第8章各种物理量的测试计量

1、第第8 8章章 各种物理量的测试计量各种物理量的测试计量（上）（上） 时间频率计量所包括的基标准和频率源、测量比对技术、信号的传递、相关的材料等知识在相当广泛的科学技术领域起着至关重要的作用。 8.1 8.1 时间频率计量测试时间频率计量测试8.1.1 基本概念基本概念 1. 世界时 2. 历书时 3. 原子时 太阳日通过天文观测所定出的太阳日。 每个视太阳日的长短不等，其中最长的和最短视太阳日之差会达51s。 平太阳日全年每个视太阳日的平均值。 世界时UT（Universal Time): 1s=平太阳日(1/86 400) 1. 世界时 归算到零时区的世界标准时(格林威治平太阳时)，其起点

2、为1858年11月17日0时。 由于地球自转的非均匀性，不同年度的世界时秒长不一致，精度：10-8。 格林威治天文台始建于1675年，位于英国首都伦敦的格林威治。1884年，经过这个天文台的子午线被确定为全球的时间和经度计量的标准参考子午线，也称为本初子午线，即零度经线。 格林威治天文台初建之时，目的在于精确地观测月球和恒星，帮助航海家确定经度。现它已经发展为英国的一个综合性光学天文台。1999年12月28日，一种新的时间系统格林威治电子时间（GET）正式诞生，它将为全球电子商务提供一个时间标准。而原有的格林威治时间（GMT）仍将保留，作为21世纪的世界标准时间。相关知识链接相关知识链接 2.

3、 历书时 天体出现在理论上预测的位置时的瞬时时间。 1960年第十一届国际计量大会采纳基于地球公转周期的历书时ET秒定义：“秒为1900年1月1日0时历书时12时起算的回归年的1/31 556 925.9747。” 基于天文观测的历书时精度约为10-9。 3. 原子时 原子跃迁时发射的电磁波的频率稳定性相当高，是时间计量的最好手段。 1967年第十三届国际计量大会通过新的原子时秒的定义：“秒是与铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间。” 原子时AT起点：1958年1月1日0时。 原子时精度已经达到10-15 。 日本研发比铯原子钟精确日

4、本研发比铯原子钟精确10001000倍的光晶格钟倍的光晶格钟 日本东大科学家香取秀俊主持研究的 “光晶格钟”，可能成为新的全球计时标准。“光晶格钟”已作为新一代原子钟的候选被推荐给国际度量衡委员会。 “光晶格钟”以曾获诺贝尔物理学奖的“光梳”技术为基础。“光梳”拥有一系列频率均匀分布的频谱。很象梳子上的齿或一根尺子上的刻度，可用来测定未知频谱的具体频率，其精确度已达小数点后15位。当用红色激光冷却的超低温锶原子封闭到被称为“光晶格”的“容器”里时，原子的各种外来扰动被消除，可以充当钟的振荡器。每天仅误差10-18（理论分析值）,比现在的铯原子钟精确1000倍。除用来测量时间外，由于还对重力影响

5、极其敏感，可用于验证广义相对论。相关知识链接相关知识链接8.1.2 8.1.2 时间频率标准时间频率标准时间频率标准精密种，音叉，高稳定度石英晶体振荡和各种原子频率标准。在时间频率计量中应用最多的是晶体振荡器。同时它也是各类原子频标构成的基础之一。1 1原子频标的基本原理原子频标的基本原理 原子和分子跃迁频率 f 为： h普朗克常数； E 跃迁能级间的能量差。 原子或分子受到激励后发生跃迁，便可得到相应的稳定而又准确的频率。hEf2 2铯原于频标铯原于频标 铯原子频标主要由铯束管部分，产生激励的晶体振荡器、倍频及频率综合部分，以及伺服环路部分等组成。 石英晶振荡器是使用量最大的时间标准器及常用

