1、第第8 8章章 各種物理量的測試計量各種物理量的測試計量（上）（上） 時間頻率計量所包括的基標準和頻率源、測量比對技術(shù)、信號的傳遞、相關(guān)的材料等知識在相當廣泛的科學技術(shù)領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。 8.1 8.1 時間頻率計量測試時間頻率計量測試8.1.1 基本概念基本概念 1. 世界時 2. 歷書時 3. 原子時 太陽日通過天文觀測所定出的太陽日。 每個視太陽日的長短不等，其中最長的和最短視太陽日之差會達51s。 平太陽日全年每個視太陽日的平均值。 世界時UT（Universal Time): 1s=平太陽日(1/86 400) 1. 世界時 歸算到零時區(qū)的世界標準時(格林威治平太陽時)，其起點

2、為1858年11月17日0時。 由于地球自轉(zhuǎn)的非均勻性，不同年度的世界時秒長不一致，精度：10-8。 格林威治天文臺始建于1675年，位于英國首都倫敦的格林威治。1884年，經(jīng)過這個天文臺的子午線被確定為全球的時間和經(jīng)度計量的標準參考子午線，也稱為本初子午線，即零度經(jīng)線。 格林威治天文臺初建之時，目的在于精確地觀測月球和恒星，幫助航海家確定經(jīng)度。現(xiàn)它已經(jīng)發(fā)展為英國的一個綜合性光學天文臺。1999年12月28日，一種新的時間系統(tǒng)格林威治電子時間（GET）正式誕生，它將為全球電子商務提供一個時間標準。而原有的格林威治時間（GMT）仍將保留，作為21世紀的世界標準時間。相關(guān)知識鏈接相關(guān)知識鏈接 2.

3、 歷書時 天體出現(xiàn)在理論上預測的位置時的瞬時時間。 1960年第十一屆國際計量大會采納基于地球公轉(zhuǎn)周期的歷書時ET秒定義：“秒為1900年1月1日0時歷書時12時起算的回歸年的1/31 556 925.9747?！?基于天文觀測的歷書時精度約為10-9。 3. 原子時 原子躍遷時發(fā)射的電磁波的頻率穩(wěn)定性相當高，是時間計量的最好手段。 1967年第十三屆國際計量大會通過新的原子時秒的定義：“秒是與銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷相對應的輻射的9 192 631 770個周期的持續(xù)時間?！?原子時AT起點：1958年1月1日0時。 原子時精度已經(jīng)達到10-15 。 日本研發(fā)比銫原子鐘精確日

4、本研發(fā)比銫原子鐘精確10001000倍的光晶格鐘倍的光晶格鐘 日本東大科學家香取秀俊主持研究的 “光晶格鐘”，可能成為新的全球計時標準?！肮饩Ц耒姟币炎鳛樾乱淮隅姷暮蜻x被推薦給國際度量衡委員會。 “光晶格鐘”以曾獲諾貝爾物理學獎的“光梳”技術(shù)為基礎(chǔ)?！肮馐帷睋碛幸幌盗蓄l率均勻分布的頻譜。很象梳子上的齒或一根尺子上的刻度，可用來測定未知頻譜的具體頻率，其精確度已達小數(shù)點后15位。當用紅色激光冷卻的超低溫鍶原子封閉到被稱為“光晶格”的“容器”里時，原子的各種外來擾動被消除，可以充當鐘的振蕩器。每天僅誤差10-18（理論分析值）,比現(xiàn)在的銫原子鐘精確1000倍。除用來測量時間外，由于還對重力影響

5、極其敏感，可用于驗證廣義相對論。相關(guān)知識鏈接相關(guān)知識鏈接8.1.2 8.1.2 時間頻率標準時間頻率標準時間頻率標準精密種，音叉，高穩(wěn)定度石英晶體振蕩和各種原子頻率標準。在時間頻率計量中應用最多的是晶體振蕩器。同時它也是各類原子頻標構(gòu)成的基礎(chǔ)之一。1 1原子頻標的基本原理原子頻標的基本原理 原子和分子躍遷頻率 f 為： h普朗克常數(shù)； E 躍遷能級間的能量差。 原子或分子受到激勵后發(fā)生躍遷，便可得到相應的穩(wěn)定而又準確的頻率。hEf2 2銫原于頻標銫原于頻標 銫原子頻標主要由銫束管部分，產(chǎn)生激勵的晶體振蕩器、倍頻及頻率綜合部分，以及伺服環(huán)路部分等組成。 石英晶振蕩器是使用量最大的時間標準器及常用

