电磁计量学研究进展评述

贺 青，邵海明，梁成斌

(中国计量科学研究院，北京100029)

1 引 言

电磁计量是关于电磁量测量及其应用的学科，是研究和保证电磁量测量准确及量值统一的理论与实践的计量学分支。电磁计量包括复现电磁学单位量值、建立实物基准、保存单位量值，以及进行电磁学单位量值传递的全部工作。

电磁计量是计量科学技术的重要组成部分。电磁计量产生于各种电磁现象的发现过程之中，同时又促进了各种电磁现象发现的进程。人们通过电磁计量所给出的量的概念，确定了各种电磁现象的原理、定律，以及以一些电磁量定义另一些电磁量的相互关系。

直流和低频领域的电磁计量主要包括直流电量和电阻计量、交流电量计量、交流阻抗计量、高压和大电流计量以及磁学计量5部分内容。电磁计量的主要内容就是研究电磁物理量的单位复现、量值和频率扩展技术、测量和校准方法等，建立电磁量的计量基准和在国民经济中大量使用的电磁测量仪器仪表、量具及参数的检定测试标准，进行量值传递和统一工作；围绕科学研究、工业生产和生活需求，研究电磁测量仪器的设计和制造原理、技术和工艺，开展检定校准技术和方法，研究测量不确定度各分量的来源及评价方法，制定国际、国家、地方和行业的计量技术法规和标准，开展电磁测量仪器的计量检定、校准、测试服务；参与组织和参加国际和国内比对，在国际互认协议(MRA)框架体系下，实现电磁校准测量能力的国际等效互认。

电磁量在现代测量技术中有着重要的地位和广泛的应用，大部分的物理量都需要通过各类传感器转化为电磁信号来进行精密测量。电磁计量科学技术伴随着电磁计量单位的变革而逐渐发展。20世纪末，中国计量科学研究院通过质子旋磁比γp绝对测量电流和计算电容绝对测量RK，成为采用绝对测量法同时测量约瑟夫森效应常数KJ和冯·克里青常数RK并被采纳的第一批4个国家计量院(美、英、澳、中)之一，为建立基于KJ-90和RK-90约定值的电磁计量体系做出了重要贡献。

2005年国际计量委员会(CIPM)提出了重新定义质量单位千克和电流单位安培等4个基本单位的建议，其中电流单位安培建议采用基本电荷e进行重新定义。2018年11月，第26届国际计量大会(CGPM)通过1号决议，批准采用基本物理常数e重新定义电流的单位安培。2019年5月20日新SI单位定义开始正式实施。在新SI中，安培根据基本电荷和时间定义。复现方法不做具体要求，可利用单电子隧道效应，或利用KJ和RK通过欧姆定律来复现，也可以其他物理公式复现。

在新的国际单位制(SI)下，普朗克常数h、基本电荷e定义为无误差常数，KJ=2e/h和RK=h/e2亦为无误差常数，KJ-90和RK-90不再使用，电磁计量新体系既消除了原先的非SI电学单位系统，也使电磁计量步入“实物到量子”的崭新时代。为应对电磁计量单位变革，我国在新型电学量子标准研制，独立自主研发量子基标准芯片，提高电磁SI单位复现能力和实现扁平化量值传递等领域均开展了卓有成效的研究工作，在主要电磁基标准研究领域，在国际上从“跟跑”逐步发展到“并跑”，并在部分领域实现了“领跑”。

2 发展现状与最新进展

2.1 量子标准及芯片

2.1.1 量子电压基准

近年来，国际先进计量院在量子电压及应用研究领域取得了多项突破进展。这些研究的开展，开拓了交流约瑟夫森电压的应用前景，为交流约瑟夫森电压的发展提供了方向。

在直流量子电压方面，2015年，美国NIST成功研制基于制冷机的10 V可编程量子电压系统，随后逐步商业化[1]；日本AIST、德国PTB等先后成功研制出基于制冷机的可编程量子电压系统。俄罗斯开展基于制冷机的77 K高温量子电压系统，输出电压能力0.1～10 V。在交流电压方面，2015年，美国NIST和德国PTB完成1 V脉冲驱动量子电压系统的研制[2,3]。随后，美国NIST于2016年和2018年分别完成了2 V和3 V脉冲驱动量子电压系统，并成功商业化。2018年，美国NIST在世界范围内首次开展可编程量子电压系统与脉冲驱动系统产生直流电压的直接比对，比对结果为直流电压差为3 nV，相对不确定度优于10 nV；国际计量局(BIPM)首次使用美国NIST研制的4.2 K和日本AIST研制的10 K条件下10 V可编程约瑟夫森系统进行了比对[4]，结果差值为0.05 nV，不确定度为0.79 nV。

