示波器电流探头校准规范指南
一、适用范围
本规范适用于频带宽度不超过200MHz的示波器电流探头的校准工作。对于带宽超过200MHz的探头，其校准过程可参照本规范执行。
二、探头概述与校准目的
示波器电流探头是进行电流时域测量的关键附件。其核心在于探头测量端集成的电流感应变换器（通常基于霍尔效应或罗氏线圈原理）。该探头能够同时测量直流和交流电流，具备高精度、宽带宽、高分辨率的特点（响应时间可达纳秒级），可精准、快速地捕获动态电流波形。
在探头额定量程内，它通过感应导线周围的磁通场，将其线性转换为电压信号输出，供示波器或其他测量仪器显示与分析。为确保其测量结果的准确性、可靠性和溯源性，定期的校准至关重要。
三、校准环境与设备要求
(一) 环境条件
- 温度： (20 ± 5) ℃
- 相对湿度： ≤ 75%
- 环境干扰： 校准区域应避免显著影响测量的电磁干扰和机械振动。
(二) 主要校准设备
校准工作需依赖以下具备相应性能的设备：
- 标准电流源：
- 输出电流范围需覆盖被校电流探头的全部测量范围。
- 输出电流准确度至少优于被校探头准确度指标的 1/3。例如，若探头标称准确度为 ±3%，电流源准确度需优于 ±1%。
- 需具备满足校准要求的稳定度和电流调节细度。
- 数字多用表 (DMM)：
- 用于精确测量探头输出的直流电压。
- 其直流电压测量准确度需优于被校探头直流增益（或衰减系数）误差限的 1/3。例如，若探头直流增益误差为 ±1%，DMM 准确度应优于 ±0.33%。
- 分辨率需满足微小电压变化的测量需求。
- 示波器：
- 带宽需大于被校电流探头标称带宽的 1.5倍。例如，校准100MHz探头需使用带宽>150MHz的示波器。
- 垂直灵敏度（或增益）准确度需优于被校探头直流增益误差限的 1/3。
- 连接线缆：
- 连接标准电流源、电流探头和测量仪器（DMM/示波器）的线缆需具备优良的电气性能。
- 线缆本身引入的附加误差应可忽略不计。
四、校准项目与方法详解
(一) 外观及基本功能性检查
- 外观检查： 探头外壳、标识（型号、量程、序列号等）、连接器应完好无损、无变形；标识清晰可辨。夹持机构开合顺畅，磁芯表面应无明显磨损或变形。
- 基本功能验证： 将探头正确连接至兼容的示波器并通电。确认示波器能自动识别探头类型（或手动设置正确）。在无输入电流情况下，观察示波器显示的基线应稳定，无明显漂移或噪声干扰。
(二) 直流衰减系数（灵敏度）校准
- 目的： 验证探头将直流电流转换为直流电压的比例（即衰减系数 Kd）的准确性。
- 方法：
- 按图连接：标准电流源输出 → 被校电流探头 → DMM (测量电压)。
- 设定标准电流源输出一个稳定且精确的直流电流值 (Is)，例如 1A（通常在探头量程中间值附近选择）。
- 记录 DMM 测量的探头实际输出电压值 (Uo)。
- 计算理论输出电压： Ut = Is × Kd (Kd 为探头标称衰减系数，单位常为 V/A 或 mV/A)。
- 计算直流衰减系数误差：
δd = [(Uo - Ut) / Ut] × 100%
(三) 交流电流测量精度校准
- 目的： 评估探头在规定频率下测量交流电流幅值的准确度。
- 方法：
- 设置标准电流源输出正弦交流电流，频率 (f) 通常为 1kHz 或按探头说明书指定。电流有效值 (Irms) 建议设定在被校量程的 50% 左右（例如，10A 量程选 5Arms）。
- 将被校探头连接到示波器。
- 在示波器上观察电流波形，适当调节垂直灵敏度（V/div）和时基（s/div），获得清晰稳定的波形显示。
- 使用示波器的自动测量功能或光标测量，读取并记录其显示的交流电流有效值 (Io)。 (注意：确保示波器设置考虑了探头衰减比)
- 计算交流电流测量误差：
δa = [(Io - Irms) / Irms] × 100%
(四) 直流电流线性度校准
- 目的： 检验探头在整个直流测量范围内输出电压与输入电流的线性关系。
- 方法：
- 连接方式同“(二)直流衰减系数校准”（电流源→探头→DMM）。
- 从零电流开始，以适当的步长（如量程的10%）阶梯式增加标准电流源的直流输出电流 (Is)，直至达到探头的满量程值。记录每个电流点对应的 DMM 测量值 (Uo)。
- 根据探头的标称衰减系数 (Kd)，计算每个 Is 点对应的理论输出电压 Ut = Is × Kd。
- 绘制曲线： 以理论输出电压 (Ut) 为横轴，实际输出电压 (Uo) 为纵轴（或直接绘制 Uo vs Is 曲线，并与理想直线比较）。
- 找出曲线偏离理想直线（或 Ut）偏差最大的点。
- 该点的误差计算方法与直流衰减系数误差相同，作为探头的直流电流线性度误差。
(五) 频带宽度 (-3dB 带宽) 校准
- 目的： 确定探头能够正常工作且幅度响应下降不超过 -3dB 的最高频率。
- 方法：
- 按图连接：标准电流源输出 → 被校电流探头 → 示波器。
- 设定标准电流源输出一个幅度恒定的正弦交流电流。
- 从低频（或直流）开始，连续或步进式增加电流源的输出频率 (f)。
- 在示波器上持续监测探头输出的正弦波电压幅度 (Vout)。
- 记录在低频点（或直流点）的参考幅度值 (Vref)。
- 缓慢增加频率，直至观察到输出电压幅度 Vout 下降至 Vref 的 0.707 倍（即 -3dB 点）。
- 此时标准电流源的输出频率即为该电流探头的-3dB 频带宽度 (Bandwidth)。
(六) 上升时间测量
- 目的： 评估探头对快速电流瞬变的响应速度。
- 方法：
- 连接方式同“(五)频带宽度校准”（电流源→探头→示波器）。
- 设置标准电流源输出一个具有极快上升沿的脉冲电流信号（如阶跃或方波）。
- 在示波器上捕获并显示该脉冲电流波形。调整时基，使上升沿充分展开。
- 使用示波器的自动上升时间测量功能或手动光标测量，精确测定波形幅度从 10% 上升到 90% 所需的时间。
- 此测量结果即为该电流探头的上升时间 (Rise Time)。
五、校准结果与证书
校准结束后，应出具校准证书。证书内容需清晰包含：
- 各校准项目的实测结果（如衰减系数、交流测量值、带宽、上升时间等）。
- 计算得到的示值误差（δd, δa, 线性度最大误差）。
- 校准结果的不确定度评估报告（适用时）。
- 明确的校准结论：
- 若所有项目误差均在探头规定的最大允许误差范围内，结论为“合格”。
- 若存在不合格项目，结论应为“不合格”，并明确指出不合格的具体项目及其超差情况。
六、复校间隔建议
- 推荐复校周期： 1年。
- 调整依据： 使用单位可根据设备的实际使用频率、工作环境的严酷程度以及历史校准数据的稳定性，酌情缩短或延长复校间隔。
- 最长间隔： 复校间隔不宜超过2年。
- 特殊情况： 若在使用过程中发现探头功能异常、遭受物理损伤（如跌落、挤压）或对测量结果产生怀疑，应立即停止使用并安排重新校准。