徜徉在科研的乐园——访“交流高频大电流国家基准”项目负责人张江涛

■文/本刊记者 施京京

徜徉在科研的乐园
——访“交流高频大电流国家基准”项目负责人张江涛

■文/本刊记者 施京京

个人简介 张江涛，1972年生，中国计量科学研究院电学与量子科学研究所研究员，全国仪器仪表学会电磁测量分会理事，国家电磁计量委员会委员。作为访问学者分别在法国国家电工研究中心(LCIE)、德国联邦物理研究院（PTB）分别工作了6个月。2010年度国家科技进步奖二等奖“交流高频大电流国家基准”项目负责人和主要研究人员。2010年获亚太计量组织Lizuka青年科学家奖。2010年10月，被国家质检总局评为“科技兴检”先进工作者。

中国计量科学研究院电学量子所的交流电量实验室，对于张江涛来说是个熟悉如家的地方。这个空间几乎被大小仪器、蔓延的电线、自制的电子元件等充满，似乎意味着这是沉浸其中的研究者们的乐园。张江涛和他的工作伙伴们，在这里不仅找到了无限乐趣，而且将用智慧和汗水凝聚的研究成果带向世界，为国际电磁计量领域做出了重要贡献。谈起获得国家科技进步奖二等奖的“交流高频大电流国家基准”项目时，张江涛娓娓道来，并如同展示宝贝一样捧出他们精心制作的小巧的互感器，脸上流露出一抹童真的笑容。

创新的火花

2005年6月，在西班牙马德里举行的欧洲计量委员会交直流转换专家会议上，一位中国学者的研究报告引起了各国同行的强烈关注。在他的报告中，首次提出了在交流高频大电流国家基准研究中，采用与国际上普遍采用的方法完全不同的新方法，同时凭借技术方案上的优势解决了国际上长期无法解决的技术难题。报告结束后，来自各国的专家纷纷向他表示祝贺，因为在计量研究领域，十分重视研究成果对国际社会的贡献。这位学者，就是来自中国计量科学研究院的张江涛。

建立交流高频大电流国家基准是近年来国际研究的一个热点问题。随着电子技术的不断发展，航空航天电子设备、军工产品中的运载工具、移动军事装备、航海装置等都对重量和体积有着严格的要求，高频大电流的设备体积小、重量轻、稳定可靠，新一代航空航天及军工产品的研制都把注意力转向高频变换以及大电流供电。此外，在高频冶炼、电力电子以及医疗设备安全等方面，高频大电流的使用也相当广泛。上个世纪90年代，美国航空航天局（NASA)的校准实验室首先提出高频大电流的校准需求，美国国家科学技术研究院（NIST）首先研制成功了高频大电流源，输出能力上限达到100A，100kHz，但NIST为校准该电流源所研制的大电流分流器标准存在频响不好、稳定性差等问题，无法为该电流源提供可靠的校准溯源。近年来，只有奥地利计量院（BEV）研制的同轴结构大电流分流器的校准能力达到了100A，100kHz，很多国家纷纷购置该分流器用于建立各国的高频大电流国家基准。

在我国，航天国防事业的快速发展和节能减排工作迫切需要尽快建立交流高频大电流国家基准。因此，2004年，中国计量科学研究院凭借国家社会公益研究专项科技基础条件平台的支持，启动了建立高频大电流国家基准的项目，张江涛被任命为该项目的负责人，与汇集着老中青科研力量的团队展开了接近3年的刻苦攻关。

在张江涛看来，课题的展开建立在老一辈科研工作者积累的成果上，而这也给了他无限的动力。“计量院的老前辈们刚来时，我国还处于困难时期，所有的东西都刚刚建立，他们查不到国外资料，也没有什么电子元件，都需要通过最原始的方法来解决问题，尽管如此，他们做出了很多成果，达到了国际领先，这些积累的方法与现在的测量领域结合可以得到很好的效果。同时，看到他们在自己的研究领域继续坚持开拓，也深深鼓励着我，感觉到传承的责任。”这份责任感不仅让张江涛和他的团队不辞辛苦积极投入到课题中，也令他们对研究的兴趣不断加深，碰撞出了一串串创新的火花。

在国际上，无论美国NIST还是奥地利BEV都是研制同轴大电流分流器以建立高频大电流国家基准至100A，100kHz，分流器的方案存在的缺点是由于电阻发热严重，稳定性不好，而且由于分流器散热方面的限制，尺寸很大，频响在高频时非常不好，为了克服这些缺点，对分流器的结构设计和加工工艺都有极高的要求。“为何不利用互感器建立高频大电流基准呢？互感器的方法可等效看作互感式交流电阻，相比分流器方法发热功率可降低几十倍，由于不用担心发热的问题，体积和重量也可以大幅度减小。”想法提出来，但是连张江涛自己都不能确定能否成功——频率范围到20kHz时，运用这种方法是没问题的，但到100kHz时真的可以吗？这种方案事实上存在着很多技术难点，例如高频结构设计、负载过重……他们尝试着改变同轴结构，通过反复实验，在国际上首次实现了高频互感器方案。