在交流量子电压领域，中国计量科学研究院正开展可编程交流量子电压标准的研究[5,6]。为进一步推广普及量子电压技术，将约瑟夫森电压基准装备到大区、省级及有需求的实验室，取代目前普遍装备的电压实物标准，中国计量科学研究院正开展基于1 V可编程约瑟夫森结阵的免液氦量子电压标准的研究。目前从可编程约瑟夫森电压基准所复现的电压范围来看，局限于约0.1 mV至10 V电压之间。国家自然科学基金面上项目“基于量子基准的微伏量子电压的研究”于2014年开始立项研究，至2018年底按计划实现研究目标完成验收。该研究得到了可直接溯源到量子基准上的百纳伏(10-7V)至百微伏(10-4V)量级的低电平量子电压，其准确度优于10-10(V/V)，填补了这一研究领域的空白[7]。另外，首次采用了我国自行设计研制的双通道超导阵列芯片来复现超低电平的量子电压[8]。中国计量科学研究院还开展了基于可编程约瑟夫森系统的磁通/互感测量方法研究[9]，通过伏秒差值法，将磁通测量的不确定度从传统实物基准的10-4的量级改善至10-7量级，可以建立量子磁通基准。

2.1.2 量子电阻基准

近年来，石墨烯在量子电阻基准芯片方面得到广泛关注，得益于其独特的电学性质和能带结构，能够在低磁场、高温下实现电阻量子化，展现出在便携式直流和交流电阻标准方面诱人的应用前景[10]。在石墨烯量子电阻标准研究中，法国国家计量实验室(LNE)、英国国家物理实验室(NPL)、美国国家标准技术研究院(NIST)等国外研究机构在石墨烯量子电阻计量芯片的制备水平上遥遥领先[11]。其中NPL于2015年实现在5 T磁场、3.2 K温度条件下的小型制冷机制冷的磁体系统复现量子电阻值；NIST于2018年在实验室条件下，研制成基于石墨烯量子电阻的无液氦传递系统，测量装置采用常温直流电流比较仪电阻电桥(DCC)。

中国计量科学研究院于2016年启动基于石墨烯量子电阻标准的研究工作，并将低频电流比较仪电阻电桥的技术应用于新一代便携式石墨烯量子电阻传递装置中，开展了基于石墨烯量子电阻标准的研究工作，目标是在芯片制备、便携式传递系统研制中打破国外技术垄断，加速实现量子电阻的扁平化溯源能力。中国计量科学研究院提出一种量子电阻标准器概念，并联合国内高校及科研机构对石墨烯量子电阻的制备技术启动攻关，并于2016年启动基于石墨烯量子电阻标准的研究工作，在芯片制备、便携式传递系统研制中打破国外技术垄断，便于在国内迅速推广。

2.1.3 电学计量用量子芯片

中国计量科学研究院自2011年开始开展用于量子电压的集成约瑟夫森结阵芯片的研制工作[12]。2015年，已经可以实现500个单层约瑟夫森结的集成[13]。至今，已实现40万结阵，我国已采用自主芯片实现0.5 V高精度量子电压输出，与美国NIST芯片比对差值为5.5×10-10V。设计并实现双通道微伏量子电压芯片，使我国率先实现基于一个芯片的差分法微伏量子电压标准系统。

在量子电阻芯片研制中，基于GaAs/AlGaAs二维电子气结构[13]，中国计量科学研究院自主研制成功低磁场(<8 T)和高磁场(>10 T)的标准芯片，与国际计量局(BIPM)芯片水平相当，比对差仅为10-9量级[14]。除单个量子化霍尔标准芯片外，中国计量科学研究院研究了十进制整数值量子霍尔阵列芯片，设计了100 Ω、1 kΩ、100 kΩ和1 MΩ芯片结构[15]，其中1 kΩ芯片霍尔棒数量29个为国际最少、电流比11.9为国际最小。同时，仅用了12个霍尔单元，也实现了意大利计量院设计[16]的10 kΩ量子电阻。