6、频率源。由于其值一般为数十万到一、二百万，因此能获得很高的稳频效果，并得到高的频率准确度和稳定度。8.1.3 时间频率量值的传递时间频率量值的传递 时间频率的量值传递方法,主要是比对，即将时间频率与标准时间频率相比较。比对可以直接进行，也可通过发播的无线电波或搬运种来进行。短波发播短波发播 短波发播使用的频率是2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz和25MHz。 由于电离层波动的多普勒效应和多路径传输等原因，只能获得10-8左右的校频精度和50s左右的时号精度。 短波发播一般只供精度要求较低的部门使用。二二. 长波和超长波发播长波和超长波发播 长波发播使用的频率为100kH

7、z，超长波则是1060kHz。长波、超长波的传播特性比短波强。其地波、天波衰减小，可传播很远；但噪声电平很高，需要很大的发播功率，致使费用昂贵。三三. 利用电视信号的接收比对利用电视信号的接收比对 彩色电视发射台的副载频大多用铯原子频标稳定，故发播精度甚高；加之是用超短波发播，传播中的变化很小。所以，用户可以从彩色电视接收机中取出彩色副载频信号。进行高精度的频率比对，10min内，校频精度可达110-8。四四. 利用卫星的接收比对利用卫星的接收比对 相距很远的原子种之间，可以通过人造卫星的转播来进行比对。 全球定位系统（Global Position System）由6个轨道面上均匀分布的24

8、颗卫星所组成。它们在6个不同的平面轨道上绕地球运行，地球上的任何一点都可同时观察到67颗卫星。该系统能对飞机、船舶等进行连续定时导航，可快速地提供高精度三维位置、速度和时间信息。 当前，国际原子时就是通过GPS系统进行共视时间比对来实现的。GPS时间的建立过程时间的建立过程 每颗卫星上的钟与GPS主钟之间产生的偏差利用已知的或可以预测的数据来加以修正，维持卫星时间信号的精密同步。当卫星上的钟运转发生变化时，可以在它飞越监测站上空时鉴别出来。监测站以本站的原子钟为参考基准，接收卫星发来的信号，观察卫星的实际位置与预测位置的偏差，测量出时间差，同时推算出与时间有关的卫星位置以及传播延迟等项延迟误差

9、。监测站把所测量到的数据和推算出的结果通过通讯网络输送到主控站。主控站又以GPS主钟为参考对来自各监测站的数据和结果进行计算机分析和处理，推算出新的合理的数据，并对某颗GPS卫星所要完成的动作发出指令。这些新的数据和指令又被输送到加注站。在加注站，一方面把这些数据和指令存储起来，另一方面及时发送这些数据和指令到要加注的相应卫星上去。卫星接收到新数据和指令后同样要做两项工作：一是把新的数据和指令记入存储器；二是按照新指令的要求进行工作，把新的数据及各修正参数发送给用户，直到下一次加注站加注新的数据和指令时，卫星存储器被再次刷新，工作状态也开始执行新的指令。一直这样循环下去。 GPS能够高精度定位

10、、测速和导航是建立在精密测时的基础上的。一般说来，观测一颗GPS卫星，就可以实现精密的时间测量或同步。若观测四颗卫星，就可精密确定接收机天线所在位置的坐标、速度以及用户钟相对GPS时间的精确钟差。8.2 8.2 电磁学计量测试电磁学计量测试 电磁计量包括： 电学计量和磁学计量 按工作频率可分为： 直流计量和交流计量8.2.1 电学计量单位及标准电学计量单位及标准 电学计量直流到音频的各种电量的计量。 例如：电压、电流、电阻、电容、电感、功率等主要参量。 电学标准量具：标准电池、标准电阻器、标准电容器、标准电感器、电阻箱、电容箱、电感箱等。1. 电流电流 电流单位安培 (A) 是国际单位制中七个

