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◆?導讀

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、傳感器等許多領域中的應用越來越豐富，并且正逐漸替代電位差計。今天我們一起來探討下納伏電壓表的校準難點和解決方案。

◆ 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確度；與常規的數字電壓表相比，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；更適用于進行穩定的低噪聲電壓測量，以及可靠且重復地檢定低阻材料和器件。

· 應用行業

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、軍工設備的低電壓控制信號的精密測量、精密低電壓源校準得到了廣泛的應用；而且由于其使用方便，已經逐漸取代電位差計。

· 典型應用場景

霍爾效應測量

霍爾效應測量對半導體制造業材料的特性測量來說極為有用，但霍爾電壓一般都很小（毫伏甚至更低），則一般使用納伏電壓表進行測量。

低值電阻測量

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

超導體電阻測量

超導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行測量。

◆ 規范解讀

· 校準規范簡介

JJF 1587-2016 《數字多用表校準規范》中針對mV及μV級輸出中未提及的分壓器分壓實現小電壓輸出，導線熱電勢引入的誤差、清零操作等注意事項；因此制定了JJF XXXX-202X 《納伏電壓表校準規范》，主要針對納伏電壓表的直流電壓測量功能、直流數字電壓表（或數字多用表直流電壓功能）10 mV及以下量程的校準；于2023年報審通過，目前處于待發布狀態；天恒測控參與了該規范起草。

· 校準難點

高穩定性直流低電壓輸出

· JJF XXXX-202X 《納伏電壓表校準規范》（報批稿）中要求校準用的直流低電壓輸出短期穩定度（每分鐘）應優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指標所示，要滿足10 mV及以下量程檔的校準需求，則要求校準系統低電壓輸出的短期穩定度應優于53 nV/min @ 10 mV、7 nV/min @ 1 mV，這給校準工作提出了較高的要求。

直流低電壓測量難點

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、器件發熱、磁場和接地環路等，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體的接觸電勢（珀爾貼電勢）和單一導體的溫差電勢（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鍵之一。

· 校準項目與方法

【校準項目】納伏電壓表校準規范主要針對納伏電壓表直流電壓測量功能進行校準。

【校準方法】量子電壓法、標準源法、標準分壓器法、電流電壓轉換法。其中不同校準方法中采用不同的標準器與被校納伏電壓表進行比對，從而得到所測的誤差值，具體對比如下：

· 校準方法比較

納伏電壓表校準可根據校準需求選擇不同的校準方法，量子電壓法準確度最高，但是量子電壓基準存儲條件及使用方法最為復雜，只在國家級計量院或軍工一級計量站可實現校準；標準源法為天恒原創方案，相較于其他方案成本最低、準確度較高，操作最便捷。

◆ 天恒檢測方案

天恒的納伏電壓表校準方案包括TH1200 納伏表校準裝置、TH1950 高精度多功能校準器、TH0320 參考級電阻標準、TH1000 超穩電流標準等（部分校準方法需搭配高精度八位半數表），可根據JJF XXXX-202X《納伏電壓表校準規范》中的校準項目完成納伏電壓表的校準操作。

· 測量不確定度高達6ppm@10V

· mV輸出的穩定性典型值高達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，消除內部熱電勢帶來的誤差支持通過上位機軟件實現自動化校準

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

· TH0320最大工作電壓及標稱阻值覆蓋納伏表校準范圍，年穩定性達到5ppm滿足校準要求

· 校準前需要使用電橋法對標準電阻組成的直流分壓器進行標定

· 試驗中需要根據測試量程進行不同標準電阻切換

· TH1000輸出電流短期穩定度達10ppm/min，優于納伏表的相對最大允許誤差絕對值的1/10

· TH0320最大工作電壓及標稱阻值覆蓋納伏表校準范圍，年穩定性達到5ppm滿足校準要求

· 校準前需要使用電橋法對標準電阻組成的直流分壓器進行標定

· 試驗中需要根據測試量程進行不同標準電阻切換