在石墨烯量子电阻芯片研制领域，得益于Linköping University的Yakimova R教授团队在碳化硅(SiC)外延石墨烯制备方面的杰出工作[17]。SiC外延石墨烯成为石墨烯量子霍尔电阻标准芯片的主流材料。英国计量院与Yakimova R团队合作较早，2015年已经研制了集成石墨烯量子霍尔电阻标准芯片的桌面式无液氦制冷机系统，在3.8 K、5 T时，实现充分量子化[18]；美国NIST也研究了SiC外延石墨烯制备，并使用化学掺杂方式制作了芯片，在3.1 K、9 T运行时，准确度为5×10-9[19]，并在干式制冷机系统上使用二元低温电流比较仪(BCCC)实现1×10-8的准确度；法国计量院(LNE)使用的SiC高温化学气相沉积制作的石墨烯，在5 K、5 T实现1×10-9准确度[20]；其他计量院，如韩国计量院和德国计量院(PTB)也开展了相关工作。国内在SiC外延石墨烯制备方面比较落后，目前山东大学晶体所制备的石墨烯由于载流子浓度过高还不适用于量子霍尔芯片制作，正在优化工艺[21]。中国计量科学研究院开展石墨烯研究较早[22]，受限于石墨烯质量问题，至2016年才从Graphensic公司获得高质量SiC外延石墨烯材料，并在科技部重点专项和仪器专项的支持下开展高性能石墨烯量子霍尔芯片研制，目前研制的芯片样品可充分实现量子化。

功率基准芯片是毫米波功率计量基准的核心，可实现功率计量系统集成化和小型化，并直接溯源到直流功率。我国是国际上第一个建立基于芯片的毫米波功率标准的国家，且芯片为中国计量科学研究院自主研制，该芯片大大简化了传统直流替代结构，直流替代效率高于98%，鉴于此，NIST采用了中国计量科学研究院的方案。目前WR-6和WR-5频段的功率标准芯片研制已经完成[23]，WR-3频段的芯片正在研制过程中。

2.2 能量天平

2005年，国际计量委员会起草了关于采用基本物理常数定义部分SI基本单位的框架草案，建议采用普朗克常数h重新定义质量单位千克(kg)，并鼓励有能力的国家级实验室开展相关科研工作，为重新定义这4个基本单位积累试验数据。

在普朗克常数h的测量方面，国际上主要有两种方案：第一种采用电学方案测量普朗克常数h[24]；第二种是用硅球方案测量阿伏伽德罗常数NA，进而导出普朗克常数h。

电学方案在具体实施时主要有3种：1) 国际上普遍采用的功率天平方案(英、美、加、瑞、法、国际计量局、韩国、土耳其等)；2) 我国独立提出的能量天平方案；3) 新西兰提出的压力天平方案。

电学方案的第一种，也是目前较多国家正在采用的“功率天平(Watt Balance/Kibble Balance)”方案，是由英国国家物理实验室(NPL)的Kibble B P博士提出，后来陆续被美国、瑞士等国采用。为了应对国际单位制的重大变革，中国计量科学研究院提出了用能量天平法测量普朗克常数的新方案，其特点是可避免国外方案中动态测量的困难。在原型试验装置研制成功，能量天平方案原理验证可行的前提下，中国计量科学研究院开展了新一代能量天平装置的研制[25]。

2017年5月，中国计量科学研究院提交了普朗克常数的测量结果，不确定度为2.4×10-7(k=1)[26]。自2017年5月提交测量数据之后，中国计量科学研究院对能量天平装置进行了持续的研究和改进。截止到2018年12月，能量天平装置的A类相对标准不确定度已经达到5×10-8，为最终建成我国独立自主的千克单位复现装置打下了坚实的基础[27,28]。

