電磁計量學研究進展評述

賀 青，邵海明，梁成斌

(中國計量科學研究院，北京100029)

1 引 言

電磁計量是關于電磁量測量及其應用的學科，是研究和保證電磁量測量準確及量值統(tǒng)一的理論與實踐的計量學分支。電磁計量包括復現(xiàn)電磁學單位量值、建立實物基準、保存單位量值，以及進行電磁學單位量值傳遞的全部工作。

電磁計量是計量科學技術的重要組成部分。電磁計量產生于各種電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程之中，同時又促進了各種電磁現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的進程。人們通過電磁計量所給出的量的概念，確定了各種電磁現(xiàn)象的原理、定律，以及以一些電磁量定義另一些電磁量的相互關系。

直流和低頻領域的電磁計量主要包括直流電量和電阻計量、交流電量計量、交流阻抗計量、高壓和大電流計量以及磁學計量5部分內容。電磁計量的主要內容就是研究電磁物理量的單位復現(xiàn)、量值和頻率擴展技術、測量和校準方法等，建立電磁量的計量基準和在國民經濟中大量使用的電磁測量儀器儀表、量具及參數(shù)的檢定測試標準，進行量值傳遞和統(tǒng)一工作；圍繞科學研究、工業(yè)生產和生活需求，研究電磁測量儀器的設計和制造原理、技術和工藝，開展檢定校準技術和方法，研究測量不確定度各分量的來源及評價方法，制定國際、國家、地方和行業(yè)的計量技術法規(guī)和標準，開展電磁測量儀器的計量檢定、校準、測試服務；參與組織和參加國際和國內比對，在國際互認協(xié)議(MRA)框架體系下，實現(xiàn)電磁校準測量能力的國際等效互認。

電磁量在現(xiàn)代測量技術中有著重要的地位和廣泛的應用，大部分的物理量都需要通過各類傳感器轉化為電磁信號來進行精密測量。電磁計量科學技術伴隨著電磁計量單位的變革而逐漸發(fā)展。20世紀末，中國計量科學研究院通過質子旋磁比γp絕對測量電流和計算電容絕對測量RK，成為采用絕對測量法同時測量約瑟夫森效應常數(shù)KJ和馮·克里青常數(shù)RK并被采納的第一批4個國家計量院(美、英、澳、中)之一，為建立基于KJ-90和RK-90約定值的電磁計量體系做出了重要貢獻。

2005年國際計量委員會(CIPM)提出了重新定義質量單位千克和電流單位安培等4個基本單位的建議，其中電流單位安培建議采用基本電荷e進行重新定義。2018年11月，第26屆國際計量大會(CGPM)通過1號決議，批準采用基本物理常數(shù)e重新定義電流的單位安培。2019年5月20日新SI單位定義開始正式實施。在新SI中，安培根據(jù)基本電荷和時間定義。復現(xiàn)方法不做具體要求，可利用單電子隧道效應，或利用KJ和RK通過歐姆定律來復現(xiàn)，也可以其他物理公式復現(xiàn)。

在新的國際單位制(SI)下，普朗克常數(shù)h、基本電荷e定義為無誤差常數(shù)，KJ=2e/h和RK=h/e2亦為無誤差常數(shù)，KJ-90和RK-90不再使用，電磁計量新體系既消除了原先的非SI電學單位系統(tǒng)，也使電磁計量步入“實物到量子”的嶄新時代。為應對電磁計量單位變革，我國在新型電學量子標準研制，獨立自主研發(fā)量子基標準芯片，提高電磁SI單位復現(xiàn)能力和實現(xiàn)扁平化量值傳遞等領域均開展了卓有成效的研究工作，在主要電磁基標準研究領域，在國際上從“跟跑”逐步發(fā)展到“并跑”，并在部分領域實現(xiàn)了“領跑”。

2 發(fā)展現(xiàn)狀與最新進展

2.1 量子標準及芯片

2.1.1 量子電壓基準

近年來，國際先進計量院在量子電壓及應用研究領域取得了多項突破進展。這些研究的開展，開拓了交流約瑟夫森電壓的應用前景，為交流約瑟夫森電壓的發(fā)展提供了方向。

在直流量子電壓方面，2015年，美國NIST成功研制基于制冷機的10 V可編程量子電壓系統(tǒng)，隨后逐步商業(yè)化[1]；日本AIST、德國PTB等先后成功研制出基于制冷機的可編程量子電壓系統(tǒng)。俄羅斯開展基于制冷機的77 K高溫量子電壓系統(tǒng)，輸出電壓能力0.1～10 V。在交流電壓方面，2015年，美國NIST和德國PTB完成1 V脈沖驅動量子電壓系統(tǒng)的研制[2,3]。隨后，美國NIST于2016年和2018年分別完成了2 V和3 V脈沖驅動量子電壓系統(tǒng)，并成功商業(yè)化。2018年，美國NIST在世界范圍內首次開展可編程量子電壓系統(tǒng)與脈沖驅動系統(tǒng)產生直流電壓的直接比對，比對結果為直流電壓差為3 nV，相對不確定度優(yōu)于10 nV；國際計量局(BIPM)首次使用美國NIST研制的4.2 K和日本AIST研制的10 K條件下10 V可編程約瑟夫森系統(tǒng)進行了比對[4]，結果差值為0.05 nV，不確定度為0.79 nV。

