《固態(tài)電壓標準檢定規(guī)程》

JJG1068-XXXX

中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程

JJG1068××××

固態(tài)電壓標準

DCreferenceStandard

(報批稿)

××××××××發(fā)布×××××××實施

國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布

I

JJGXXXX-XXXX

固態(tài)電壓標準

1范圍

本規(guī)程適用于輸出直流電壓值為10V、1.018V、1V、100mV固態(tài)電壓標

準的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢查。

2引用文件

本規(guī)程引用了下列文件：

JJF1001通用計量術(shù)語及定義

JJF1059.1測量不確定度評定與表示

JJF1094測量儀器特性評定

JJG2087直流電動勢計量器具檢定系統(tǒng)表

凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于該規(guī)程；凡是不注日期的引

用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本規(guī)程。

3術(shù)語

日漂移率（DRIFTRATE）：一段時期內(nèi)輸出電壓的變化除以這段時期所包

含的天數(shù)。

4概述

固態(tài)電壓標準作為直流電壓標準，用于檢定/校準高準確度的數(shù)字電壓表和

多功能標準源等，也可以日常保存直流電壓量值。

固態(tài)電壓標準的核心元件是齊納二極管，主要分為分立齊納二極管型固態(tài)電

壓標準和參考放大器型固態(tài)電壓標準。

一般情況下固態(tài)電壓標準的輸出電壓都設計成10V，其1.018V、1V、100mV

輸出則是通過對10V參考電壓分壓得到的，原理圖如圖1所示。

10V

R

R

N1.018V

R

ER100mV

VzR

圖1固態(tài)電壓標準原理圖

Vz—溫補齊納二極管；N—集成運放

2

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5計量性能要求

5.1輸出電壓的穩(wěn)定性

固態(tài)電壓標準輸出電壓的穩(wěn)定性應滿足表1要求。

表1固態(tài)電壓標準輸出電壓的穩(wěn)定性

10V（年穩(wěn)定性）1V/1.018V（年穩(wěn)定性）1V/1.018V（月穩(wěn)定性）100mV（年穩(wěn)定性）

±3×10-6±4.5×10-6±1.5×10-6±1.5×10-5

5.2常用量程輸出電壓的允許范圍

固態(tài)電壓標準常用量程輸出電壓值的允許范圍見表2。

表2固態(tài)電壓標準常用量程輸出電壓值的允許范圍

10V1.018V1V100mV

10.000V±0.001V1.018V±0.001V1.000V±0.001V100mV±0.1mV

5.3短期穩(wěn)定性

測量期間（3天到5天）被測固態(tài)電壓標準的變化量應小于表1中允許年變

化值的1/4。

6通用技術(shù)要求

6.1外觀及附件

被檢固態(tài)電壓標準的外觀應完好，無影響正常工作的機械損傷；附件應齊全，

非首次檢定時應有前次檢定證書。被檢固態(tài)電壓標準的開關、接線柱、輸入輸出

端口應有明確識別標志。

6.2工作正常性檢查

被檢固態(tài)電壓標準的供電電源輸入方式應符合儀器的技術(shù)要求。通電后，儀

器前面板各指示燈應指示正常。當斷開外部電源時，儀器校準指示燈應顯示正常。

7計量器具控制

7.1檢定條件

7.1.1檢定用設備

7.1.1.1約瑟夫森電壓標準

約瑟夫森結(jié)輸出電壓：100mV～10V；

約瑟夫森結(jié)超導臨界電流>60μA；

測量不確定度：110-7，k=2。

3

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7.1.1.2工作標準組

由連續(xù)四年以上經(jīng)約瑟夫森電壓標準檢定的多只固態(tài)電壓標準組成。工作標

準組1V、1.018V和10V輸出電壓平均值的年穩(wěn)定性應優(yōu)于±310-7，100mV

輸出電壓平均值的年穩(wěn)定性應優(yōu)于±210-6。

7.1.1.3數(shù)字電壓表

約瑟夫森電壓標準法和工作標準組法中的差值法對數(shù)字電壓表的量程和允

許誤差的要求如表3所示。

表3差值法對數(shù)字電壓表的量程及允許誤差的要求

量程允許誤差

100mV±610-6

10mV±1.510-5

工作標準組法中的替代法對數(shù)字電壓表的量程和短期穩(wěn)定性的要求如表4

所示。

表4替代法對數(shù)字電壓表的量程及短期穩(wěn)定性的要求

量程短期穩(wěn)定性

10V、1V±510-7

100mV±1.510-6

7.1.1.4指零儀(標準電池法)