2.3 交流电量计量

2.3.1 基于量子电压的功率和电能基准

电能作为电学计量领域的一个重要物理量，其量值的准确传递主要依赖于电压和电流的精密测量，电流的精密测量又可以转化为电压的测量。国际上交流电压向量子电压的溯源方法主要有两种，一种是基于阶梯波交流量子电压的量值传递方法，一种是基于正弦交流量子电压的量值传递方法。由于正弦交流量子电压具有纯净的频谱分量，2014年来，随着NIST合成幅值能力达到1 V[2]，为宽频交流量子电压的广泛应用开启了新的篇章，也使脉冲驱动型交流量子电压的合成及应用成为了国际研究的前沿和热点。2018年，澳大利亚国家计量院采用高精度感应分压器电压比例技术，实现交流量子电压在40 Hz～1 kHz时电压量程向上扩展至120 V[29]。

我国对于基于量子技术的电能量值传递方法研究起步较晚，2015年在国家863课题的支持下才开展了相应的技术研究。通过该课题的研究，利用NIST的约瑟夫森结阵，采用平衡三进制算法自主设计了阶梯波交流量子电压生成系统，并采用换向差分测量技术实现了50～400 Hz电压的量值传递，其测量不确定度达到10-6量级[30]。

2.3.2 交直流转换及宽频功率计量

在基于热电转换原理的交直流转换技术方面，基于德国PTB和IPHT联合研制的5只平面型薄膜多元热电变换器PMJTC和自行研制的MJTC共同构成我国交流电压基准参考组。在2016年，基于研制的量程扩展电阻实现了交流电压量程向上扩展，基于级联二进制感应分压器，实现将交流电压量程向下扩展[31]。

近年来，国际上非常重视宽频带功率基准的研究工作，美国NIST在实现了量子化的功率、电能基准后，已经开始研究频带向上扩展的方法。欧洲标准计量协会(EURAMET)也于2007年启动了新一代功率电能基准的联合研究计划(JRP)，旨在建立宽频带以及瞬态信号条件下的功率标准。澳大利亚国家计量院在2009年提出了基于功率热电变换器(thermal power converter，TPC)的方法，将交流功率范围扩展至200 kHz，在该领域处于领先地位。瑞典和荷兰国家计量院采用数字采样技术用于建立宽频带交流功率国家基准。

中国计量科学研究院在2012年完成的四端电阻时间常数标准，实现了对电流电压转换部分的相位溯源; 并在2014年启动的交流功率国家基准建立的课题中提出了一种基于串并联型结构的电阻分压器及其自校验方法，解决了电压比例相位溯源问题; 结合我国已完成的交流电压和交流电流国家基准，采用数字采样技术，2016年完成建立了宽频带交流功率国家基准[32]。

2.3.3 新能源及大数据电能计量

在新能源电动汽车的发展和电动汽车充电设施的建设上，中国走在了世界前列。中国计量科学研究院首先研究了电动汽车充电设施直流电能计量技术，实现了在纹波条件下直流电能的准确计量，并研制了直流电能标准装置，在纹波系数为5%、纹波频率小于500 Hz的条件下，电能测量不确定度达到0.01%(k=2)。

在技术研究的基础上，中国计量科学研究院、国家电网公司及国内其他计量机构共同制订了充电设施电能国家计量检定规程，包括：“电动汽车交流充电桩”国家计量检定规程(JJG 1148-2018)，“电动汽车非车载充电机”国家计量检定规程(JJG 1149-2018)。这些国家标准及计量检定规程指导了充电设施的生产、验收及检定。通过中国计量科学研究院建立的标准装置及制订的计量规范，已构建了我国充电设施的电能计量溯源体系。

同时中国计量科学研究院研究了冲击负荷下电能计量技术[33]。为了提高能源利用效率，在充电计量技术的基础上，中国电力科学研究院研究了充电设施能效测评技术[34]。电动汽车充电设施的充电对象是动力电池，为支撑充电设施的计量，北京理工大学对电动汽车动力电池特性进行了分析[35]。