在交流量子電壓領域，中國計量科學研究院正開展可編程交流量子電壓標準的研究[5,6]。為進一步推廣普及量子電壓技術，將約瑟夫森電壓基準裝備到大區(qū)、省級及有需求的實驗室，取代目前普遍裝備的電壓實物標準，中國計量科學研究院正開展基于1 V可編程約瑟夫森結陣的免液氦量子電壓標準的研究。目前從可編程約瑟夫森電壓基準所復現(xiàn)的電壓范圍來看，局限于約0.1 mV至10 V電壓之間。國家自然科學基金面上項目“基于量子基準的微伏量子電壓的研究”于2014年開始立項研究，至2018年底按計劃實現(xiàn)研究目標完成驗收。該研究得到了可直接溯源到量子基準上的百納伏(10-7V)至百微伏(10-4V)量級的低電平量子電壓，其準確度優(yōu)于10-10(V/V)，填補了這一研究領域的空白[7]。另外，首次采用了我國自行設計研制的雙通道超導陣列芯片來復現(xiàn)超低電平的量子電壓[8]。中國計量科學研究院還開展了基于可編程約瑟夫森系統(tǒng)的磁通/互感測量方法研究[9]，通過伏秒差值法，將磁通測量的不確定度從傳統(tǒng)實物基準的10-4的量級改善至10-7量級，可以建立量子磁通基準。

2.1.2 量子電阻基準

近年來，石墨烯在量子電阻基準芯片方面得到廣泛關注，得益于其獨特的電學性質和能帶結構，能夠在低磁場、高溫下實現(xiàn)電阻量子化，展現(xiàn)出在便攜式直流和交流電阻標準方面誘人的應用前景[10]。在石墨烯量子電阻標準研究中，法國國家計量實驗室(LNE)、英國國家物理實驗室(NPL)、美國國家標準技術研究院(NIST)等國外研究機構在石墨烯量子電阻計量芯片的制備水平上遙遙領先[11]。其中NPL于2015年實現(xiàn)在5 T磁場、3.2 K溫度條件下的小型制冷機制冷的磁體系統(tǒng)復現(xiàn)量子電阻值；NIST于2018年在實驗室條件下，研制成基于石墨烯量子電阻的無液氦傳遞系統(tǒng)，測量裝置采用常溫直流電流比較儀電阻電橋(DCC)。

中國計量科學研究院于2016年啟動基于石墨烯量子電阻標準的研究工作，并將低頻電流比較儀電阻電橋的技術應用于新一代便攜式石墨烯量子電阻傳遞裝置中，開展了基于石墨烯量子電阻標準的研究工作，目標是在芯片制備、便攜式傳遞系統(tǒng)研制中打破國外技術壟斷，加速實現(xiàn)量子電阻的扁平化溯源能力。中國計量科學研究院提出一種量子電阻標準器概念，并聯(lián)合國內高校及科研機構對石墨烯量子電阻的制備技術啟動攻關，并于2016年啟動基于石墨烯量子電阻標準的研究工作，在芯片制備、便攜式傳遞系統(tǒng)研制中打破國外技術壟斷，便于在國內迅速推廣。

2.1.3 電學計量用量子芯片

中國計量科學研究院自2011年開始開展用于量子電壓的集成約瑟夫森結陣芯片的研制工作[12]。2015年，已經可以實現(xiàn)500個單層約瑟夫森結的集成[13]。至今，已實現(xiàn)40萬結陣，我國已采用自主芯片實現(xiàn)0.5 V高精度量子電壓輸出，與美國NIST芯片比對差值為5.5×10-10V。設計并實現(xiàn)雙通道微伏量子電壓芯片，使我國率先實現(xiàn)基于一個芯片的差分法微伏量子電壓標準系統(tǒng)。

在量子電阻芯片研制中，基于GaAs/AlGaAs二維電子氣結構[13]，中國計量科學研究院自主研制成功低磁場(<8 T)和高磁場(>10 T)的標準芯片，與國際計量局(BIPM)芯片水平相當，比對差僅為10-9量級[14]。除單個量子化霍爾標準芯片外，中國計量科學研究院研究了十進制整數(shù)值量子霍爾陣列芯片，設計了100 Ω、1 kΩ、100 kΩ和1 MΩ芯片結構[15]，其中1 kΩ芯片霍爾棒數(shù)量29個為國際最少、電流比11.9為國際最小。同時，僅用了12個霍爾單元，也實現(xiàn)了意大利計量院設計[16]的10 kΩ量子電阻。