量程：10mV～200mV；

測量10V差值引入的不確定度：510-7，k=2

7.1.1.5低熱電勢換向開關

熱電勢：≤50nV。

7.1.1.6電池工作基準組

年穩(wěn)定性：±210-7。

7.1.1.7分壓器

比例不確定度：110-7，k=2。

7.1.1.8輔助電壓源

穩(wěn)定性：±110-7/h。

7.1.2檢定環(huán)境條件

溫度：(202)℃；

4

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相對濕度：30%～65%；

供電電源：電壓(22010)V，頻率(501)Hz；

周圍無影響檢定系統(tǒng)正常工作的電磁干擾和機械振動。

7.2檢定項目及檢定方法

檢定項目見表5

表5檢定項目一覽表

項目名稱首次檢定后續(xù)檢定使用中檢查

固態(tài)電壓標準輸出電壓+++

固態(tài)電壓標準輸出電壓年穩(wěn)定性–+–

固態(tài)電壓標準輸出電壓月穩(wěn)定性+––

注：1．“+”為應檢項目，“–”為可不檢項目；

2．修理后檢定項目與首次檢定項目相同；

3．檢定時以被檢固態(tài)電壓標準說明書的技術(shù)要求為準。

7.2.1外觀及工作正常性檢查

7.2.1.1外觀及附件

用目視法檢查被檢固態(tài)電壓標準的外觀，其結(jié)果應符合第6.1條的規(guī)定。

7.2.1.2工作正常性檢查

所有檢定用設備均需按各自技術(shù)說明書規(guī)定的時間預熱。將被檢固態(tài)電壓標

準接入供電電源，通電后各指示燈應顯示正常，并至少在檢定條件下放置24h。

若校準狀態(tài)指示燈熄滅，應按儀器使用說明書要求恢復校準狀態(tài)后進行檢定。

7.2.2輸出電壓和輸出電壓穩(wěn)定性的檢定

7.2.2.1約瑟夫森電壓標準法

a）輸出電壓

約瑟夫森電壓標準的基本原理是交流約瑟夫森效應，即輸出的量子化臺階電

壓UJ與輻照在約瑟夫森結(jié)上的微波頻率f的關系滿足公式（1）：

UJnJf/KJ（1）

式中：UJ——臺階標號為n的量子電壓，V；

f——輻照在陣列結(jié)上的微波頻率，GHz；

nJ——量子化臺階數(shù)；

KJ——約瑟夫森常數(shù)。

5

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用約瑟夫森電壓標準裝置檢定固態(tài)電壓標準時，采用差值法進行測量，即將

固態(tài)電壓標準的輸出電壓與陣列結(jié)的量子電壓輸出端按圖2連接。從輸出端到其

它儀器的連接應使用低熱電勢屏蔽引線。當儀器和電源地間有電位時或者在使用

長引線連接一個高阻抗負載時，以及在高阻抗環(huán)境中操作時，要使用保護

（GUARD）接線。

++++

約瑟夫森電壓

低熱電勢被檢固態(tài)