6、頻率源。由于其值一般為數(shù)十萬到一、二百萬，因此能獲得很高的穩(wěn)頻效果，并得到高的頻率準確度和穩(wěn)定度。8.1.3 時間頻率量值的傳遞時間頻率量值的傳遞 時間頻率的量值傳遞方法,主要是比對，即將時間頻率與標準時間頻率相比較。比對可以直接進行，也可通過發(fā)播的無線電波或搬運種來進行。短波發(fā)播短波發(fā)播 短波發(fā)播使用的頻率是2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz和25MHz。 由于電離層波動的多普勒效應和多路徑傳輸?shù)仍?，只能獲得10-8左右的校頻精度和50s左右的時號精度。 短波發(fā)播一般只供精度要求較低的部門使用。二二. 長波和超長波發(fā)播長波和超長波發(fā)播 長波發(fā)播使用的頻率為100kH

7、z，超長波則是1060kHz。長波、超長波的傳播特性比短波強。其地波、天波衰減小，可傳播很遠；但噪聲電平很高，需要很大的發(fā)播功率，致使費用昂貴。三三. 利用電視信號的接收比對利用電視信號的接收比對 彩色電視發(fā)射臺的副載頻大多用銫原子頻標穩(wěn)定，故發(fā)播精度甚高；加之是用超短波發(fā)播，傳播中的變化很小。所以，用戶可以從彩色電視接收機中取出彩色副載頻信號。進行高精度的頻率比對，10min內(nèi)，校頻精度可達110-8。四四. 利用衛(wèi)星的接收比對利用衛(wèi)星的接收比對 相距很遠的原子種之間，可以通過人造衛(wèi)星的轉(zhuǎn)播來進行比對。 全球定位系統(tǒng)（Global Position System）由6個軌道面上均勻分布的24

8、顆衛(wèi)星所組成。它們在6個不同的平面軌道上繞地球運行，地球上的任何一點都可同時觀察到67顆衛(wèi)星。該系統(tǒng)能對飛機、船舶等進行連續(xù)定時導航，可快速地提供高精度三維位置、速度和時間信息。 當前，國際原子時就是通過GPS系統(tǒng)進行共視時間比對來實現(xiàn)的。GPS時間的建立過程時間的建立過程 每顆衛(wèi)星上的鐘與GPS主鐘之間產(chǎn)生的偏差利用已知的或可以預測的數(shù)據(jù)來加以修正，維持衛(wèi)星時間信號的精密同步。當衛(wèi)星上的鐘運轉(zhuǎn)發(fā)生變化時，可以在它飛越監(jiān)測站上空時鑒別出來。監(jiān)測站以本站的原子鐘為參考基準，接收衛(wèi)星發(fā)來的信號，觀察衛(wèi)星的實際位置與預測位置的偏差，測量出時間差，同時推算出與時間有關(guān)的衛(wèi)星位置以及傳播延遲等項延遲誤差

9、。監(jiān)測站把所測量到的數(shù)據(jù)和推算出的結(jié)果通過通訊網(wǎng)絡輸送到主控站。主控站又以GPS主鐘為參考對來自各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)和結(jié)果進行計算機分析和處理，推算出新的合理的數(shù)據(jù)，并對某顆GPS衛(wèi)星所要完成的動作發(fā)出指令。這些新的數(shù)據(jù)和指令又被輸送到加注站。在加注站，一方面把這些數(shù)據(jù)和指令存儲起來，另一方面及時發(fā)送這些數(shù)據(jù)和指令到要加注的相應衛(wèi)星上去。衛(wèi)星接收到新數(shù)據(jù)和指令后同樣要做兩項工作：一是把新的數(shù)據(jù)和指令記入存儲器；二是按照新指令的要求進行工作，把新的數(shù)據(jù)及各修正參數(shù)發(fā)送給用戶，直到下一次加注站加注新的數(shù)據(jù)和指令時，衛(wèi)星存儲器被再次刷新，工作狀態(tài)也開始執(zhí)行新的指令。一直這樣循環(huán)下去。 GPS能夠高精度定位

10、、測速和導航是建立在精密測時的基礎(chǔ)上的。一般說來，觀測一顆GPS衛(wèi)星，就可以實現(xiàn)精密的時間測量或同步。若觀測四顆衛(wèi)星，就可精密確定接收機天線所在位置的坐標、速度以及用戶鐘相對GPS時間的精確鐘差。8.2 8.2 電磁學計量測試電磁學計量測試 電磁計量包括： 電學計量和磁學計量 按工作頻率可分為： 直流計量和交流計量8.2.1 電學計量單位及標準電學計量單位及標準 電學計量直流到音頻的各種電量的計量。 例如：電壓、電流、電阻、電容、電感、功率等主要參量。 電學標準量具：標準電池、標準電阻器、標準電容器、標準電感器、電阻箱、電容箱、電感箱等。1. 電流電流 電流單位安培 (A) 是國際單位制中七個

