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、信號的傳遞、相關的材料等知識在相當廣泛的科學技術領域起著至關重要的作用。 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，經過這個天文臺的子午線被確定為全球的時間和經度計量的標準參考子午線，也稱為本初子午線，即零度經線。 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，幫助航海家確定經度。現它已經發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。相關知識鏈接相關知識鏈接 2.

3、 歷書時 天體出現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 原子躍遷時發射的電磁波的頻率穩定性相當高，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個周期的持續時間。” 原子時AT起點：1958年1月1日0時。 原子時精度已經達到10-15 。 日本研發比銫原子鐘精確日

4、本研發比銫原子鐘精確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。“光晶格鐘”已作為新一代原子鐘的候選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”技術為基礎。“光梳”擁有一系列頻率均勻分布的頻譜。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。相關知識鏈接相關知識鏈接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成的基礎之一。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； E 躍遷能級間的能量差。 原子或分子受到激勵后發生躍遷，便可得到相應的穩定而又準確的頻率。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，產生激勵的晶體振蕩器、倍頻及頻率綜合部分，以及伺服環路部分等組成。 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。由于其值一般為數十萬到一、二百萬，因此能獲得很高的穩頻效果，并得到高的頻率準確度和穩定度。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，也可通過發播的無線電波或搬運種來進行。短波發播短波發播 短波發播使用的頻率是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等原因，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. 長波和超長波發播長波和超長波發播 長波發播使用的頻率為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 彩色電視發射臺的副載頻大多用銫原子頻標穩定，故發播精度甚高；加之是用超短波發播，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，校頻精度可達110-8。四四. 利用衛星的接收比對利用衛星的接收比對 相距很遠的原子種之間，可以通過人造衛星的轉播來進行比對。 全球定位系統（Global Position System）由6個軌道面上均勻分布的24

8、顆衛星所組成。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顆衛星。該系統能對飛機、船舶等進行連續定時導航，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系統進行共視時間比對來實現的。GPS時間的建立過程時間的建立過程 每顆衛星上的鐘與GPS主鐘之間產生的偏差利用已知的或可以預測的數據來加以修正，維持衛星時間信號的精密同步。當衛星上的鐘運轉發生變化時，可以在它飛越監測站上空時鑒別出來。監測站以本站的原子鐘為參考基準，接收衛星發來的信號，觀察衛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的衛星位置以及傳播延遲等項延遲誤差

9、。監測站把所測量到的數據和推算出的結果通過通訊網絡輸送到主控站。主控站又以GPS主鐘為參考對來自各監測站的數據和結果進行計算機分析和處理，推算出新的合理的數據，并對某顆GPS衛星所要完成的動作發出指令。這些新的數據和指令又被輸送到加注站。在加注站，一方面把這些數據和指令存儲起來，另一方面及時發送這些數據和指令到要加注的相應衛星上去。衛星接收到新數據和指令后同樣要做兩項工作：一是把新的數據和指令記入存儲器；二是按照新指令的要求進行工作，把新的數據及各修正參數發送給用戶，直到下一次加注站加注新的數據和指令時，衛星存儲器被再次刷新，工作狀態也開始執行新的指令。一直這樣循環下去。 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上的。一般說來，觀測一顆GPS衛星，就可以實現精密的時間測量或同步。若觀測四顆衛星，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。 電流天平直接復現電流單位的裝置。復現精度約為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裝入硫酸鎘溶液等制成。 （a）H型結構型結構 （b）單管型結構）單管型結構 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視標準電池的電動勢，則可將其精度提高約兩個數量級。3電阻電阻 電阻單位量值復現

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統框框圖圖 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。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串聯組成為nR。然后n個電阻并聯起來，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。用數字電壓表取代直流電位差計是直流電壓計量的發展趨勢。直流數字電壓表直流數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，用電位差計或數字電壓表計量其上的壓降，然后根據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是串聯的殘余電感，C為并聯的分布電容，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，表征了交流電阻受分布參數影響的程度。對于阻值在（110）k范圍內的質量較好的交流電阻，約

17、為（10-810-9）s。CjLjRZ/11jRZ1RCRL 交流電橋計量交流阻抗的主要設備。 經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，現代高精密交流電橋多采用繞在環形高導磁率鐵心上的感應耦合變壓器 ( 即感應分壓器 ) 構成感應式比例器。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，計量交流量時，必須用直流量的基準、標準作參考； 交直流轉換直流電量是交流電量的基礎。這就需使用轉換裝置，使交流量可與和其相當的直流量比較。 熱電偶利用交直流熱效應實現交直流

18、轉換的轉換器件。 熱電偶的交直流轉換精度可達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 磁學計量內容： a. 磁場強度； b. 磁通量； c.

19、 材料的磁特性參數。1磁場計量磁場計量 磁感應強度B 與磁場強度H的關系： 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線圈法、霍爾效應法和核磁共振法。1) 旋轉線圈法旋轉線圈法 當B=const時，用微電機帶動測量線圈勻速旋轉，線圈不斷切割磁力線，從而在線圈內產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RH為材料的霍爾系數，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 核磁共振現象在恒定磁場中，任何具有本征磁矩的原子核都會產生能級分裂。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，系統中處于低能級的粒子就從射頻場中吸收能量產生躍遷。 將具有核磁矩的質子置于恒磁場中，并加以交變磁場。當該交變磁場的頻率滿足一定條件時，便會出現能量的諧振吸收核磁共振。這時諧振頻率為 式中，p為質子的磁旋比。 利用核磁共振可實現對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，可根據線圈的幾何尺寸和匝數，計算出其磁通常數。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