在石墨烯量子電阻芯片研制領域，得益于Link?ping University的Yakimova R教授團隊在碳化硅(SiC)外延石墨烯制備方面的杰出工作[17]。SiC外延石墨烯成為石墨烯量子霍爾電阻標準芯片的主流材料。英國計量院與Yakimova R團隊合作較早，2015年已經研制了集成石墨烯量子霍爾電阻標準芯片的桌面式無液氦制冷機系統(tǒng)，在3.8 K、5 T時，實現(xiàn)充分量子化[18]；美國NIST也研究了SiC外延石墨烯制備，并使用化學摻雜方式制作了芯片，在3.1 K、9 T運行時，準確度為5×10-9[19]，并在干式制冷機系統(tǒng)上使用二元低溫電流比較儀(BCCC)實現(xiàn)1×10-8的準確度；法國計量院(LNE)使用的SiC高溫化學氣相沉積制作的石墨烯，在5 K、5 T實現(xiàn)1×10-9準確度[20]；其他計量院，如韓國計量院和德國計量院(PTB)也開展了相關工作。國內在SiC外延石墨烯制備方面比較落后，目前山東大學晶體所制備的石墨烯由于載流子濃度過高還不適用于量子霍爾芯片制作，正在優(yōu)化工藝[21]。中國計量科學研究院開展石墨烯研究較早[22]，受限于石墨烯質量問題，至2016年才從Graphensic公司獲得高質量SiC外延石墨烯材料，并在科技部重點專項和儀器專項的支持下開展高性能石墨烯量子霍爾芯片研制，目前研制的芯片樣品可充分實現(xiàn)量子化。

功率基準芯片是毫米波功率計量基準的核心，可實現(xiàn)功率計量系統(tǒng)集成化和小型化，并直接溯源到直流功率。我國是國際上第一個建立基于芯片的毫米波功率標準的國家，且芯片為中國計量科學研究院自主研制，該芯片大大簡化了傳統(tǒng)直流替代結構，直流替代效率高于98%，鑒于此，NIST采用了中國計量科學研究院的方案。目前WR-6和WR-5頻段的功率標準芯片研制已經完成[23]，WR-3頻段的芯片正在研制過程中。

2.2 能量天平

2005年，國際計量委員會起草了關于采用基本物理常數(shù)定義部分SI基本單位的框架草案，建議采用普朗克常數(shù)h重新定義質量單位千克(kg)，并鼓勵有能力的國家級實驗室開展相關科研工作，為重新定義這4個基本單位積累試驗數(shù)據(jù)。

在普朗克常數(shù)h的測量方面，國際上主要有兩種方案：第一種采用電學方案測量普朗克常數(shù)h[24]；第二種是用硅球方案測量阿伏伽德羅常數(shù)NA，進而導出普朗克常數(shù)h。

電學方案在具體實施時主要有3種：1) 國際上普遍采用的功率天平方案(英、美、加、瑞、法、國際計量局、韓國、土耳其等)；2) 我國獨立提出的能量天平方案；3) 新西蘭提出的壓力天平方案。

電學方案的第一種，也是目前較多國家正在采用的“功率天平(Watt Balance/Kibble Balance)”方案，是由英國國家物理實驗室(NPL)的Kibble B P博士提出，后來陸續(xù)被美國、瑞士等國采用。為了應對國際單位制的重大變革，中國計量科學研究院提出了用能量天平法測量普朗克常數(shù)的新方案，其特點是可避免國外方案中動態(tài)測量的困難。在原型試驗裝置研制成功，能量天平方案原理驗證可行的前提下，中國計量科學研究院開展了新一代能量天平裝置的研制[25]。

2017年5月，中國計量科學研究院提交了普朗克常數(shù)的測量結果，不確定度為2.4×10-7(k=1)[26]。自2017年5月提交測量數(shù)據(jù)之后，中國計量科學研究院對能量天平裝置進行了持續(xù)的研究和改進。截止到2018年12月，能量天平裝置的A類相對標準不確定度已經達到5×10-8，為最終建成我國獨立自主的千克單位復現(xiàn)裝置打下了堅實的基礎[27,28]。

