電計的有限分辨力引入的標準不確定度分量[uIx2]

用B類標準不確定度方法評定，被校數字式靜電計在示值為1 nA時的分辨率為0.0001 nA，設為均勻分布，包含因子[k=3]，按半寬計算：

4 合成標準不確定度的評定

4.1 主要標準不確定度匯總

主要標準不確定度匯總如表2所示：

6 結語

本文介紹了間接標準電流源法校準數字式靜電計直流電流的校準方法和校準過程并以校準1nA直流電流為例給出了測量不確定度的評定過程。滿足JJF1726-2018《數字式靜電計校準規范》的要求，為數字式靜電計直流電流的校準和不確定度的評定提供借鑒。

【參考文獻】

[1] 倪育才.實用測量不確定度評定[M].北京：中國質檢出版社，2016.

[2] 數字式靜電計校準規范：JJF 1726-2018[S].

[3] 數字多用表校準規范：JJF 1587-2016[S].

[4] 測量不確定度評定與表示：JJF 1059.1-2012[S].

【作者簡介】魏天舒（1988-），男，工程師，碩士，研究方向為電磁學計量。