一种齐纳电压、精密电阻漂移特性测量方法和装置与流程

本发明涉及电子器件参数漂移特性测量，具体涉及一种齐纳电压、精密电阻漂移特性测量方法和装置。

背景技术：

1、测控技术是航天器的关键技术之一，测量是控制的基础，电测量和非电测量通常都要转换为对电压信号的测量，电阻通常用于实现电压放大、衰减、电流的i/v转换等，也可直接作为温度等测量的标准器。频率作为控制基准已有共识。因此航天器和精密仪表中的测控基准通常为频率基准、电压基准和电阻基准，其对技术指标具有决定作用，需要准确的标定。其中频率基准已用原子钟实现了量子频标，得到广泛应用，但是电压基准和电阻基准的测量准确度成为制约航天器和精密仪表技术指标的短板。

2、齐纳电压基准和精密电阻基准具有漂移特性，长时间使用或环境条件不良会导致其电压值和电阻值发生变化，长期漂移量一般用每年变化的相对值来表示,如10-6/年或ppm/年，是有规律可循的一个长期而缓慢的变化。齐纳电压基准和精密电阻基准的漂移特性会导致航天器和精密仪表中电路性能的下降，影响测控的准确度，影响航天器和精密仪表的运行寿命。对于长期运行的航天器不仅需要准确测量其齐纳电压基准和精密电阻基准，还需预测出多年之后的漂移量。

3、常规的考核方式为每年需将被测齐纳电压基准、精密电阻器件送至专业计量机构检定，通过两年的测试数据对比计算得到年漂移量，指标低、周期长。通过实验测试获得的齐纳电压和精密电阻的漂移数据，是一种具有多特征复杂离散数据，具有不确定性和非线性特性，采用传统数值分析拟合方法拟合效果不够充分，预测效果局限性明显。

4、约瑟夫森效应(见图1)和量子化霍尔效应(见图2)的发现，使得建立直流量子电压和直流量子电阻基准得以实现。量子计量标准的特性是把计量单位的定义与基本物理常数相联系。由于基本物理常数是不变的，因此定义的计量单位极为稳定，不会随着时间空间的变化而发生改变，也不因具体实现手段的进步而变化，技术指标相较于传统实物

5、标准的技术指标提高了2～3个数量级。

6、在统计学习理论不断发展的趋势下，基于大数据的机器学习方法脱颖而出，可以在输入输出关系未知的情况下，通过函数训练得到描述输入输出关系的数学方程(见图3)。采用量子测量手段和高准确度传递装置可在短时间内测得齐纳电压基准和精密电阻基准的漂移特性，基于其大量的测试数据可以训练得到齐纳电压基准和精密电阻基准长期漂移特性预测模型，解决目前考核指标低、周期长，无法预测长期漂移量的问题。但是，现有技术中还没有将量子电学标准平台与长期漂移特性预测模型等结合起来以更高的效率实现对齐纳电压、精密电阻漂移特性的测量和有效预测长期漂移量。

7、现有技术中的相关实际情况存在以下问题：

8、(1)常规考核齐纳电压基准、精密电阻器件年稳定性的方法为定期将被测器件送至专业计量机构检定，通过多年的测试数据对比计算得到长期漂移量，技术指标低、考核周期长。

9、(2)通过实验测试获得的齐纳电压和精密电阻的漂移数据，是一种具有多特征复杂离散数据，具有不确定性和非线性特性，采用传统数值分析拟合方法拟合效果不够充分，预测效果局限性明显。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种齐纳电压、精密电阻漂移特性测量方法和装置，通过将量子电学标准平台和高准确度传递装置与长期漂移特性预测模型等结合起来，有利于以更高的效率实现对齐纳电压、精密电阻漂移特性的测量和有效预测长期漂移量，从而为航天器和精密仪表的质控提供技术支撑。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种齐纳电压、精密电阻漂移特性测量装置，其特征在于，包括集成化量子电学标准平台，高准确度传递装置，控温装置，和长期漂移特性预测模型；所述集成化量子电学标准平台包括量子电阻标准模块，和量子电压标准模块；所述高准确度传递装置包括高准确度传递电桥，和高准确度分压器；所述控温装置内包括待测的精密电阻器件，和待测的齐纳电压器件；所述高准确度分压器分别连接所述量子电压标准和所述齐纳电压器件，并将测试得到的所述齐纳电压器件的电压值传输到所述长期漂移特性预测模型，所述长期漂移特性预测模型输出针对所述齐纳电压器件的电压值长期漂移量；所述高准确度传递电桥分别连接所述量子电阻标准模块和所述精密电阻器件，并将测试得到的所述精密电阻器件的电阻值传输到所述长期漂移特性预测模型，所述长期漂移特性预测模型输出针对所述精密电阻器件的电阻值长期漂移量。