11、基本单位之一。 电流天平直接复现电流单位的装置。复现精度约为10-510-6。 利用具有实物基准的电压单位和电阻单位来保存电流单位是更可靠、更实际的电流单位保存方法。2电压电压 1948年第九届国际计量大会定义的伏特两点间的电位差，在载有1 A规定电流导线的这两点间消耗1 W的功率。 标准电池：保存电压单位的实物装置。 其电动势约为1.018 60V，一般由H型或同心圆形单管型玻璃容器内装入硫酸镉溶液等制成。 （a）H型结构型结构 （b）单管型结构）单管型结构 标准电池精度约为10-5量级。若用约瑟夫森效应电压基准监视标准电池的电动势，则可将其精度提高约两个数量级。3电阻电阻 电阻单位量值复现

12、的不确定度已小于110-7，电阻量值也可以用标准电阻复现和保存。 用定义计量法确定的电阻值一般用实物基准标准电阻来保存。1标准电阻标准电阻关于超高阻值的标准电阻多端电阻。4电容和电感 1)电容 标准电容器的介质通常有气体(如空气、氮气)和固体(如云母、石英)两种； 常用标准电容器主要有石英电容器、空气电容器、云母电容器和组合式大电容器。 标准电容器的精度分为0.01、0.02、0.05、0.1和0.2等级别。电电容容计计量量器器具具检检定定系系统统框框图图 2)电感 标准电感器均为空芯无磁性骨架电感线圈。 电感基准一般由几只10mH的标准电感组成，其精度约为10-5量级。 电感精度分为0.01

13、、0.02、0.05、0.1、0.2等级别。 使用标准电感时要尽量避免外磁场的干扰，并且远离磁铁及其他金属物质。8 82 22 2 直流计量直流计量 1直流电阻计量 直流电阻计量的基本问题： 被计量的电阻与标准电阻的比较。 在电阻量值的传递中，最重要的就是建立电阻比例。 最好的电阻比例建立方法哈蒙电阻箱。 哈蒙电阻箱原理n个量值接近的电阻R串联组成为nR。然后n个电阻并联起来，组成R/n 。于是组成n2:1电阻比例。 n2:1的比例的不确定度可达10-8量级。各种电阻箱各种电阻箱 再结合电桥就可进行电阻比较。 韦斯顿四臂电桥单电桥适用于计量10109的电阻。但只能比较一般两端电阻，不能消除接触

14、电阻和引线电阻； 开尔文电桥双电桥用来计量 1 以下低阻值电阻。2直流电压计量直流电位差计精密测量直流电压的标准仪器。工作原理：将已知标准电压与被测电压进行比较。EREnGSExRnRxnnxxxERRIRE 测量特点：测量过程中，电位差计不吸收能量，保证了标准电压电动势的稳定可靠，使电位差计具有极高的等效输入阻抗，消除了连线和接触电阻等引起的测量误差。UJ31型低电势直流电位差计型低电势直流电位差计 数字电压表计量l V左右电压时不确定度目前为10-610-7。用数字电压表取代直流电位差计是直流电压计量的发展趋势。直流数字电压表直流数字电压表分压器计量几十V几十kV高电压时可用分压器。将被计

15、量电压分压到1 V左右，再进行计量。其不确定度为10-6。3直流电流计量直流电流计量 a. 低精度直流电流计量采用普通指针式或光标式电流表计量。 当被计量电流大于几十安培时，需要用分流器来扩大电表量程。 b. 高精度直流电流计量不能用电表直接进行计量，而需用其他方法。 例如，让被计量电流通过一个四端电阻器，用电位差计或数字电压表计量其上的压降，然后根据欧姆定律求出被测电流。该方法不确定度10-6量级。4直流功率和电能计量直流功率和电能计量 a.直流功率计量 当计量准确度1/1000时，可用电动式或电磁式功率表计量。 当计量准确度1/1000时，需分别计量电压和电流，然后计算出功率。准确度最高可

16、达10-6量级。b. 直流电能计量 P=const时，则在0T内的电能为： E=PT 直流电能的计量准确度可达10-5量级。TPdtE08.2.3 8.2.3 交流计量交流计量1交流阻抗计量交流阻抗计量 在交流电路中没有纯电阻、纯电容和纯电感。 电容器包含电容量和损耗角正交分量。这两个分量需要分别加以平衡和计量； 电感器包含电感量和串联电阻两个分量。 电阻器可用下面的等效电路表示。图中L是串联的残余电感，C为并联的分布电容，通常称为“残余分量”。CRL这样阻抗Z为： 低频时，有 其中 是交流电阻的重要参数，表征了交流电阻受分布参数影响的程度。对于阻值在（110）k范围内的质量较好的交流电阻，约