11、基本單位之一。 電流天平直接復現(xiàn)電流單位的裝置。復現(xiàn)精度約為10-510-6。 利用具有實物基準的電壓單位和電阻單位來保存電流單位是更可靠、更實際的電流單位保存方法。2電壓電壓 1948年第九屆國際計量大會定義的伏特兩點間的電位差，在載有1 A規(guī)定電流導線的這兩點間消耗1 W的功率。 標準電池：保存電壓單位的實物裝置。 其電動勢約為1.018 60V，一般由H型或同心圓形單管型玻璃容器內(nèi)裝入硫酸鎘溶液等制成。 （a）H型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) （b）單管型結(jié)構(gòu)）單管型結(jié)構(gòu) 標準電池精度約為10-5量級。若用約瑟夫森效應電壓基準監(jiān)視標準電池的電動勢，則可將其精度提高約兩個數(shù)量級。3電阻電阻 電阻單位量值復現(xiàn)

12、的不確定度已小于110-7，電阻量值也可以用標準電阻復現(xiàn)和保存。 用定義計量法確定的電阻值一般用實物基準標準電阻來保存。1標準電阻標準電阻關(guān)于超高阻值的標準電阻多端電阻。4電容和電感 1)電容 標準電容器的介質(zhì)通常有氣體(如空氣、氮氣)和固體(如云母、石英)兩種； 常用標準電容器主要有石英電容器、空氣電容器、云母電容器和組合式大電容器。 標準電容器的精度分為0.01、0.02、0.05、0.1和0.2等級別。電電容容計計量量器器具具檢檢定定系系統(tǒng)統(tǒng)框框圖圖 2)電感 標準電感器均為空芯無磁性骨架電感線圈。 電感基準一般由幾只10mH的標準電感組成，其精度約為10-5量級。 電感精度分為0.01

13、、0.02、0.05、0.1、0.2等級別。 使用標準電感時要盡量避免外磁場的干擾，并且遠離磁鐵及其他金屬物質(zhì)。8 82 22 2 直流計量直流計量 1直流電阻計量 直流電阻計量的基本問題： 被計量的電阻與標準電阻的比較。 在電阻量值的傳遞中，最重要的就是建立電阻比例。 最好的電阻比例建立方法哈蒙電阻箱。 哈蒙電阻箱原理n個量值接近的電阻R串聯(lián)組成為nR。然后n個電阻并聯(lián)起來，組成R/n 。于是組成n2:1電阻比例。 n2:1的比例的不確定度可達10-8量級。各種電阻箱各種電阻箱 再結(jié)合電橋就可進行電阻比較。 韋斯頓四臂電橋單電橋適用于計量10109的電阻。但只能比較一般兩端電阻，不能消除接觸

14、電阻和引線電阻； 開爾文電橋雙電橋用來計量 1 以下低阻值電阻。2直流電壓計量直流電位差計精密測量直流電壓的標準儀器。工作原理：將已知標準電壓與被測電壓進行比較。EREnGSExRnRxnnxxxERRIRE 測量特點：測量過程中，電位差計不吸收能量，保證了標準電壓電動勢的穩(wěn)定可靠，使電位差計具有極高的等效輸入阻抗，消除了連線和接觸電阻等引起的測量誤差。UJ31型低電勢直流電位差計型低電勢直流電位差計 數(shù)字電壓表計量l V左右電壓時不確定度目前為10-610-7。用數(shù)字電壓表取代直流電位差計是直流電壓計量的發(fā)展趨勢。直流數(shù)字電壓表直流數(shù)字電壓表分壓器計量幾十V幾十kV高電壓時可用分壓器。將被計

15、量電壓分壓到1 V左右，再進行計量。其不確定度為10-6。3直流電流計量直流電流計量 a. 低精度直流電流計量采用普通指針式或光標式電流表計量。 當被計量電流大于幾十安培時，需要用分流器來擴大電表量程。 b. 高精度直流電流計量不能用電表直接進行計量，而需用其他方法。 例如，讓被計量電流通過一個四端電阻器，用電位差計或數(shù)字電壓表計量其上的壓降，然后根據(jù)歐姆定律求出被測電流。該方法不確定度10-6量級。4直流功率和電能計量直流功率和電能計量 a.直流功率計量 當計量準確度1/1000時，可用電動式或電磁式功率表計量。 當計量準確度1/1000時，需分別計量電壓和電流，然后計算出功率。準確度最高可

