時間測量

"日出而作,日沒而息"是人類在低水準生產力的農耕時代的生活規律,與這種生活規律相適應的計時方法是採用一種最自然、最簡便的計時單位--"平均太陽日",即以連續兩次經過同一地點的天頂之間的時間間隔作為一個"平均太陽日"。這樣基于地球自轉的周期過程建立了人們最早的"天"的時間概念。把一個 "平均太陽日"分為24等分,每一等分的時間長度稱為一個"世界時"。一個世界時的1/3600稱為世界時的1秒。

世界時

時間長河,逝者如斯。用什麽辦法來計時呢?時間是物質存在和運動的基本屬性之一,因而應該用物質的運動過程來計量時間,而且隻有均勻的、連續的運動過程才能給出精確的時間計量結果。

時間測量

我國古代的晷就是世界時的計時儀器。

世界時的測時方法在陰雨天氣遇到了嚴重困難。不僅如此,隨著科學技術的發展,本世紀初,科學家們發現地球角速度並不恆定,除了已知的長期減小的變化以外,還有時大時小的波動。因此以地球自轉為基礎進行測量所得的世界時失去了均勻性。雖然每天隻差千分之幾秒,對人們的日常生活不會產生明顯的影響,但是有些方面卻需重更精確的時間,例如人造衛星、宇宙飛船的發射、導航以及回收著落等,時間上的微小誤差都可能導致嚴重的後果。在回旋加速器中,基本粒子被加速的時間僅僅是幾億分之一秒甚至幾萬億分之一秒,顯然這就需要更為精確的計量時間。

機械時

任何周期過程都可被採用為一種計時方法。

在同一地點的單擺作微幅振動的周期是一個確定的常數,即擺長為L的單擺在重力加速度為g的地點的周期為:

在重力加速度值g=9.8m/s2的地點,一個擺長為L=0.99295m的單擺的周期為T=2s。

因此擺鍾就成為19世紀以前的主要計時儀器。

這種利用鍾表內部機件的機械運動來計時的方法仍然有兩個很嚴重的缺陷:一是隨著晝夜、四季溫度的變化,鍾擺發生熱脹冷縮,致使擺長不穩定;二是由于地球不同緯度、不同高度處的重力加速度值各不相同

(即使地面上同一點,由于地球本身處于不斷變化之中,因此重力加速度值也不是一個恆定值),致使在鍾表製造廠校準的擺鍾運到使用地點以後就失準了。

人們雖然可以通過調節鍾擺擺長來不斷校準擺鍾的周期,但是無論從測時原理方面還是從使用時的操作實踐方面來看,擺鍾畢竟不是理想的測時、及時儀器。

協調時

每個晝夜的平均時間長度是86400秒,這是人們的普通常識。可是1987年12月31日,除夕這一天,我們卻在不知不覺中度過了長達86401秒的一晝夜,也就是說這一天多出了一秒鍾。這時怎麽回事?難道原子鍾也走的不準了嗎?不是。原子時的秒長極為精確,然而地球自轉的快慢卻在時刻變化。最近二、三十年來,地球自轉的總趨勢是逐漸變慢,結果使得原子時的時刻每年要比世界時的時刻大約超前0.8秒鍾。從1958年起已超前23秒多。那麽既然地球自轉不穩定,我們就不去理會它,完全廢除世界時行不行呢?也不行。因為有些活動離不開世界時,例如確定地球上某點的地理經度,就需要經過世界時時刻換算求出來,這時大地測量、航海、航空、航天部門所必需的。

這麽說來,難道必須同時播發世界時和原子時這兩時鍾號才行嗎?大可不必。科學家們採取了一個折衷的辦法,定義了一種新的計時系統,稱為"協調世界時",簡稱協調時。協調時採用原子時的秒長為基本計量單位,用這方法計量的時值仍保持原子時高度精確的特點;同時又盡量採用世界時的時刻。為此需要設定"閏秒",即在適當的時刻加上1秒(正閏秒)或減去1秒(負閏秒)。當地球自轉略快時,協調時時刻便會落後于世界時時刻,此時就對世界時負閏秒,使其某一分鍾隻有59秒,以使協調時的時刻趕上世界時的時刻;相反,當地球自轉略慢時,協調時時刻便會超前于世界時時刻,此時就對世界時正閏秒,使其某一分鍾延長到61秒,以使協調時的時刻"等齊"世界時時刻。總之,讓協調時時刻與世界時時刻之差不超過1 秒。