17、为（10-810-9）s。CjLjRZ/11jRZ1RCRL 交流电桥计量交流阻抗的主要设备。 经典交流电桥其比例往往是用电阻确定的，由于交流电桥的电阻比例精度不高，约为10-5量级，因而影响了阻抗计量的准确度。 感应耦合比例臂电桥为提高交流比例的准确度，现代高精密交流电桥多采用绕在环形高导磁率铁心上的感应耦合变压器 ( 即感应分压器 ) 构成感应式比例器。2交流电流与电压计量交流电流与电压计量 交流量不易用实物基准来复现，计量交流量时，必须用直流量的基准、标准作参考； 交直流转换直流电量是交流电量的基础。这就需使用转换装置，使交流量可与和其相当的直流量比较。 热电偶利用交直流热效应实现交直流

18、转换的转换器件。 热电偶的交直流转换精度可达10-510-6。 3交流功率和电能的计量交流功率和电能的计量 交流功率： （8.2.21） 计量准确度1/1000时，可以直接用电动式或电磁式功率表； 计量准确度1/1000时，则需用直流功率去与它比较。TvidtTP01 热电式交直流功率比较器利用热电偶制成，可进行有效值的计量，通过能计量两个有效值的装置来实现式 (8.2.21) 的要求。比较准确度达10-410-5。 电能计量功率计量时间计量 计量准确度1/1000时，常用转盘式千瓦时计来计量交流电能。8 82 24 4 磁学计量磁学计量 磁学计量内容： a. 磁场强度； b. 磁通量； c.

19、 材料的磁特性参数。1磁场计量磁场计量 磁感应强度B 与磁场强度H的关系： B H 式中，：磁导率 a. 弱场：(10-810-3T)；计量方法利用亥姆霍兹线圈； b. 中场：(10-310-1T)；计量方法利用螺线管； c. 强场(10-1 T以上)；计量方法采用低温螺线管或低温超导螺线管，后者可产生几特斯拉以至几十特斯拉的强磁场。 磁场强度的计量方法主要有旋转线圈法、霍尔效应法和核磁共振法。1) 旋转线圈法旋转线圈法 当B=const时，用微电机带动测量线圈匀速旋转，线圈不断切割磁力线，从而在线圈内产生感应电动势与磁感应强度B成正比，测出线圈感应电动势，就可得出被测磁场值B。2) 霍尔效应

20、法霍尔效应法 霍尔效应设RH为材料的霍尔系数，I为材料中通过的电流，B为磁感应强度，d为材料的厚度。则HHUIRdB 3) 核磁共振法核磁共振法 核磁共振现象在恒定磁场中，任何具有本征磁矩的原子核都会产生能级分裂。若在垂直于外磁场方向叠加一个小的射频场，当射频场角频率等于原子核进动频率时，系统中处于低能级的粒子就从射频场中吸收能量产生跃迁。 将具有核磁矩的质子置于恒磁场中，并加以交变磁场。当该交变磁场的频率满足一定条件时，便会出现能量的谐振吸收核磁共振。这时谐振频率为 式中，p为质子的磁旋比。 利用核磁共振可实现对B的测量。Bpp2磁通计量磁通计量 磁通量： 磁通的计量方法： a. 康贝尔(CampLell)线圈法; b. 场源线圈与计量线圈组合法。 cosBdSdSBd 康贝尔线圈一对互感线圈，可根据线圈的几何尺寸和匝数，计算出其磁通常数。利用该方法建立的磁通基准精度约为10-510-6。次级绕组次级绕组初级绕组初级绕组 场源线圈与计量线圈组合法是通过对两线圈的线圈常数