2.3 交流電量計量

2.3.1 基于量子電壓的功率和電能基準

電能作為電學計量領域的一個重要物理量，其量值的準確傳遞主要依賴于電壓和電流的精密測量，電流的精密測量又可以轉化為電壓的測量。國際上交流電壓向量子電壓的溯源方法主要有兩種，一種是基于階梯波交流量子電壓的量值傳遞方法，一種是基于正弦交流量子電壓的量值傳遞方法。由于正弦交流量子電壓具有純凈的頻譜分量，2014年來，隨著NIST合成幅值能力達到1 V[2]，為寬頻交流量子電壓的廣泛應用開啟了新的篇章，也使脈沖驅動型交流量子電壓的合成及應用成為了國際研究的前沿和熱點。2018年，澳大利亞國家計量院采用高精度感應分壓器電壓比例技術，實現(xiàn)交流量子電壓在40 Hz～1 kHz時電壓量程向上擴展至120 V[29]。

我國對于基于量子技術的電能量值傳遞方法研究起步較晚，2015年在國家863課題的支持下才開展了相應的技術研究。通過該課題的研究，利用NIST的約瑟夫森結陣，采用平衡三進制算法自主設計了階梯波交流量子電壓生成系統(tǒng)，并采用換向差分測量技術實現(xiàn)了50～400 Hz電壓的量值傳遞，其測量不確定度達到10-6量級[30]。

2.3.2 交直流轉換及寬頻功率計量

在基于熱電轉換原理的交直流轉換技術方面，基于德國PTB和IPHT聯(lián)合研制的5只平面型薄膜多元熱電變換器PMJTC和自行研制的MJTC共同構成我國交流電壓基準參考組。在2016年，基于研制的量程擴展電阻實現(xiàn)了交流電壓量程向上擴展，基于級聯(lián)二進制感應分壓器，實現(xiàn)將交流電壓量程向下擴展[31]。

近年來，國際上非常重視寬頻帶功率基準的研究工作，美國NIST在實現(xiàn)了量子化的功率、電能基準后，已經開始研究頻帶向上擴展的方法。歐洲標準計量協(xié)會(EURAMET)也于2007年啟動了新一代功率電能基準的聯(lián)合研究計劃(JRP)，旨在建立寬頻帶以及瞬態(tài)信號條件下的功率標準。澳大利亞國家計量院在2009年提出了基于功率熱電變換器(thermal power converter，TPC)的方法，將交流功率范圍擴展至200 kHz，在該領域處于領先地位。瑞典和荷蘭國家計量院采用數(shù)字采樣技術用于建立寬頻帶交流功率國家基準。

中國計量科學研究院在2012年完成的四端電阻時間常數(shù)標準，實現(xiàn)了對電流電壓轉換部分的相位溯源; 并在2014年啟動的交流功率國家基準建立的課題中提出了一種基于串并聯(lián)型結構的電阻分壓器及其自校驗方法，解決了電壓比例相位溯源問題; 結合我國已完成的交流電壓和交流電流國家基準，采用數(shù)字采樣技術，2016年完成建立了寬頻帶交流功率國家基準[32]。

2.3.3 新能源及大數(shù)據(jù)電能計量

在新能源電動汽車的發(fā)展和電動汽車充電設施的建設上，中國走在了世界前列。中國計量科學研究院首先研究了電動汽車充電設施直流電能計量技術，實現(xiàn)了在紋波條件下直流電能的準確計量，并研制了直流電能標準裝置，在紋波系數(shù)為5%、紋波頻率小于500 Hz的條件下，電能測量不確定度達到0.01%(k=2)。

在技術研究的基礎上，中國計量科學研究院、國家電網(wǎng)公司及國內其他計量機構共同制訂了充電設施電能國家計量檢定規(guī)程，包括：“電動汽車交流充電樁”國家計量檢定規(guī)程(JJG 1148-2018)，“電動汽車非車載充電機”國家計量檢定規(guī)程(JJG 1149-2018)。這些國家標準及計量檢定規(guī)程指導了充電設施的生產、驗收及檢定。通過中國計量科學研究院建立的標準裝置及制訂的計量規(guī)范，已構建了我國充電設施的電能計量溯源體系。

同時中國計量科學研究院研究了沖擊負荷下電能計量技術[33]。為了提高能源利用效率，在充電計量技術的基礎上，中國電力科學研究院研究了充電設施能效測評技術[34]。電動汽車充電設施的充電對象是動力電池，為支撐充電設施的計量，北京理工大學對電動汽車動力電池特性進行了分析[35]。

智能電網(wǎng)是未來電網(wǎng)重要發(fā)展方向，而作為智能電網(wǎng)基礎的智能電表，其質量好壞對智能電網(wǎng)具有舉足輕重的作用。當前國外電力系統(tǒng)中的電表大數(shù)據(jù)主要應用于電網(wǎng)故障預測、負載分析、電價及居民用電行為分析等方面。美國電力科學研究院利用回歸數(shù)學方法識別變壓器故障；IBM公司利用智能表計的大數(shù)據(jù)對電力用戶的行為特性進行分類；美國托萊多大學、密歇根理工大學科研人員采用支持向量機(SVP)算法、馬爾科夫決策過程算法來分析電網(wǎng)中的偷電竊電現(xiàn)象等。目前國外對利用數(shù)據(jù)進行電能表計量特性分析的研究較少[36]。

