纳伏电压表校准难点&解决方案

◆ 导读

基于对高精度、低噪声的低电压信号测量的需求，纳伏电压表在航天、热工、传感器等许多领域中的应用越来越丰富，并且正逐渐替代电位差计。今天我们一起来探讨下纳伏电压表的校准难点和解决方案。

◆ 什么是纳伏电压表

【纳伏电压表】是一种专用于直流低电压测量的仪器，即使低至 nV 级也能保持较高的灵敏度和准确度；与常规的数字电压表相比，纳伏电压表能够提供精确的超低电压测量，且测量速度更快，输入电阻高，噪声性能显著提高；更适用于进行稳定的低噪声电压测量，以及可靠且重复地检定低阻材料和器件。

· 应用行业

基于纳伏电压表灵活和高性能的低电平测量功能，其在压力、温度、振动等非电量精密传感器或敏感元件的低电压输出测量，航天、军工设备的低电压控制信号的精密测量、精密低电压源校准得到了广泛的应用；而且由于其使用方便，已经逐渐取代电位差计。

· 典型应用场景

霍尔效应测量

霍尔效应测量对半导体制造业材料的特性测量来说极为有用，但霍尔电压一般都很小（毫伏甚至更低），则一般使用纳伏电压表进行测量。

低值电阻测量

在低值电阻测量时一般采用四线（Kelvin）连接法，通过电流反转法对消热电势影响，实际使用则采用电流源搭配纳伏电压表进行低电阻测量。

超导体电阻测量

超导材料一般在较低电流密度（毫安与几十安培）下测试，由于测试采用小测试电流和极低的电阻，因此使用纳伏电压表进行测量。

◆ 规范解读

· 校准规范简介

JJF 1587-2016 《数字多用表校准规范》中针对mV及μV级输出中未提及的分压器分压实现小电压输出，导线热电势引入的误差、清零操作等注意事项；因此制定了JJF XXXX-202X 《纳伏电压表校准规范》，主要针对纳伏电压表的直流电压测量功能、直流数字电压表（或数字多用表直流电压功能）10 mV及以下量程的校准；于2023年报审通过，目前处于待发布状态；天恒测控参与了该规范起草。

· 校准难点

高稳定性直流低电压输出

· JJF XXXX-202X 《纳伏电压表校准规范》（报批稿）中要求校准用的直流低电压输出短期稳定度（每分钟）应优于被检纳伏表的相对最大允许误差绝对值的1/10。

· 上述常见的纳伏电压表技术指标所示，要满足10 mV及以下量程档的校准需求，则要求校准系统低电压输出的短期稳定度应优于53 nV/min @ 10 mV、7 nV/min @ 1 mV，这给校准工作提出了较高的要求。

直流低电压测量难点

直流低电压在测量的过程中可能会引入大量原本在高电平下可以忽略的噪声误差，这些误差包括引线电阻、热电势EMF、非欧姆接触、器件发热、磁场和接地环路等，其中热电势（EMF）和噪声干扰是低电压测量中最常见的误差源。

1）热电势EMF

热电动势是由两个导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成。

2）噪声干扰

因此，针对直流低电压测量，如何消除热电势影响以及抑制噪声和各种干扰是提高测量精度的关键之一。

· 校准项目与方法

【校准项目】纳伏电压表校准规范主要针对纳伏电压表直流电压测量功能进行校准。

【校准方法】量子电压法、标准源法、标准分压器法、电流电压转换法。其中不同校准方法中采用不同的标准器与被校纳伏电压表进行比对，从而得到所测的误差值，具体对比如下：

· 校准方法比较

纳伏电压表校准可根据校准需求选择不同的校准方法，量子电压法准确度最高，但是量子电压基准存储条件及使用方法最为复杂，只在国家级计量院或军工一级计量站可实现校准；标准源法为天恒原创方案，相较于其他方案成本最低、准确度较高，操作最便捷。

◆ 天恒检测方案

天恒的纳伏电压表校准方案包括TH1200 纳伏表校准装置、TH1950 高精度多功能校准器、TH0320 参考级电阻标准、TH1000 超稳电流标准等（部分校准方法需搭配高精度八位半数表），可根据JJF XXXX-202X《纳伏电压表校准规范》中的校准项目完成纳伏电压表的校准操作。

· 测量不确定度高达6ppm@10V

· mV输出的稳定性典型值高达1.8nV/min

· 双通道电压输出均用低热电势端子连接

· 支持自动校零功能，消除内部热电势带来的误差支持通过上位机软件实现自动化校准

· TH1950输出电压短期稳定度达1.5ppm/min，优于纳伏表的相对最大允许误差绝对值的1/10

· TH0320最大工作电压及标称阻值覆盖纳伏表校准范围，年稳定性达到5ppm满足校准要求

· 校准前需要使用电桥法对标准电阻组成的直流分压器进行标定

· 试验中需要根据测试量程进行不同标准电阻切换

· TH1000输出电流短期稳定度达10ppm/min，优于纳伏表的相对最大允许误差绝对值的1/10

· TH0320最大工作电压及标称阻值覆盖纳伏表校准范围，年稳定性达到5ppm满足校准要求

· 校准前需要使用电桥法对标准电阻组成的直流分压器进行标定

· 试验中需要根据测试量程进行不同标准电阻切换