[发明专利]双螺线型交、直流差可计算电阻及制法、分析方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于一种在计量领域中的一种计量标准仪器及其制作、分析方法以及应用，尤其涉及一种作为交流阻抗量值向量子化霍尔电阻溯源的关键器件。

背景技术：

电压标准和电阻标准是电磁计量的两种主要标准。原则上，只要有了这两种标准，其它的电磁量标准都可以从这两种标准导出。因此，建立稳定的高准确度的电压标准和电阻标准是电磁计量科研课题中最为重要的内容。

19世纪下半叶到20世纪上半叶，各国建立起了经典的电阻标准。经典的电阻标准是一些电阻线圈。这些线圈一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化，因而它们所保存的量值也会有所改变。另一方面，最高等级的经典电阻标准全世界只有一套，一旦由于天灾、战争或其它原因发生意外损坏，就无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也会因之中断。针对这些问题，20世纪下半叶国际上开始了利用量子物理学的成就研制量子计量标准的努力，并取得了相当大的成功。对于电阻单位，20世纪80年代中根据德国物理学家冯·克里青的重大发现研制成了量子化霍尔电阻标准。经国际计量委员会推荐，1990年1月1日起在世界范围内启用量子化霍尔电阻标准代替使用了几十年的电阻实物基准。我国也于2004年建成了量子化霍尔电阻标准。

量子化霍尔电阻标准建成以后，所有的电学阻抗，包括直流电阻、交流电阻、电容、电感、互感等的量值均需溯源到量子化霍尔电阻，以保证电学计量标准体系的一致性。由于量子化霍尔电阻标准的量值本身就是一种直流电阻的量值，所以直流电阻的溯源比较容易解决。但是，交流电阻、电容、电感、互感这几种阻抗均是在交流状态下使用的。为了使这几种交流阻抗能够溯源到直流电阻值，需要一种能准确联系直流电阻和交流阻抗量值的量具。这就是“交、直流差可计算电阻”。一方面，这种电阻的直流阻值可向量子化霍尔电阻溯源，另一方面，这种电阻的交流电阻值和其直流电阻值的差别可以准确计算。因此，把这种电阻向量子化霍尔电阻溯源所得到的直流阻值加上由计算得到的交、直流电阻值之差，就可得到溯源到量子化霍尔电阻的交流电阻值，从而完成了交流电阻值向量子化霍尔电阻溯源的过程。再通过适当的交流电桥方法，又可把交流电阻值向电容、电感、互感这些交流阻抗的量值过渡，完成所有的交流阻抗向量子化霍尔电阻溯源的过程。由上所述可见，“交、直流差可计算电阻”是所有的交流阻抗向量子化霍尔电阻溯源的过程中的核心环节。

除了在把交流阻抗向量子化霍尔电阻溯源的过程中“交、直流差可计算电阻”起着重要作用，建立交流电阻标准对于电力工业、电子工业、仪器仪表工业等方面也是非常重要的。在大部分上述实际场合中，电阻器件用于交流和高频电路。由于电阻器件中的寄生电感、电容、导线中的趋肤效应、邻近效应、周围介质的损耗等一系列因素，交流电路中电阻元件的阻抗实部并不等于直流状态下的电阻量值。所以交流标准电阻的量值不能简单地搬用该电阻器件在直流状态下的电阻值，应该直接建立“交流电阻标准”适应实际工作的需要。应用“交、直流差可计算电阻”就能从溯源到量子化霍尔电阻的直流电阻标准量值导出交流电阻的标准量值。

但是，高准确度的“交、直流差可计算电阻”是很难实现的。国际上在研制此种特殊电阻时遇到了两个方面的困难。首先，电阻丝的空间形状应该相对简单，使电阻丝周围的电磁场能用解析公式计算，从而求出交流电阻值和直流电阻值的差别。另一方面，电阻丝的总电阻值，不论是交流电阻值还是直流电阻值，都应该十分稳定。如果电阻值在测量过程中稳定性很差，也就不可能完成精密测量的任务。

国际上建立“交流电阻标准”工作已进行了许多年，提出过三种类型的“交、直流差可计算电阻”的设计。