2004年某天，德国联邦物理研究院，在这里进行学术交流的张江涛拿着刚做完的看似粗糙的模型，来到该院电学处直流及低频组组长Manfred Klonz博士的办公室，向他介绍了自己的想法，Manfred Klonz好奇地问：“这样真的行吗？”因为相比于PTB的“大块头”分流器，这个互感器真的太小了！而当测试结果出来时，他大为惊讶——这个“小家伙”能获得很好的频率响应。2005年6月，张江涛在马德里会议上报告了他们的研究成果后，这位组长发来邮件写道：“你在交流大电流研究方面做了相当好的研究工作，非常感谢你出色的贡献，同时我也看到你在马德里会议上的报告给国际同行留下了深刻的印象。”

2006年年底，“交流高频大电流国家基准”项目完成，项目在关键技术上具有多项重大创新：采取了与国际上完全不同的独立自主的互感器方案建立了我国交流高频大电流国家基准；研制了交直流差可计算的交流电阻，提供了我国独立的交流电流溯源根基；研制了二进制电抗分流器，在传递过程中避免了国际上的方法中低电位不一致的问题，消除了此项重要的不确定度分量；在传递过程方面，从10mA到100A只需简单的4步，相比国际广泛采用的至少13步，极大地降低了传递过程造成的不确定度积累；测量速度和稳定性远优于国际上采用的交直流转换法。研究成果得到了国际同行的广泛认可，大电流分流器的研制者、奥地利计量院的Garcocz Martin博士在看到张江涛他们的新方法与分流器的比对结果后，感叹道：“我要做的评论是，你们的方法为我的误差计算提供了一种完全独立的评估！”

攻克技术难点

在创新的过程中，张江涛和他的团队逐一攻克着技术上的难点，电流系数是引起电流交直流转换测量最大的一项不确定度来源，也是张江涛和他的团队在研究过程中遇到的最大难点。在国际使用的方法中，交流电流的量程扩展主要是通过分流器和热电变换器组合后，在接近半量程电流下校准，然后在满量程电流下假设其交直流差不变进行逐级传递。然而分流器的交直流差是否在半量程和满量程下完全相等？这一直是国际上广泛关注却无法解决的难题。

“我们有着自己的想法和计划，但没有得到理想的结果之前，我们所经历的都是不断发现和解决问题的过程。”张江涛说，每当遇到问题时，他们都一起讨论，在实验中如果发现测量结果偏差大，唯一的解决办法就是找出原因克服掉，再次测量。在研究电流系数的测量方法时，他们发现若频率超过20kHz，由于电容电位等影响，测量结果偏差很大，尝试了各种实验还是无法解决——这是他们最艰难的时期，每天都在一遍遍地改变线路状态，把所有可能的影响因素都分析一遍，连续一个月每天都工作到晚上12点半，不论在实验室还是家里，满脑子思考的都是解决方法……后来，他们尝试用二进制电抗分流器的方法对电流系数进行了测量，测量结果达到了技术指标，在国际上首次实现了电阻分流器交直流差电流系数的绝对测量！这项研究成果在国际权威杂志IEEE2010年第一期上发表，对世界各国国家基准不确定度的重新评价具有重要贡献。“问题的未解决和解决，说起来只是几句话，但当得到理想的测试结果时，心里非常开心，觉得踏实和放松了，可以喘口气好好吃饭了。”张江涛笑着说，“这就是做科研的乐趣！”

在兴趣中坚持

在课题组里，有一些新来的年轻人，团结的气氛和不言放弃的研究精神也影响了他们。“张老师让我们学到，做科研要有责任感，他对我们说得最多的，就是一定要把手中的任务做好。”课题组27岁的潘仙林说。张江涛这种在科研中的坚持让他印象深刻，他记得张老师总对组里的年轻人说：“作为研究人员，最重要不是你的学历，而是要对研究有兴趣，这会支持你不断坚持去克服各种难题。”

交流高频大电流国家基准的建立至今已经成功地为我国航天科技集团公司第五研究院第514研究所、工业和信息化部电子第五研究所赛宝计量检测中心等科研单位提供了可靠的校准服务，同时为我国冶金、电力等行业提供了重要的技术支持，为提高能源使用效率及节能减排做出了重要贡献。新的交流电流国家基准的建立也为今后参加国际关键性比对、保证与国际量值的统一，提高我国产品的质量，增加其国际竞争力奠定了技术基础。该项目的研究成果已经应用于2008年国际计量校准能力(CMC)的申报，并通过了国际专家评审，使我国成为国际上为数不多的大电流校准能力达到100A，100kHz的国家。

目前，张江涛他们又投入到了高频功率国家技术的研究中，将已有的科研成果再进行改进，不仅要考虑原来的比差，还要结合角度误差一起考虑。在新的任务和难题面前，他们保持着好奇心和冲劲，将继续在这片研究的乐园中开拓下去！