當前國內智能電表大數(shù)據(jù)計量技術也逐步開展。中國計量科學研究院開展集群式智能電能表在線計量技術的研究工作，通過智能電能表的數(shù)據(jù)分析，在線計算智能電能表的誤差[37]。通過聚類算法對數(shù)據(jù)進行預處理，之后利用相同時間內流經總表的能量與分表的能量之和相等的關系，對多個時刻采集的數(shù)據(jù)列方程組，方程的解可反映電表的誤差性質，進而進行誤差的在線評估。

2.4 交流阻抗及比率計量

計算電容是電磁計量領域中，除了量子電阻、量子電壓之外的唯一能夠實現(xiàn)10-8測量不確定度的基準裝置，同時其也是交流阻抗(包含電容、電感和交流電阻)的溯源源頭。為了進一步提高計算電容裝置的測量準確度，國際計量局(BIPM)和澳大利亞國家計量院(NMIA)于2001年聯(lián)合研制新一代立式可動屏蔽型計算電容，目標不確定度5.0×10-9。隨后，加拿大國家計量院(NRC)和中國計量科學研究院也相繼加入該國際合作項目。2013年12月，中國計量科學研究院首先完成了整套裝置的研制，實現(xiàn)了20×10-9的測量不確定度[38]。針對最大不確定度來源的端部效應誤差，中國計量科學研究院采用了不同于國外機械補償方法的電補償方案，使得新一代立式計算電容復現(xiàn)電容的測量不確定度改善至1×10-8[39]。2017年，中國計量科學研究院采用本套裝置參加了國際計量委員會電磁咨詢委員會(CCEM)組織的電容國際關鍵比對(CCEM.K4-2017)。比對結果表明，中國復現(xiàn)10 pF電容量值的不確定度最小，10 pF和100 pF的電容比對數(shù)據(jù)均非常接近關鍵比對參考值(KCRV)，其中100 pF偏離參考值的結果在參與比對的8個國家中最小。比對結果標志著我國新一代計算電容及電橋裝置達到世界領先水平，并取得了國際互認[40]。

在交流阻抗領域，交流電阻、電感、電容等參量的準確測量和量值溯源體系的擴展，需要使用以感應耦合比例技術為核心比例臂的電橋法來實現(xiàn)。此外，在交流電測量的其他領域，也需要通過感應耦合比例技術將前端參量轉化至適當?shù)牧恐捣秶M行測量。

要獲得準確的交流比例，主要有兩方面條件的制約：一個是比例器件本身準確度，需要從材料選擇、結構設計以及屏蔽保護等方面進行專門設計；另一個是比例自校準，需要在自校準方案、誤差成因、泄漏補償?shù)确矫孀屑氀芯俊?/p>

目前準確度最高的單盤抽頭式感應分壓器由澳大利亞國家計量院(NMIA)研制，最高工作電壓為1 000 V，工作頻率為50 Hz，比差優(yōu)于2×10-9，角差優(yōu)于2×10-7。中國計量科學研究院研制了八盤組合式感應分壓器[41]，最高工作電壓為1 000 V，工作頻率為50 Hz，比差、角差均優(yōu)于1×10-7。在音頻范圍內，中國計量科學研究院與澳大利亞國家計量院(NMIA)合作的新一代計算電容項目中，作為電橋比例臂的感應分壓器在1 kHz和1 592 Hz校準結果不確定度優(yōu)于5×10-9。

中國計量科學研究院基于分流器和采樣技術，將大電容計量擴展至1 F，頻率范圍50 Hz～1 kHz，電容范圍10 μF～1 F；研制高準確度標準電容器及電容箱[42]，電容范圍1 pF～1 μF，指標±0.000 5%～±0.01%(1 kHz)[43,44]。損耗因數(shù)是電力系統(tǒng)預防性試驗的重要測量參數(shù)，也是評價電容器質量的指標。損耗因數(shù)是微小量，溯源測量需要高準確度的電流比較儀電橋，商用電橋無法滿足溯源需求。因此，中國計量科學研究院以電流比較儀為核心，結合雙級分壓器和分流器技術，優(yōu)化屏蔽接地及內部結構，研制10-6量級的電流比較儀電橋，滿足溯源需求，測量指標達到國際先進水平。