智能电网是未来电网重要发展方向，而作为智能电网基础的智能电表，其质量好坏对智能电网具有举足轻重的作用。当前国外电力系统中的电表大数据主要应用于电网故障预测、负载分析、电价及居民用电行为分析等方面。美国电力科学研究院利用回归数学方法识别变压器故障；IBM公司利用智能表计的大数据对电力用户的行为特性进行分类；美国托莱多大学、密歇根理工大学科研人员采用支持向量机(SVP)算法、马尔科夫决策过程算法来分析电网中的偷电窃电现象等。目前国外对利用数据进行电能表计量特性分析的研究较少[36]。

当前国内智能电表大数据计量技术也逐步开展。中国计量科学研究院开展集群式智能电能表在线计量技术的研究工作，通过智能电能表的数据分析，在线计算智能电能表的误差[37]。通过聚类算法对数据进行预处理，之后利用相同时间内流经总表的能量与分表的能量之和相等的关系，对多个时刻采集的数据列方程组，方程的解可反映电表的误差性质，进而进行误差的在线评估。

2.4 交流阻抗及比率计量

计算电容是电磁计量领域中，除了量子电阻、量子电压之外的唯一能够实现10-8测量不确定度的基准装置，同时其也是交流阻抗(包含电容、电感和交流电阻)的溯源源头。为了进一步提高计算电容装置的测量准确度，国际计量局(BIPM)和澳大利亚国家计量院(NMIA)于2001年联合研制新一代立式可动屏蔽型计算电容，目标不确定度5.0×10-9。随后，加拿大国家计量院(NRC)和中国计量科学研究院也相继加入该国际合作项目。2013年12月，中国计量科学研究院首先完成了整套装置的研制，实现了20×10-9的测量不确定度[38]。针对最大不确定度来源的端部效应误差，中国计量科学研究院采用了不同于国外机械补偿方法的电补偿方案，使得新一代立式计算电容复现电容的测量不确定度改善至1×10-8[39]。2017年，中国计量科学研究院采用本套装置参加了国际计量委员会电磁咨询委员会(CCEM)组织的电容国际关键比对(CCEM.K4-2017)。比对结果表明，中国复现10 pF电容量值的不确定度最小，10 pF和100 pF的电容比对数据均非常接近关键比对参考值(KCRV)，其中100 pF偏离参考值的结果在参与比对的8个国家中最小。比对结果标志着我国新一代计算电容及电桥装置达到世界领先水平，并取得了国际互认[40]。

在交流阻抗领域，交流电阻、电感、电容等参量的准确测量和量值溯源体系的扩展，需要使用以感应耦合比例技术为核心比例臂的电桥法来实现。此外，在交流电测量的其他领域，也需要通过感应耦合比例技术将前端参量转化至适当的量值范围进行测量。

要获得准确的交流比例，主要有两方面条件的制约：一个是比例器件本身准确度，需要从材料选择、结构设计以及屏蔽保护等方面进行专门设计；另一个是比例自校准，需要在自校准方案、误差成因、泄漏补偿等方面仔细研究。

目前准确度最高的单盘抽头式感应分压器由澳大利亚国家计量院(NMIA)研制，最高工作电压为1 000 V，工作频率为50 Hz，比差优于2×10-9，角差优于2×10-7。中国计量科学研究院研制了八盘组合式感应分压器[41]，最高工作电压为1 000 V，工作频率为50 Hz，比差、角差均优于1×10-7。在音频范围内，中国计量科学研究院与澳大利亚国家计量院(NMIA)合作的新一代计算电容项目中，作为电桥比例臂的感应分压器在1 kHz和1 592 Hz校准结果不确定度优于5×10-9。

中国计量科学研究院基于分流器和采样技术，将大电容计量扩展至1 F，频率范围50 Hz～1 kHz，电容范围10 μF～1 F；研制高准确度标准电容器及电容箱[42]，电容范围1 pF～1 μF，指标±0.000 5%～±0.01%(1 kHz)[43,44]。损耗因数是电力系统预防性试验的重要测量参数，也是评价电容器质量的指标。损耗因数是微小量，溯源测量需要高准确度的电流比较仪电桥，商用电桥无法满足溯源需求。因此，中国计量科学研究院以电流比较仪为核心，结合双级分压器和分流器技术，优化屏蔽接地及内部结构，研制10-6量级的电流比较仪电桥，满足溯源需求，测量指标达到国际先进水平。