標準換向開關電壓標準

----

-+

數(shù)字電壓表

圖2用約瑟夫森電壓標準裝置進行檢定的原理框圖

通過一臺數(shù)字電壓表讀取被檢固態(tài)電壓標準的輸出電壓與陣列結(jié)的量子電

壓輸出端之間的差值并按公式（2）計算出被檢固態(tài)電壓標準的輸出電壓：

UUJU（2）

式中：U——被檢固態(tài)電壓標準的輸出電壓計算值，V；

UJ——量子電壓，V；

ΔU——數(shù)字電壓表測量的量子電壓與被檢固態(tài)電壓標準輸出電壓的

差值。

在測量過程中，應采取必要措施如換向法①、最小二乘法以及通過設定最佳

采樣次數(shù)和采樣時間等措施，以減小固有熱電勢、漂移熱電勢、噪聲等因素對測

量結(jié)果的影響，設定的采樣次數(shù)應能夠滿足檢定要求。

約瑟夫森電壓標準裝置（包括測量電路）應具有良好的屏蔽保護和接地措施,

并遠離強電、磁場,以避免外界電磁場干擾和靜電感應等影響。

檢定步驟如下：

①.按照圖2連接好各測試設備，儀器按規(guī)定時間預熱；

②.約瑟夫森結(jié)裝入低溫測試探桿后，將低溫測試探桿緩慢插入已灌注液氦

的杜瓦瓶中，液氦的液面應能將其淹沒；

③.確認約瑟夫森結(jié)無凍結(jié)磁通現(xiàn)象，其超導臨界電流應能滿足約瑟夫森結(jié)

穩(wěn)定工作的要求；

④.運行約瑟夫森電壓標準檢定程序，根據(jù)程序預先設定的檢定步驟測量被

檢固態(tài)電壓標準輸出電壓U；

⑤.連續(xù)測量3個工作日，將3個工作日的測量結(jié)果進行平均作為被檢固態(tài)

6

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電壓標準輸出電壓的檢定結(jié)果。

b）輸出電壓的穩(wěn)定性

1)輸出電壓的年穩(wěn)定性

對被檢固態(tài)電壓標準每年檢定一次，用第二年的檢定值減去第一年的檢定值

所得到的差值作為當年的輸出電壓年穩(wěn)定性。

2)輸出電壓的月穩(wěn)定性

對被檢固態(tài)電壓標準以30天為周期進行測量，測量工作日不少于15天，用

最小二乘法擬合出漂移曲線，并計算出日漂移率，其月穩(wěn)定性為：

Ums=30Uds（3）

式中：Uds——日漂移率，V/d；

7.2.2.2工作標準組法

a）輸出電壓

1）確定工作標準的預期值

根據(jù)工作標準組中作為工作標準的每一只固態(tài)電壓標準的日漂移率Uds和最

近一次用約瑟夫森電壓標準檢定的日期到當前日期之間的天數(shù)nd，即可通過式

（4）計算出該只固態(tài)電壓標準在此期間的預期值：

Upre=U+nd?Uds（4）

式中：U—―用約瑟夫森電壓標準進行檢定的標準值；

nd—―用約瑟夫森電壓標準進行檢定的日期到當前日期之間的天數(shù)（nd

應小于365天）；

Uds—―將歷年數(shù)據(jù)（一般選取4～6年）用最小二乘法擬合后得出的日

漂移率；

Upre—―工作標準電壓的預期值。

2）差值法檢定輸出電壓

工作標準組差值法檢定固態(tài)電壓標準輸出電壓的接線如圖3所示。

①換向法：在測量直流小電壓時，為了消除熱電勢的影響，可以將測量回路換向，進行正、反向兩次測量，

取平均值，即可消除熱電勢中的固定項。

7

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++++++

低熱電勢低熱電勢被檢固態(tài)

工作標準1

換向開關換向開關電壓標準

------

-+

+

數(shù)字電壓表

工作標準n

-

工作標準組

圖3工作標準組差值法檢定固態(tài)電壓標準

檢定步驟如下：

①.被檢固態(tài)電壓標準在校準狀態(tài)下應在實驗室放置24h以上；

②.將工作標準的預期值Upre作為標準值；

③.按圖3連接被檢固態(tài)電壓標準、工作標準、換向開關和數(shù)字電壓表等，

并進行測量；

④.數(shù)字電壓表穩(wěn)定1min后，讀取其讀數(shù)為U1；

⑤.將被檢固態(tài)電壓標準和工作標準的高端和低端引線反向，再進行測量；

⑥.數(shù)字電壓表穩(wěn)定1min后，讀取其讀數(shù)為U2；

⑦.被檢固態(tài)電壓標準的測量值UiUpre(U1U2)/2；

⑧.按以上方法每只工作標準對被檢固態(tài)電壓標準各檢一遍，其測量值為

ni

，其中為作為工作標準的固態(tài)電壓標準的只數(shù)。

UUi/nini

i1

⑨.連續(xù)測量3個工作日，將3個工作日的測量結(jié)果進行平均作為被檢固態(tài)