2.5 高壓計量

節(jié)能降耗一直是國家著力推廣的舉措，在節(jié)能降耗能源計量領域，能耗計量技術研究是是評估節(jié)能效果的重要手段。目前歐洲已經頒布了BS EN 50463標準和TECREC 100 001技術推薦，用于列車運行用能測量以及運行用能統(tǒng)計的規(guī)范和驗證。2017年，歐洲標準計量協(xié)會(EURAMET)設立了一個由6個計量組織牽頭，17個單位共同參與的項目“電氣化鐵路系統(tǒng)智能電能管理系統(tǒng)的校準”，開展用于電氣化鐵路電能交換精密測量和系統(tǒng)可靠性監(jiān)控的計量基礎設施研究。中國計量科學研究院開展了列車運行能耗計量技術研究[45]。

作為降低電網(wǎng)能源損耗的關鍵設備，變壓器的效率近年來一直在提升。2018年，EURAMET 啟動了“TrafoLoss”項目，研究工業(yè)變壓器現(xiàn)場損耗校準技術，中國計量科學研究院參加了此項目研究。十三五期間，在國家質量基礎專項支持下，中國計量科學研究院開展了低功率因數(shù)高壓損耗計量技術研究。

為保障航空、航天飛行器及所用材料的耐雷電沖擊性能，以及超高壓直流、交流輸電電網(wǎng)設備的絕緣性能檢驗，相關實驗的雷電沖擊電壓等級已達到兆伏(MV)量級[46]。針對國防安全和高端制造業(yè)對高電壓、陡波前沖擊信號的測量和計量溯源需求，中國計量科學研究院十三五期間圍繞精密測量技術研究及計量標準裝置建立為核心，開展器件的傳遞函數(shù)測量，結合時域和頻域分析技術，建立了700 kV雷電沖擊標準測量系統(tǒng)并申報了國際校準與測量能力(CMC)[47]。

大電流計量方面，在冶金、電力、國防、軍工、重大科學研究等領域，超大電流的計量溯源尚未得到有效解決。針對大電流設備通常存在的體積、重量龐大，安裝、運輸不便等客觀問題，中國計量科學研究院提出了光纖寬帶超大電流傳感及校準技術研究方向。光纖電流傳感技術方案包括偏振測量和干涉測量兩種。

在超大電流光纖傳感技術領域。十三五期間，在國家重大科學儀器設備開發(fā)專項的支持下，中國計量科學研究院開展了光纖寬帶大電流測量儀研制、校準及應用研究工作。通過理論研究，證明了采用橢圓雙折射光纖的電流傳感器具有良好的量程自擴展特性，從而確定了干涉式柔性光纖電流傳感器的總體技術路線[48]。成功研制了光纖寬帶大電流測量儀，測量范圍300 kA，直流、工頻超大電流準確度優(yōu)于0.2%。建立了直流150 kA、工頻50 kA超大電流校準裝置，校準測量能力通過國際同行評審。在不斷提升直流、工頻測量性能的同時，面向國防軍工及重大科學研究領域長脈沖超大電流在線測量的需求，開展了光纖電流傳感器寬頻測量特性的研究工作[49]。研制的光纖寬帶大電流測量儀已應用于國防軍工大型裝備脈沖電焊電流的在線校準。

在局部放電視在電荷量溯源方法和技術的基礎上，積極開展科研、法制和技術交流的工作。中國計量科學研究院開展了基于羅氏線圈局部放電測量儀校準關鍵技術研究，建立并提升了高壓脈沖校準能力。為進一步完善技術法規(guī)，我國制定了JJG1115-2015局部放電校準器檢定規(guī)程，修訂了GB/T 7354-2018高電壓試驗技術-局部放電國家標準。

2.6 磁參量計量

磁計量學主要包括對直流和交流磁感應強度B，磁通量φ，磁矩M和磁場梯度G這些磁參量的定義、復現(xiàn)和量值傳遞等內容。目前的磁計量體系，以基本物理常數(shù)質子旋磁比γp作為基準。量值的復現(xiàn)，是通過工作基準完成的，其中磁感應強度量值采用核磁共振(NMR)技術復現(xiàn)，交流磁感應強度和磁場梯度量值以計算線圈實物基準復現(xiàn)，磁通量和磁矩的量值采用計算線圈比較儀實物基準復現(xiàn)，并向各級標準進行量值傳遞。

在定義方面，近年來最大的變化是國際單位制的修改。質子旋磁比γp的數(shù)值由國際科技數(shù)據(jù)委員會(CODATA)通過對世界范圍內的測量數(shù)據(jù)進行平差，每四年發(fā)布一次最新結果，2014年公布的結果為2.675 221 900(18)×108s-1T-1，相對不確定度達到6.9×10-9。2018年國際單位制迎來深刻變革。在磁學方面，由于真空磁導率μ0不再作為基本物理常數(shù)中的定義量，而是降級為可測量的量[50]，μ0將具有不確定度。因此，歷史上對于質子旋磁比γp的測量值將引入新的μ0的不確定度分量。