2.5 高压计量

节能降耗一直是国家着力推广的举措，在节能降耗能源计量领域，能耗计量技术研究是是评估节能效果的重要手段。目前欧洲已经颁布了BS EN 50463标准和TECREC 100 001技术推荐，用于列车运行用能测量以及运行用能统计的规范和验证。2017年，欧洲标准计量协会(EURAMET)设立了一个由6个计量组织牵头，17个单位共同参与的项目“电气化铁路系统智能电能管理系统的校准”，开展用于电气化铁路电能交换精密测量和系统可靠性监控的计量基础设施研究。中国计量科学研究院开展了列车运行能耗计量技术研究[45]。

作为降低电网能源损耗的关键设备，变压器的效率近年来一直在提升。2018年，EURAMET 启动了“TrafoLoss”项目，研究工业变压器现场损耗校准技术，中国计量科学研究院参加了此项目研究。十三五期间，在国家质量基础专项支持下，中国计量科学研究院开展了低功率因数高压损耗计量技术研究。

为保障航空、航天飞行器及所用材料的耐雷电冲击性能，以及超高压直流、交流输电电网设备的绝缘性能检验，相关实验的雷电冲击电压等级已达到兆伏(MV)量级[46]。针对国防安全和高端制造业对高电压、陡波前冲击信号的测量和计量溯源需求，中国计量科学研究院十三五期间围绕精密测量技术研究及计量标准装置建立为核心，开展器件的传递函数测量，结合时域和频域分析技术，建立了700 kV雷电冲击标准测量系统并申报了国际校准与测量能力(CMC)[47]。

大电流计量方面，在冶金、电力、国防、军工、重大科学研究等领域，超大电流的计量溯源尚未得到有效解决。针对大电流设备通常存在的体积、重量庞大，安装、运输不便等客观问题，中国计量科学研究院提出了光纤宽带超大电流传感及校准技术研究方向。光纤电流传感技术方案包括偏振测量和干涉测量两种。

在超大电流光纤传感技术领域。十三五期间，在国家重大科学仪器设备开发专项的支持下，中国计量科学研究院开展了光纤宽带大电流测量仪研制、校准及应用研究工作。通过理论研究，证明了采用椭圆双折射光纤的电流传感器具有良好的量程自扩展特性，从而确定了干涉式柔性光纤电流传感器的总体技术路线[48]。成功研制了光纤宽带大电流测量仪，测量范围300 kA，直流、工频超大电流准确度优于0.2%。建立了直流150 kA、工频50 kA超大电流校准装置，校准测量能力通过国际同行评审。在不断提升直流、工频测量性能的同时，面向国防军工及重大科学研究领域长脉冲超大电流在线测量的需求，开展了光纤电流传感器宽频测量特性的研究工作[49]。研制的光纤宽带大电流测量仪已应用于国防军工大型装备脉冲电焊电流的在线校准。

在局部放电视在电荷量溯源方法和技术的基础上，积极开展科研、法制和技术交流的工作。中国计量科学研究院开展了基于罗氏线圈局部放电测量仪校准关键技术研究，建立并提升了高压脉冲校准能力。为进一步完善技术法规，我国制定了JJG1115-2015局部放电校准器检定规程，修订了GB/T 7354-2018高电压试验技术-局部放电国家标准。

2.6 磁参量计量

磁计量学主要包括对直流和交流磁感应强度B，磁通量φ，磁矩M和磁场梯度G这些磁参量的定义、复现和量值传递等内容。目前的磁计量体系，以基本物理常数质子旋磁比γp作为基准。量值的复现，是通过工作基准完成的，其中磁感应强度量值采用核磁共振(NMR)技术复现，交流磁感应强度和磁场梯度量值以计算线圈实物基准复现，磁通量和磁矩的量值采用计算线圈比较仪实物基准复现，并向各级标准进行量值传递。

在定义方面，近年来最大的变化是国际单位制的修改。质子旋磁比γp的数值由国际科技数据委员会(CODATA)通过对世界范围内的测量数据进行平差，每四年发布一次最新结果，2014年公布的结果为2.675 221 900(18)×108s-1T-1，相对不确定度达到6.9×10-9。2018年国际单位制迎来深刻变革。在磁学方面，由于真空磁导率μ0不再作为基本物理常数中的定义量，而是降级为可测量的量[50]，μ0将具有不确定度。因此，历史上对于质子旋磁比γp的测量值将引入新的μ0的不确定度分量。