電壓標準輸出電壓的檢定結(jié)果。

3）替代法檢定輸出電壓

工作標準組替代法檢定固態(tài)電壓標準輸出電壓的接線如圖4所示。

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++

工作標準n

--

+++

數(shù)字電壓表

工作標準1

-

--

工作標準組

+

被檢固態(tài)電壓

標準

-

圖4工作標準組替代法檢定固態(tài)電壓標準

檢定步驟如下：

①.被檢固態(tài)電壓標準在校準狀態(tài)下應在實驗室放置24h以上；

②.將工作標準的預期值Upre作為標準值；

③.根據(jù)圖4首先用數(shù)字電壓表測量工作標準組中的工作標準，其測量值為

Us；

④.再用數(shù)字電壓表測量被檢固態(tài)電壓標準，其測量值為Ux；

⑤.被檢固態(tài)電壓標準的測量值UiUpre(UsUx)；

⑥.按以上方法將被檢固態(tài)電壓標準分別由其余工作標準各檢定一遍，

ni

則被檢固態(tài)電壓標準的測量值為，其中為作為工作標準

UUi/nini

i1

的固態(tài)電壓標準的只數(shù)。

⑦.連續(xù)測量3個工作日，將3個工作日的測量結(jié)果進行平均作為被檢固態(tài)

電壓標準輸出電壓的檢定結(jié)果。

b）輸出電壓的穩(wěn)定性

同7.2.2.1b）條。

7.2.2.3標準電池法

a）輸出電壓

1）采用10:1分壓器法

由穩(wěn)定電源產(chǎn)生10.186V電壓，通過10:1的分壓器與1.0186V的標準電池

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比較，得到準確的10.186V的量值，用此值校準被檢10V固態(tài)電壓標準。標準電

池法的接線如圖5所示。

+

指零儀2

-

分R10

+壓

穩(wěn)定指零儀1標準電池

器R2+

電壓源EN被檢固態(tài)電壓

-

標準

R-

1

圖5標準電池法檢定固態(tài)電壓標準的原理框圖

檢定步驟如下：

①.被檢固態(tài)電壓標準在實驗室應放置24h，測量時固態(tài)電壓標準一般應使

用內(nèi)部電池供電；

②.校準分壓器，比率不確定度滿足1×10-7/h的要求；

③.按圖5連接被檢固態(tài)電壓標準、標準電池、穩(wěn)定電壓源、分壓器、作為

指零儀的數(shù)字電壓表等，穩(wěn)定電壓源和指零儀預熱2小時后進行測量；

④.由指零儀2讀出標準分壓器兩端的電壓UK與被檢固態(tài)電壓標準UX的差

值，UUU,因UKV，

XKXKEN

則：UKVU（5）

XENX

式中：UX——被檢固態(tài)電壓標準的計算值，V；

K——標準分壓器的分壓系數(shù)；

VEN——標準電池電動勢值，V；

⊿UX——標準分壓器兩端的電壓UK與被檢固態(tài)電壓標準UX之

差，V。

⑤.連續(xù)測量3天，將3天的測量結(jié)果進行平均作為被檢固態(tài)電壓標準輸出

電壓的檢定結(jié)果。

⑥.有關分壓器及指零儀的校準方法見附錄B。

2）采用任意比分壓器法（此方法包含了采用自動電位差計）

由穩(wěn)定電源產(chǎn)生10V電壓，通過分壓器與1.0186V的標準電池比較，得到

準確的10V量值，用此值校準被檢10V固態(tài)電壓標準。接線如圖5所示。

檢定步驟如下：

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①.被檢固態(tài)電壓標準在實驗室應放置24h，測量時固態(tài)電壓標準一般應使