在實際量值復現(xiàn)和傳遞工作中，磁感應強度B的量值準確度水平最高，應用領域最為廣泛，近年來該領域的進展也最為迅速。傳統(tǒng)上以基于NMR技術的工作基準較為常見，NMR技術是利用原子核磁矩在磁場中的拉莫爾進動效應進行磁場測量的，因為原子核非常穩(wěn)定，不易受外界溫度、電磁波等干擾，穩(wěn)定性極好，計量學性能優(yōu)異。但是NMR也有其缺點，由于原子核磁矩難于極化，其信號較為微弱，并且會隨著待測磁場的減小而減弱。NMR磁基準的準確度受限于其較低的信噪比。俄羅斯計量院(VNIIM)采用了一種新的基于原子磁共振(AMR)的基準技術，將磁感應強度量值復現(xiàn)的準確度提升到0.03 nT，超越了NMR基準的水平，成為目前準確度最高的磁感應強度復現(xiàn)技術。2013年俄羅斯計量院(VNIIM)和韓國標準科學研究院(KRISS)進行了基于AMR基準的雙邊比對[51]，雙方的磁感應強度基準相對不確定度都達到了0.3×10-6。2017年，中國計量科學研究院又研發(fā)了一種基于激光泵浦的AMR標準磁強計[52]，將AMR磁強計的靈敏度提高了1個數(shù)量級，有望進一步提升AMR磁基準的準確度[53]。

在應用領域，準確性是磁計量學追求的核心目標。在高準確度磁力儀方面，隨著近年來量子精密測量技術的發(fā)展，也出現(xiàn)了很多新的進步。如利用精細結構間的原子共振進行磁測量的HFS磁力儀，可以在消除死區(qū)的同時消除光頻移誤差，在地磁范圍內相對不確定度達到0.5×10-6；相干粒子數(shù)布局囚禁(CPT)磁力儀，具有HFS磁力儀的優(yōu)點，同時不需要復雜的微波技術，非常適合做高精度的航測磁力儀，目前已用于我國的張衡一號地震預測衛(wèi)星[54]。在微型化方面，美國國家標準局(NIST)研制的芯片級磁力儀[55]可以工作在CPT的標量場模式，也可以工作在無自旋交換弛豫(SERF)的矢量場模式，其探頭體積不超過1 cm3，是“NIST-on-a-Chip”計劃的一部分，該計劃的目標是制作各種量值的芯片級量子基準，最終在一個可以商品化的模塊上復現(xiàn)各種可以溯源到基本物理常數(shù)的標準量值，實現(xiàn)從用戶直接到基準的扁平化量值溯源鏈。

3 發(fā)展趨勢及展望

電學基本單位安培的重新定義，將成為電磁計量科學的又一個里程碑，將成為應對21世紀科學技術挑戰(zhàn)的重要支撐。電磁計量科學技術未來發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在如下3個方面。

(一) 電磁計量科學技術將向極限/復雜電磁參量計量方向拓展。

科學技術的迅速發(fā)展使一些極端條件下的計量測試成為深入研究的重要手段，近些年得到了迅速的發(fā)展和普遍的重視。同時大量來自交叉學科領域或基礎電磁參數(shù)之外的復雜參量溯源需求也不斷涌現(xiàn)。

隨著量子標準研究的進一步深入，通過突破傳統(tǒng)的模擬技術和測量方法，開展基于量子技術的極限電磁參量的計量技術研究，有望應用于微弱信號極限技術測量，為極限信號的精密測量提供切實可靠的保障，推動國防、航天等多種前沿科學研究相關領域的發(fā)展。

在弱磁探測領域，開展航空磁力儀校準研究，研究建立基于多種原子磁力儀的“異質穩(wěn)場”的標準磁場裝置，解決在校準原子磁力儀時的共振干擾誤差難題，發(fā)展對航空航天磁測繪領域常用的鉀光泵磁力儀的檢測、校準能力。

在電磁計量領域，未來電磁參量朝著復合參量或復雜信號背景下參量計量發(fā)展。在交流電參量領域實現(xiàn)1 MHz交流電流和交流功率、超低頻電信號、毫伏甚至微伏交流小電壓及毫安甚至微安交流下電流校準或溯源；在高壓大電流領域，滿足超高壓、特高壓交直流電網(wǎng)、城市軌道交通和航空航天領域中，實現(xiàn)關鍵設備的高壓大電流參數(shù)的測量和溯源。在直流電阻及電氣安全領域實現(xiàn)極低阻(10 pΩ～1 μΩ)，微弱電流(10 fA)測量校準能力。實現(xiàn)基于電荷量暫態(tài)電氣參數(shù)、飛行器雷電防護等復雜參數(shù)溯源。

