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时间测量

“日出而作,日没而息”是人类在低水平生产力的农耕时代的生活规律,与这种生活规律相适应的计时方法是采用一种最自然、最简便的计时单位“平均太阳日”,即以连续两次经过同一地点的天顶之间的时间间隔作为一个“平均太阳日”。这样基于地球自转的周期过程建立了人们最早的“天”的时间概念。把一个 “平均太阳日”分为24等分,每一等分的时间长度称为一个“世界时”。一个世界时的1/3600称为世界时的1秒。

时间长河,逝者如斯。用什么办法来计时呢?时间是物质存在和运动的基本属性之一,因而应该用物质的运动过程来计量时间,而且只有均匀的、连续的运动过程才能给出精确的时间计量结果。

我国古代的晷就是世界时的计时仪器。

世界时的测时方法在阴雨天气遇到了严重困难。不仅如此,随着科学技术的发展,本世纪初,科学家们发现地球角速度并不恒定,除了已知的长期减小的变化以外,还有时大时小的波动。因此以地球自转为基础进行测量所得的世界时失去了均匀性。虽然每天只差千分之几秒,对人们的日常生活不会产生明显的影响,但是有些方面却需重更精确的时间,例如人造卫星、宇宙飞船的发射、导航以及回收着落等,时间上的微小误差都可能导致严重的后果。在回旋加速器中,基本粒子被加速的时间仅仅是几亿分之一秒甚至几万亿分之一秒,显然这就需要更为精确的计量时间。

任何周期过程都可被采用为一种计时方法。

在同一地点的单摆作微幅振动的周期是一个确定的常数,即摆长为L的单摆在重力加速度为g的地点的周期为:

在重力加速度值g=9.8m/s2的地点,一个摆长为L=0.99295m的单摆的周期为T=2s。

因此摆钟就成为19世纪以前的主要计时仪器。

这种利用钟表内部机件的机械运动来计时的方法仍然有两个很严重的缺陷:一是随着昼夜、四季温度的变化,钟摆发生热胀冷缩,致使摆长不稳定;二是由于地球不同纬度、不同高度处的重力加速度值各不相同

(即使地面上同一点,由于地球本身处于不断变化之中,因此重力加速度值也不是一个恒定值),致使在钟表制造厂校准的摆钟运到使用地点以后就失准了。

人们虽然可以通过调节钟摆摆长来不断校准摆钟的周期,但是无论从测时原理方面还是从使用时的操作实践方面来看,摆钟毕竟不是理想的测时、及时仪器。

每个昼夜的平均时间长度是86400秒,这是人们的普通常识。可是1987年12月31日,除夕这一天,我们却在不知不觉中度过了长达86401秒的一昼夜,也就是说这一天多出了一秒钟。这时怎么回事?难道原子钟也走的不准了吗?不是。原子时的秒长极为精确,然而地球自转的快慢却在时刻变化。最近二、三十年来,地球自转的总趋势是逐渐变慢,结果使得原子时的时刻每年要比世界时的时刻大约超前0.8秒钟。从1958年起已超前23秒多。那么既然地球自转不稳定,我们就不去理会它,完全废除世界时行不行呢?也不行。因为有些活动离不开世界时,例如确定地球上某点的地理经度,就需要经过世界时时刻换算求出来,这时大地测量、航海、航空、航天部门所必需的。

这么说来,难道必须同时播发世界时和原子时这两时钟号才行吗?大可不必。科学家们采取了一个折衷的办法,定义了一种新的计时系统,称为“协调世界时”,简称协调时。协调时采用原子时的秒长为基本计量单位,用这方法计量的时值仍保持原子时高度精确的特点;同时又尽量采用世界时的时刻。为此需要设置“闰秒”,即在适当的时刻加上1秒(正闰秒)或减去1秒(负闰秒)。当地球自转略快时,协调时时刻便会落后于世界时时刻,此时就对世界时负闰秒,使其某一分钟只有59秒,以使协调时的时刻赶上世界时的时刻;相反,当地球自转略慢时,协调时时刻便会超前于世界时时刻,此时就对世界时正闰秒,使其某一分钟延长到61秒,以使协调时的时刻“等齐”世界时时刻。总之,让协调时时刻与世界时时刻之差不超过1 秒。