在实际量值复现和传递工作中，磁感应强度B的量值准确度水平最高，应用领域最为广泛，近年来该领域的进展也最为迅速。传统上以基于NMR技术的工作基准较为常见，NMR技术是利用原子核磁矩在磁场中的拉莫尔进动效应进行磁场测量的，因为原子核非常稳定，不易受外界温度、电磁波等干扰，稳定性极好，计量学性能优异。但是NMR也有其缺点，由于原子核磁矩难于极化，其信号较为微弱，并且会随着待测磁场的减小而减弱。NMR磁基准的准确度受限于其较低的信噪比。俄罗斯计量院(VNIIM)采用了一种新的基于原子磁共振(AMR)的基准技术，将磁感应强度量值复现的准确度提升到0.03 nT，超越了NMR基准的水平，成为目前准确度最高的磁感应强度复现技术。2013年俄罗斯计量院(VNIIM)和韩国标准科学研究院(KRISS)进行了基于AMR基准的双边比对[51]，双方的磁感应强度基准相对不确定度都达到了0.3×10-6。2017年，中国计量科学研究院又研发了一种基于激光泵浦的AMR标准磁强计[52]，将AMR磁强计的灵敏度提高了1个数量级，有望进一步提升AMR磁基准的准确度[53]。

在应用领域，准确性是磁计量学追求的核心目标。在高准确度磁力仪方面，随着近年来量子精密测量技术的发展，也出现了很多新的进步。如利用精细结构间的原子共振进行磁测量的HFS磁力仪，可以在消除死区的同时消除光频移误差，在地磁范围内相对不确定度达到0.5×10-6；相干粒子数布局囚禁(CPT)磁力仪，具有HFS磁力仪的优点，同时不需要复杂的微波技术，非常适合做高精度的航测磁力仪，目前已用于我国的张衡一号地震预测卫星[54]。在微型化方面，美国国家标准局(NIST)研制的芯片级磁力仪[55]可以工作在CPT的标量场模式，也可以工作在无自旋交换弛豫(SERF)的矢量场模式，其探头体积不超过1 cm3，是“NIST-on-a-Chip”计划的一部分，该计划的目标是制作各种量值的芯片级量子基准，最终在一个可以商品化的模块上复现各种可以溯源到基本物理常数的标准量值，实现从用户直接到基准的扁平化量值溯源链。

3 发展趋势及展望

电学基本单位安培的重新定义，将成为电磁计量科学的又一个里程碑，将成为应对21世纪科学技术挑战的重要支撑。电磁计量科学技术未来发展趋势主要体现在如下3个方面。

(一) 电磁计量科学技术将向极限/复杂电磁参量计量方向拓展。

科学技术的迅速发展使一些极端条件下的计量测试成为深入研究的重要手段，近些年得到了迅速的发展和普遍的重视。同时大量来自交叉学科领域或基础电磁参数之外的复杂参量溯源需求也不断涌现。

随着量子标准研究的进一步深入，通过突破传统的模拟技术和测量方法，开展基于量子技术的极限电磁参量的计量技术研究，有望应用于微弱信号极限技术测量，为极限信号的精密测量提供切实可靠的保障，推动国防、航天等多种前沿科学研究相关领域的发展。

在弱磁探测领域，开展航空磁力仪校准研究，研究建立基于多种原子磁力仪的“异质稳场”的标准磁场装置，解决在校准原子磁力仪时的共振干扰误差难题，发展对航空航天磁测绘领域常用的钾光泵磁力仪的检测、校准能力。

在电磁计量领域，未来电磁参量朝着复合参量或复杂信号背景下参量计量发展。在交流电参量领域实现1 MHz交流电流和交流功率、超低频电信号、毫伏甚至微伏交流小电压及毫安甚至微安交流下电流校准或溯源；在高压大电流领域，满足超高压、特高压交直流电网、城市轨道交通和航空航天领域中，实现关键设备的高压大电流参数的测量和溯源。在直流电阻及电气安全领域实现极低阻(10 pΩ～1 μΩ)，微弱电流(10 fA)测量校准能力。实现基于电荷量暂态电气参数、飞行器雷电防护等复杂参数溯源。