針對新能源及智能電網(wǎng)產業(yè)發(fā)展涌現(xiàn)的復雜電參量溯源需求，開展高壓低功率因素損耗現(xiàn)場校準、光伏發(fā)電并網(wǎng)計量、電動汽車充電設施能效評測、直流大電流充放電計量、超低頻及寬頻電容損耗標準及溯源、儲能超級電容器關鍵參數(shù)測試及溯源技術研究。

(二) 電磁計量科學從傳統(tǒng)實物標準向量子標準的邁進，將解決量值傳遞體系中傳遞鏈過長問題，實現(xiàn)真正意義上的量值扁平化傳遞與溯源。

新SI單位制變革，加速了扁平化新型計量方式的應用，即通過采用基于量子效應的計量標準，提供直接溯源至SI的校準和測量能力，實現(xiàn)對各種傳感器和測量儀器的現(xiàn)場/在線校準，從而大幅提高測量精度和穩(wěn)定性。對于電磁計量，開展新一代量子電學計量標準傳遞技術，以應對電學單位扁平化新型計量方式，顯得尤為突出和緊迫。新材料的應用為未來量子電學標準的推廣和應用起到了決定性作用，大大降低了用戶向量子基準溯源的門檻，使得我國的量子電學基準從“高大上”的國家實驗室走出去“接地氣”，能更好地滿足我國能源工業(yè)、高新技術、精密儀器等各領域的日益增長的需求，具有良好的應用前景，同時拓寬了我國量子電學相關領域的計量校準能力，實現(xiàn)扁平化計量。

下一階段，需進一步優(yōu)化和改進能量天平裝置NIM-2，提升其穩(wěn)定性和重復性；應對量傳扁平化的需求，對能量天平裝置的小型化關鍵技術進行研究。實現(xiàn)電學量子基標準的國產化和小型化，形成具有自主知識產權的免液氦量子電壓標準系統(tǒng)和量子化霍爾電阻標準系統(tǒng)。開展基于量子比例技術的交流電參量量值傳遞體系以及基于量子技術的寬頻功率基準及量值傳遞體系的建立，實現(xiàn)交流電參量向基本物理常數(shù)溯源。

眾多電學相關物理可通過新一代電學量子計量基標準直接溯源至SI單位，這將徹底改變過去依靠實物基準逐級傳遞的計量模式，大幅提高測量準確性和穩(wěn)定性。通過扁平化量值傳遞，可將電學量子標準直接應用于工業(yè)、電力、國防科技、精密儀表等行業(yè)，開展各種傳感器和測量儀器的現(xiàn)場、在線校準，推動多個行業(yè)和領域的科技發(fā)展，進一步提升我國電磁計量科學技術水平。

(三) 基于大數(shù)據(jù)、云計算等新型電磁計量技術的快速發(fā)展。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術迅猛發(fā)展以及扁平化溯源的實現(xiàn)，電磁參量的計量校準自動分析、遠程校準、在線測量的進展，校準將從目前的1對1變?yōu)?對n，甚至n對n的在線計量模式。電磁計量將由單一計量向多元測量轉變。計量結果的存在形式就是計量數(shù)據(jù)，在計量過程中會產生大量的測量數(shù)據(jù)，因此大數(shù)據(jù)、云計算等先進技術的應用也勢在必行?；诖髷?shù)據(jù)的新型計量形式是電磁計量轉向計量服務的一種動向，同樣也是量值傳遞扁平化的又一體現(xiàn)。

目前國內外相關機構都已開始開展電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的研究工作。研究成果仍然比較粗糙，相關的研究和應用多數(shù)仍處在研究和探索階段，國外的研究多集中在電網(wǎng)故障預測、負載分析、電價及居民用電行為分析等方面，對數(shù)據(jù)計量特性的挖掘較少。

將大數(shù)據(jù)和人工智能應用于計量，提高廣泛在用計量器具的檢測效率，降低企業(yè)運營成本，支撐市場監(jiān)管部門對廣泛在用計量設備的有效監(jiān)督，從海量計量數(shù)據(jù)中挖掘指導社會生產和生活的有價值規(guī)律。

國內以中國計量科學研究院和國家電網(wǎng)公司為主的研究機構也開展大數(shù)據(jù)下電能計量的研究工作，目前已取得一些研究成果，但距離實際應用還需要相關探索和實際驗證分析。下一階段需開展泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)計量體系研究及應用，建立面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和新能源領域的新一代先進計量體系平臺，實現(xiàn)大規(guī)模在用計量設備及電力設備的在線計量、遠程校準、性能評價和在線監(jiān)督?；谏鲜銎脚_開展計量大數(shù)據(jù)挖掘和分析研究。

計量是質量的基礎，加快構建以量子計量為基礎的國家現(xiàn)代先進電磁計量體系，將為國家“質量強國”、“中國制造2025”等重大戰(zhàn)略的實施提供有力的技術支撐。