国际时间局规定,闰秒置于6月30日或12月31日。

原理:

电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器,其工作电压是4~6V,电源的频率是50Hz,它每隔0.02s打一次点。

电火花计时器是利用火花放电在纸带上打出小孔而显示出点迹的计时仪器,使用220V交流电压,当频率为50Hz时,它每隔0.02s打一次点,电火花计时器工作时,指导运动所受到的阻力比较小,它比电磁打点计时器实验误差小。

如果运动物体带动的纸带通过打点计时器,在纸带上打下的点就记录了物体运动的时间,纸带上的点也相应的表示出了运动物体在不同时刻的位置。研究纸带上的各点间的间隔,就可分析物体的运动状况。

由于近代科学技术的发展,物理学家们精确的测定了石英晶体原子内部电磁振荡的周期,发现这个周期极为稳定,它不受气候、地点、季节以及其它环境条件的影响,这就给精确的测时、计时提供了可靠的依据。

在国际单位制中的7个基本单位中(1.长度米;2.质量千克或公斤;3.时间秒;4.电流安或安培;5.热力学温度开或开尔文;6.物质的量摩或摩尔;7.发光强度坎或坎德拉)时间单位的定义与测量是历史最悠久、情况最复杂、目前测量精度最高的一个基本单位。

天文学时间标准在人类社会活动和科学技术进步中曾经发挥了巨大作用。但是由于它的实测精度很难提高,在20世纪50年代以后,逐步为新兴的物理学原子标准所取代。原子时间计量标准在1967年正式取代了天文学的秒长的定义新秒长规定为:位于海平面上的铯Cs133原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9192631770个周期所持续的时间为一个原子时秒。这一定义标志着时间测量的一个新时代的到来。

时间既然由原子振荡频率来定义。因此频率稳定度和频率准确度便成为时间测量的一个重要概念。在时频测量中习惯上把不稳定性称为稳定度,例如,国际原子时的稳定度为正负3乘10的负15次方。就是指国际原子时在取样时间内的不稳定性

时域下的时间稳定度测量被测时钟和参考时钟的输出信号(例如秒)分别进入时间间隔计数器。参考时钟的秒脉冲信号为开门信号被测时钟的秒脉冲信号为关门信号。然后由时间间隔计数器计算被测时钟秒脉冲到达预设波阵面高度的时刻。

时域下的频率稳定度测量测量频率稳定度一般使用两个频率不同但相近的振荡器,去伺服混频器再经过低通滤波后,由电子计数器进行测量。

频域下的频率稳定度特征要得到各种偶然因素造成的频率不稳定性,一般方法是将它们的功率谱密度函数在所有的频率上进行积分。然后对增量利用方差进行统计处理。最常用的是Allan方差。

时间和频率比对在原子时测量领域中,由于构成时间的基本单位是频率。因此,实验室内部需要经常进行频率比对,以求得尽量均匀的时间单位;同时,各个实验室之间也需要相互比对。时间比对主要分为局部时间比对和远距离时间比对,在远距离时间比对中又采用搬运钟、单向法、双向法。

原子时和协调时:

十世纪三十年代发明了更加精密的石英钟后,人们发现世界时尽管加上了极移改正(UT1),仍然是不均匀的。经研究查明,地球自转存在长期变化、不规则变化和复杂的周期变化。为了满足更高精度的实际需要,人们开始到物质的微观世界去寻找具有更稳定周期的物质运动形式用作为新的时间计量标准。于是,以物质内部原子运动的特征为基础的原子时应运而生。原子时是以秒,而不是以日为基本时间单位的。原子时秒长定义为:铯原子基态的两个超精细能级间在海平面、零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间。1967年第十三届国际计量委员会决定,把在海平面上实现的上述原子时秒规定为国际单位制时间单位。原子时起点定在1958年1月1日0时(UT),即规定在这一瞬间,原子时和世界时重合。根据这一定义,任何铯原子钟在确定起始历元后都可以提供原子时。由世界各地时间实验室用足够精确的铯原子钟导出的原子时称为地方原子时,不同的地方原子时存在着差异。世界各国的原子钟按照规定的方法进行相互比对,其数据再由专门的国际机构进行处理,求出全世界统一的原子时,称为国际原子时,简称TAI。 相对于以地球自转为基础的世界时来说,原子时是均匀的计量系统,这对于测量时间间隔非常重要,但世界时时刻反映了地球在空间的位置,这也是需要的。为兼顾这两种需要,引入了协调世界时(UTC)系统。UTC在本质上还是一种原子时,因为它的秒长规定要和原子时秒长相等,只是在时刻上,通过人工干预,尽量靠近世界时。