16、達10-6量級。b. 直流電能計量 P=const時，則在0T內(nèi)的電能為： E=PT 直流電能的計量準確度可達10-5量級。TPdtE08.2.3 8.2.3 交流計量交流計量1交流阻抗計量交流阻抗計量 在交流電路中沒有純電阻、純電容和純電感。 電容器包含電容量和損耗角正交分量。這兩個分量需要分別加以平衡和計量； 電感器包含電感量和串聯(lián)電阻兩個分量。 電阻器可用下面的等效電路表示。圖中L是串聯(lián)的殘余電感，C為并聯(lián)的分布電容，通常稱為“殘余分量”。CRL這樣阻抗Z為： 低頻時，有 其中 是交流電阻的重要參數(shù)，表征了交流電阻受分布參數(shù)影響的程度。對于阻值在（110）k范圍內(nèi)的質(zhì)量較好的交流電阻，約

17、為（10-810-9）s。CjLjRZ/11jRZ1RCRL 交流電橋計量交流阻抗的主要設(shè)備。 經(jīng)典交流電橋其比例往往是用電阻確定的，由于交流電橋的電阻比例精度不高，約為10-5量級，因而影響了阻抗計量的準確度。 感應耦合比例臂電橋為提高交流比例的準確度，現(xiàn)代高精密交流電橋多采用繞在環(huán)形高導磁率鐵心上的感應耦合變壓器 ( 即感應分壓器 ) 構(gòu)成感應式比例器。2交流電流與電壓計量交流電流與電壓計量 交流量不易用實物基準來復現(xiàn)，計量交流量時，必須用直流量的基準、標準作參考； 交直流轉(zhuǎn)換直流電量是交流電量的基礎(chǔ)。這就需使用轉(zhuǎn)換裝置，使交流量可與和其相當?shù)闹绷髁勘容^。 熱電偶利用交直流熱效應實現(xiàn)交直流

18、轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器件。 熱電偶的交直流轉(zhuǎn)換精度可達10-510-6。 3交流功率和電能的計量交流功率和電能的計量 交流功率： （8.2.21） 計量準確度1/1000時，可以直接用電動式或電磁式功率表； 計量準確度1/1000時，則需用直流功率去與它比較。TvidtTP01 熱電式交直流功率比較器利用熱電偶制成，可進行有效值的計量，通過能計量兩個有效值的裝置來實現(xiàn)式 (8.2.21) 的要求。比較準確度達10-410-5。 電能計量功率計量時間計量 計量準確度1/1000時，常用轉(zhuǎn)盤式千瓦時計來計量交流電能。8 82 24 4 磁學計量磁學計量 磁學計量內(nèi)容： a. 磁場強度； b. 磁通量； c.

19、 材料的磁特性參數(shù)。1磁場計量磁場計量 磁感應強度B 與磁場強度H的關(guān)系： B H 式中，：磁導率 a. 弱場：(10-810-3T)；計量方法利用亥姆霍茲線圈； b. 中場：(10-310-1T)；計量方法利用螺線管； c. 強場(10-1 T以上)；計量方法采用低溫螺線管或低溫超導螺線管，后者可產(chǎn)生幾特斯拉以至幾十特斯拉的強磁場。 磁場強度的計量方法主要有旋轉(zhuǎn)線圈法、霍爾效應法和核磁共振法。1) 旋轉(zhuǎn)線圈法旋轉(zhuǎn)線圈法 當B=const時，用微電機帶動測量線圈勻速旋轉(zhuǎn)，線圈不斷切割磁力線，從而在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢與磁感應強度B成正比，測出線圈感應電動勢，就可得出被測磁場值B。2) 霍爾效應

20、法霍爾效應法 霍爾效應設(shè)RH為材料的霍爾系數(shù)，I為材料中通過的電流，B為磁感應強度，d為材料的厚度。則HHUIRdB 3) 核磁共振法核磁共振法 核磁共振現(xiàn)象在恒定磁場中，任何具有本征磁矩的原子核都會產(chǎn)生能級分裂。若在垂直于外磁場方向疊加一個小的射頻場，當射頻場角頻率等于原子核進動頻率時，系統(tǒng)中處于低能級的粒子就從射頻場中吸收能量產(chǎn)生躍遷。 將具有核磁矩的質(zhì)子置于恒磁場中，并加以交變磁場。當該交變磁場的頻率滿足一定條件時，便會出現(xiàn)能量的諧振吸收核磁共振。這時諧振頻率為 式中，p為質(zhì)子的磁旋比。 利用核磁共振可實現(xiàn)對B的測量。Bpp2磁通計量磁通計量 磁通量： 磁通的計量方法： a. 康貝爾(CampLell)線圈法; b. 場源線圈與計量線圈組合法。 cosBdSdSBd 康貝爾線圈一對互感線圈，可根據(jù)線圈的幾何尺寸和匝數(shù)，計算出其磁通常數(shù)。利用該方法建立的磁通基準精度約為10-510-6。次級繞組次級繞組初級繞組初級繞組 場源線圈與計量線圈組合法是通過對兩線圈的線圈常數(shù)及軸線之間的夾角等計算出磁通常數(shù)的。該法