针对新能源及智能电网产业发展涌现的复杂电参量溯源需求，开展高压低功率因素损耗现场校准、光伏发电并网计量、电动汽车充电设施能效评测、直流大电流充放电计量、超低频及宽频电容损耗标准及溯源、储能超级电容器关键参数测试及溯源技术研究。

(二) 电磁计量科学从传统实物标准向量子标准的迈进，将解决量值传递体系中传递链过长问题，实现真正意义上的量值扁平化传递与溯源。

新SI单位制变革，加速了扁平化新型计量方式的应用，即通过采用基于量子效应的计量标准，提供直接溯源至SI的校准和测量能力，实现对各种传感器和测量仪器的现场/在线校准，从而大幅提高测量精度和稳定性。对于电磁计量，开展新一代量子电学计量标准传递技术，以应对电学单位扁平化新型计量方式，显得尤为突出和紧迫。新材料的应用为未来量子电学标准的推广和应用起到了决定性作用，大大降低了用户向量子基准溯源的门槛，使得我国的量子电学基准从“高大上”的国家实验室走出去“接地气”，能更好地满足我国能源工业、高新技术、精密仪器等各领域的日益增长的需求，具有良好的应用前景，同时拓宽了我国量子电学相关领域的计量校准能力，实现扁平化计量。

下一阶段，需进一步优化和改进能量天平装置NIM-2，提升其稳定性和重复性；应对量传扁平化的需求，对能量天平装置的小型化关键技术进行研究。实现电学量子基标准的国产化和小型化，形成具有自主知识产权的免液氦量子电压标准系统和量子化霍尔电阻标准系统。开展基于量子比例技术的交流电参量量值传递体系以及基于量子技术的宽频功率基准及量值传递体系的建立，实现交流电参量向基本物理常数溯源。

众多电学相关物理可通过新一代电学量子计量基标准直接溯源至SI单位，这将彻底改变过去依靠实物基准逐级传递的计量模式，大幅提高测量准确性和稳定性。通过扁平化量值传递，可将电学量子标准直接应用于工业、电力、国防科技、精密仪表等行业，开展各种传感器和测量仪器的现场、在线校准，推动多个行业和领域的科技发展，进一步提升我国电磁计量科学技术水平。

(三) 基于大数据、云计算等新型电磁计量技术的快速发展。

随着互联网技术迅猛发展以及扁平化溯源的实现，电磁参量的计量校准自动分析、远程校准、在线测量的进展，校准将从目前的1对1变为1对n，甚至n对n的在线计量模式。电磁计量将由单一计量向多元测量转变。计量结果的存在形式就是计量数据，在计量过程中会产生大量的测量数据，因此大数据、云计算等先进技术的应用也势在必行。基于大数据的新型计量形式是电磁计量转向计量服务的一种动向，同样也是量值传递扁平化的又一体现。

目前国内外相关机构都已开始开展电网大数据的研究工作。研究成果仍然比较粗糙，相关的研究和应用多数仍处在研究和探索阶段，国外的研究多集中在电网故障预测、负载分析、电价及居民用电行为分析等方面，对数据计量特性的挖掘较少。

将大数据和人工智能应用于计量，提高广泛在用计量器具的检测效率，降低企业运营成本，支撑市场监管部门对广泛在用计量设备的有效监督，从海量计量数据中挖掘指导社会生产和生活的有价值规律。

国内以中国计量科学研究院和国家电网公司为主的研究机构也开展大数据下电能计量的研究工作，目前已取得一些研究成果，但距离实际应用还需要相关探索和实际验证分析。下一阶段需开展泛在电力物联网的大数据计量体系研究及应用，建立面向泛在电力物联网和新能源领域的新一代先进计量体系平台，实现大规模在用计量设备及电力设备的在线计量、远程校准、性能评价和在线监督。基于上述平台开展计量大数据挖掘和分析研究。

计量是质量的基础，加快构建以量子计量为基础的国家现代先进电磁计量体系，将为国家“质量强国”、“中国制造2025”等重大战略的实施提供有力的技术支撑。