协调世界时(UTC)尽量靠近世界时(UT1)的意思是:必要时对协调世界时(UTC)作一整秒的调整(增加1秒或去掉1秒),使UTC和UT1的时刻之差保持在±0.9秒以内。这一技术措施就称为闰秒(或跳秒),增加1秒称为正闰秒(或正跳秒);去掉1秒称为负闰秒(或负跳秒)。是否闰秒,由国际地球自转服务(英文缩写为IERS)决定。闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日,或者是3月31日和9月30日。如果是正闰秒,则在闰秒当天的23时59分60秒后插入1秒,插入后的时序是:…58秒,59秒,60秒,0秒,…,这表示地球自转慢了,这一天不是86400秒,而是86401秒;如果是负闰秒,则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉,去掉后的时序是:…57秒,58秒,0秒,…,这一天是86399秒。

对于一个波形中两点间时间间隔的测量,如图所示。

①将信号馈入CH1或CH2输入插座,设置垂直方式为被选通道。

②调整电平使波形稳定显示(如峰值自动,则无须调节电平)。

③将扫速微调顺时针旋足(校正位置),调整扫速控制器,使屏幕上显示1~2个信号周期。

④分别调整垂直移位和水平移位,使波形中需测量的两点位于屏幕中央水平刻度线上。

⑤测量两点之间的水平刻度,按下列公式计算出时间间隔。

................两点间水平距离(格)×扫描时间因数(时间/格)

时间间隔(s)=

.............................水平扩展倍数

在上图所示的例子中,所测得的时间间隔即为该信号的周期T,该信号的频率为1/T。

上升(或下降)时间的测量方法和时间间隔的测量方法一样,只不过是测量被测波形满幅度的10%和90%两处之间的水平轴距离,如图所示。

①设置垂直方式为CH1或CH2,将信号馈送到被选中的通道输入插座。

②调整电压衰减和微调,使波形的垂直幅度显示5格。

③调整垂直移位,使波形的顶部和底部分别位于100%和0%的刻度线上。

④调整扫速开关,使屏幕显示波形的上升沿或下降沿。

⑤调整水平位移,使波形上升沿和10%处相交于某一垂直刻度线上。

⑥测量10%到90%两点间的水平距离(格),如波形的上升或下降较快,则可将水平扩展×10,使波形在水平方向上扩展10倍。

⑦按下列公式计算出波形的上升(或下降)时间。

.......................水平距离(格)× 扫描时间因数(时间/格)

上升(或下降)时间=

..................................水平扩展倍数

对两个相关信号的时间差测量,如图所示。

①将参考信号和一个待比较信号分别馈入“CH1”和“CH2”输入插座。

②根据信号频率,将垂直方式置于“ALT”或“CHOP”。

③设置触发源至参考信号那个通道。

④调整电压衰减器和微调控制器,使显示合适的幅度。

⑤调整电平使波形稳定显示。

⑥调整SEC/DIV,使两个波形测量点之间有一个能方便观察的水平距离。

⑦调整垂直移位,使两个波形的测量点位于屏幕中央水平刻度线上。

...........水平距离(格)×扫描时间因数(时间/格)

时间差 =

......................水平扩展倍数

相位差的测量可参考时间差的测量方法,如上图所示。

①按以上时间差测量方法的步骤①至④设置有关控制器。

②调整电压衰减器和微调控制器,使两个波形的显示幅度一致。

③调整扫速开关和微调,使波形的一个周期在屏幕上显示8格,这样水平刻度线上1DIV=45°(360°/8)。

④测量两个波形相对位置上的水平距离(格)。

⑤按下列公式计算出两信号的相位差: 相位差=水平距离(格)×45°/格。


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