4、所述量子电阻标准在超低温强磁环境下复现电阻量值rh＝12906.4037ω，相对不确定度在10-8量级，所述量子电阻标准选择可复现量子化霍尔效应的半导体材料，所述半导体材料是砷化镓材料或石墨烯材料。

5、所述量子电压标准在超低温零磁环境下合成电压量值vj＝10mv～1v，相对不确定度在10-8量级，所述量子电压标准选择可编程约瑟夫森电压基准或脉冲驱动型约瑟夫森电压基准。

6、所述高准确度传递电桥选择低温电流比较仪ccc电桥或直流电流比较仪dcc电桥，用于测得量子电阻标准和被测精密电阻器件的比例值，准确度在10-8量级，分辨力在10-9量级。

7、所述高准确度分压器采用精密电阻器组成，用于调节量子电压标准复现的电压量值的幅度，分压比是10：1～100:1，准确度在10-8量级。

8、所述控温装置用于为被测器件提供测试所需恒温环境，温度控制在20℃±0.1℃。

9、所述长期漂移特性预测模型为基于机器学习的数学模型，包括若干输入层节点以输入被训练数据，若干隐含层节点以对输入的被训练数据进行训练，若干个输出层节点以输出对应输入数据的结果数据，所述被训练数据包括温度系数、气压系数、功率系数、湿度系数、和稳定性数据，所述结果数据是漂移量数据，训练次数上限设置为10000，学习率为0.1，所述数学模型中包括trainlm函数作为学习函数，tansig正切函数作为输入层到隐含层的转移函数，以及purelin线性函数作为隐含层到输出层的转移函数。

10、所述长期漂移特性预测模型包括以下的一种或组合：最小二乘法模型，神经网络模型，支持向量机模型，极限学习机模型。

11、一种齐纳电压、精密电阻漂移特性测量方法，其特征在于，采用上述齐纳电压、精密电阻漂移特性测量装置。

12、包括以下步骤：

13、步骤1，启用所述集成化量子电学标准平台复现标准量值vj和rh，vj＝10mv～1v，rh＝12906.4037ω，启用所述控温装置，设定测量上限值m，m是大于1的整数，测量次数初始值i＝1；

14、步骤2，使用量子电压基准和高准确度分压器测试齐纳电压器件的电压值，重复测量5组取平均值v1；

15、步骤3，使用量子电阻基准和高准确度传递电桥测试精密电阻器件的电阻值，重复测量5组取平均值r1；

16、步骤4，测量次数加1，判断当前测量次数是否大于测量上限值m，如大于m，则执行步骤5，若小于等于m，则返回步骤2，以得到v2～vm，和r2～rm；

17、步骤5，基于测试数据v1，…，vm和r1，…，rm，训练长期漂移特性预测模型，计算得到长期漂移量。

18、本发明的技术效果如下：本发明一种齐纳电压、精密电阻漂移特性测量方法和装置，采用量子测量手段测量齐纳电压器件、精密电阻器件漂移特性，能够提高测量准确度，采用机器学习的方法建立长期漂移特性预测模型，能够预测长期漂移量，有利于为航天器和精密仪表的质控提供技术支撑。

19、本发明具有以下特点：

20、(1)针对传统测量手段技术指标低的问题，本发明提出采用量子电压基准和量子电阻基准测量齐纳电压器件、精密电阻器件的漂移特性。约瑟夫森效应和量子化霍尔效应的发现，使得电压和电阻单位的定义与基本物理常数相联系。由于基本物理常数是不变的，因此定义的计量单位极为稳定，不会随着时间空间的变化而发生改变，也不因具体实现手段的进步而变化，技术指标相较于传统实物标准的技术指标提高了2个数量级。

21、(2)针对传统拟合法预测效果差的问题，本发明提出采用机器学习法建立长期漂移特性预测模型。基于大数据的机器学习方法可以在输入输出关系未知的情况下，通过函数训练得到描述输入输出关系的数学方程。采用量子测量手段和高准确度传递装置可在短时间内测得齐纳电压基准和精密电阻基准的漂移数据，基于其大量的测试数据可以训练得到齐纳电压基准和精密电阻基准长期漂移特性预测模型，可仅通过十余天的测量结果预测年漂移量，效率提高30倍。