用內(nèi)部電池供電；

②.校準分壓器，比率不確定度滿足1×10-7/h的要求；

③.按圖5連接被檢固態(tài)電壓標準、標準電池、穩(wěn)定電壓源、分壓器、指零

儀等，穩(wěn)定電壓源和指零儀預熱2小時后進行測量；

④.由指零儀2讀出標準分壓器兩端的電壓UK與被檢固態(tài)電壓標準UX的差

值，UUU,因UKV，

XKXKEN

則：UKVU（6）

XENX

式中：UX——被檢固態(tài)電壓標準的測量值，V；

K——標準分壓器的分壓系數(shù)；

VEN——標準電池電動勢值，V；

△UX——標準分壓器兩端的電壓UK與被檢固態(tài)電壓標準UX之

差，V。

⑤.連續(xù)測量3天，將3天的測量結(jié)果進行平均作為被檢固態(tài)電壓標準輸出

電壓的檢定結(jié)果。

⑥.有關分壓器及指零儀的校準方法見附錄B。

b)輸出電壓的穩(wěn)定性

同7.2.2.1.b）條

7.3檢定結(jié)果的處理

按本規(guī)程要求檢定合格的固態(tài)電壓標準，出具檢定證書；檢定不合格的，出

具檢定結(jié)果通知書，并注明不合格項目。檢定證書及檢定結(jié)果通知書格式參見附

錄A。

7.4檢定周期

固態(tài)電壓標準的檢定周期一般為一年。

11

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附錄A

檢定證書和檢定結(jié)果通知書（內(nèi)面）格式

A.1檢定證書（內(nèi)面）格式

A.1.1外觀檢查：

A.1.2電壓測量值：

表A1電壓測量值

擴展不確定度U，k=2

輸出示值輸出實測值rel

（V/V）

10V

1.018V

1V

100mV

A.1.3輸出電壓穩(wěn)定性：

表A2輸出電壓穩(wěn)定性

示值輸出電壓年變化電壓允許年變化

10V

1.018V

1V

100mV

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A.2檢定結(jié)果通知書（內(nèi)面）格式

A.2.1外觀檢查：

A.2.2電壓測量值：

表A1電壓測量值

擴展不確定度U，k=2

輸出示值輸出實測值rel

（V/V）

10V

1.018V

1V

100mV

A.2.3輸出電壓穩(wěn)定性：

表A2輸出電壓穩(wěn)定性

示值輸出電壓年變化電壓允許年變化

10V

1.018V

1V

100mV

A.2.4不合格項：

13

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附錄B

分壓器及指零儀的校準方法

B1分壓器的校準方法

B1.1級聯(lián)式分壓器校準方法

B1.1.1參考電壓法

按圖B1接線，分別用參考電壓UN通過指零儀測出第1段的分壓值UN+ΔU1

和第i段分壓值UN+ΔUi，則被校準分壓器的電壓比例系數(shù)如公式B1所示。

10

(NU)

10UUi1.i

Nii1（B1）

kn101

i1UNU110UN

+

直

流被

標檢

準分參

電壓考

壓器+電

+指零儀-

源壓

源

-

-

圖B1參考電壓法接線圖

B1.1.2專用電橋法

以分壓器的第一段電阻為基準，用專用電橋?qū)в锌烧{(diào)電阻的分壓器的每一

段電阻都調(diào)到與第一段電阻相同，從而得到準確的整數(shù)分壓比率系數(shù)。

B1.2開爾文式分壓器校準方法

開爾文式分壓器校準原理采用的是專用電橋，即以分壓器的第一段電阻為基

準，用專用電橋?qū)в锌烧{(diào)電阻的分壓器的每一段電阻都調(diào)到與第一段電阻相

同，從而得到準確的整數(shù)分壓比率系數(shù)。

14

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B1.3哈蒙分壓器的校準方法

按圖B2接線，校準哈蒙分壓器是基于可串并聯(lián)換接的哈蒙電阻網(wǎng)絡的原理，

校準時把分壓器的上臂分成相等的3組。把它們并聯(lián)起來，形成一個數(shù)值和輸出

電阻器相等的電阻器。這兩個電阻器形成了惠斯登電橋兩個橋臂。電橋的另兩個

橋臂由兩只標準電阻器組成。在電路中的位置可以互相交換。通過調(diào)節(jié)儀器前面

板上的平衡旋鈕使電橋平衡，得到準確的10:1和100:1的比率。

R

R4R3R2R1A

R7R6R5

MR10R9R8

A1AA2

1

2K

圖B2哈蒙分壓器校準接線圖

B1.4電位差計的校準方法

按說明書要求輸入相關參數(shù)，根據(jù)程序預先設定的步驟進行自動校準。

B2指零儀的校準方法

當分壓比為2:11時，K2:11約為0.182，其對1.0186的分壓結(jié)果約為0.185V，

與需要校準的0.186V差值電壓接近