國際時間局規定,閏秒置于6月30日或12月31日。

打點計時器

原理:

電磁打點計時器是一種使用交流電源的計時儀器,其工作電壓是4~6V,電源的頻率是50Hz,它每隔0.02s打一次點。

電火花計時器是利用火花放電在紙帶上打出小孔而顯示出點跡的計時儀器,使用220V交流電壓,當頻率為50Hz時,它每隔0.02s打一次點,電火花計時器工作時,指導運動所受到的阻力比較小,它比電磁打點計時器實驗誤差小。

如果運動物體帶動的紙帶通過打點計時器,在紙帶上打下的點就記錄了物體運動的時間,紙帶上的點也相應的表示出了運動物體在不同時刻的位置。研究紙帶上的各點間的間隔,就可分析物體的運動狀況。

原子時

由于近代科學技術的發展,物理學家們精確的測定了石英晶體原子內部電磁振蕩的周期,發現這個周期極為穩定,它不受氣候、地點、季節以及其它環境條件的影響,這就給精確的測時、計時提供了可靠的依據。

在國際單位製中的7個基本單位中(1.長度-米;2.質量-千克或公斤;3.時間-秒;4.電流-安或安培;5.熱力學溫度-開或開爾文;6.物質的量-摩或摩爾;7.發光強度-坎或坎德拉)時間單位的定義與測量是歷史最悠久、情況最復雜、目前測量精度最高的一個基本單位。

天文學時間標準在人類社會活動和科學技術進步中曾經發揮了巨大作用。但是由于它的實測精度很難提高,在20世紀50年代以後,逐步為新興的物理學原子標準所取代。原子時間計量標準在1967年正式取代了天文學的秒長的定義新秒長規定為:位于海平面上的銫Cs133原子基態的兩個超精細能級間在零磁場中躍遷振蕩9192631770個周期所持續的時間為一個原子時秒。這一定義標志著時間測量的一個新時代的到來。

時間既然由原子振蕩頻率來定義。因此頻率穩定度和頻率準確度便成為時間測量的一個重要概念。在時頻測量中習慣上把不穩定性稱為穩定度,例如,國際原子時的穩定度為正負3乘10的負15次方。就是指國際原子時在取樣時間內的不穩定性

時域下的時間穩定度測量--被測時鍾和參考時鍾的輸出信號(例如秒)分別進入時間間隔計數器。參考時鍾的秒脈沖信號為開門信號被測時鍾的秒脈沖信號為關門信號。然後由時間間隔計數器計算被測時鍾秒脈沖到達預設波陣面高度的時刻。

時域下的頻率穩定度測量--測量頻率穩定度一般使用兩個頻率不同但相近的振蕩器,去伺服混頻器再經過低通濾波後,由電子計數器進行測量。

頻域下的頻率穩定度特征--要得到各種偶然因素造成的頻率不穩定性,一般方法是將它們的功率譜密度函式在所有的頻率上進行積分。然後對增量利用方差進行統計處理。最常用的是Allan方差。

時間和頻率比對--在原子時測量領域中,由于構成時間的基本單位是頻率。因此,實驗室內部需要經常進行頻率比對,以求得盡量均勻的時間單位;同時,各個實驗室之間也需要相互比對。時間比對主要分為局部時間比對和遠距離時間比對,在遠距離時間比對中又採用搬運鍾、單向法、雙向法。

原子時和協調時:

十世紀三十年代發明了更加精密的石英鍾後,人們發現世界時盡管加上了極移改正(UT1),仍然是不均勻的。經研究查明,地球自轉存在長期變化、不規則變化和復雜的周期變化。為了滿足更高精度的實際需要,人們開始到物質的微觀世界去尋找具有更穩定周期的物質運動形式用作為新的時間計量標準。于是,以物質內部原子運動的特征為基礎的原子時應運而生。原子時是以秒,而不是以日為基本時間單位的。原子時秒長定義為:銫原子基態的兩個超精細能級間在海平面、零磁場下躍遷輻射9192631770周所持續的時間。1967年第十三屆國際計量委員會決定,把在海平面上實現的上述原子時秒規定為國際單位製時間單位。原子時起點定在1958年1月1日0時(UT),即規定在這一瞬間,原子時和世界時重合。根據這一定義,任何銫原子鍾在確定起始歷元後都可以提供原子時。由世界各地時間實驗室用足夠精確的銫原子鍾導出的原子時稱為地方原子時,不同的地方原子時存在著差異。世界各國的原子鍾按照規定的方法進行相互比對,其資料再由專門的國際機構進行處理,求出全世界統一的原子時,稱為國際原子時,簡稱TAI。 相對于以地球自轉為基礎的世界時來說,原子時是均勻的計量系統,這對于測量時間間隔非常重要,但世界時時刻反映了地球在空間的位置,這也是需要的。為兼顧這兩種需要,引入了協調世界時(UTC)系統。UTC在本質上還是一種原子時,因為它的秒長規定要和原子時秒長相等,隻是在時刻上,通過人工幹預,盡量靠近世界時。

協調世界時(UTC)盡量靠近世界時(UT1)的意思是:必要時對協調世界時(UTC)作一整秒的調整(增加1秒或去掉1秒),使UTC和UT1的時刻之差保持在±0.9秒以內。這一技術措施就稱為閏秒(或跳秒),增加1秒稱為正閏秒(或正跳秒);去掉1秒稱為負閏秒(或負跳秒)。是否閏秒,由國際地球自轉服務(英文縮寫為IERS)決定。閏秒的首選日期是每年的12月31日和6月30日,或者是3月31日和9月30日。如果是正閏秒,則在閏秒當天的23時59分60秒後插入1秒,插入後的時序是:…58秒,59秒,60秒,0秒,…,這表示地球自轉慢了,這一天不是86400秒,而是86401秒;如果是負閏秒,則把閏秒當天23時59分中的第59秒去掉,去掉後的時序是:…57秒,58秒,0秒,…,這一天是86399秒。

示波器-時間測量

時間間隔的測量

對于一個波形中兩點間時間間隔的測量,如圖所示。

①將信號饋入CH1或CH2輸入插座,設定垂直方式為被選通道。

②調整電平使波形穩定顯示(如峰值自動,則無須調節電平)。

③將掃速微調順時針旋足(校正位置),調整掃速控製器,使螢幕上顯示1~2個信號周期。

④分別調整垂直移位和水準移位,使波形中需測量的兩點位于螢幕中央水準刻度線上。

⑤測量兩點之間的水準刻度,按下列公式計算出時間間隔。

................兩點間水準距離(格)×掃描時間因數(時間/格)

時間間隔(s)= -------------------------

.............................水準擴展倍數

周期和頻率的測量

在上圖所示的例子中,所測得的時間間隔即為該信號的周期T,該信號的頻率為1/T。

上升或下降時間的位置

上升(或下降)時間的測量方法和時間間隔的測量方法一樣,隻不過是測量被測波形滿幅度的10%和90%兩處之間的水準軸距離,如圖所示。

①設定垂直方式為CH1或CH2,將信號饋送到被選中的通道輸入插座。

②調整電壓衰減和微調,使波形的垂直幅度顯示5格。

③調整垂直移位,使波形的頂部和底部分別位于100%和0%的刻度線上。

④調整掃速開關,使螢幕顯示波形的上升沿或下降沿。

⑤調整水準位移,使波形上升沿和10%處相交于某一垂直刻度線上。

⑥測量10%到90%兩點間的水準距離(格),如波形的上升或下降較快,則可將水準擴展×10,使波形在水準方向上擴展10倍。

⑦按下列公式計算出波形的上升(或下降)時間。

.......................水準距離(格)× 掃描時間因數(時間/格)

上升(或下降)時間= ------------------------

..................................水準擴展倍數

時間差的測量

對兩個相關信號的時間差測量,如圖所示。

①將參考信號和一個待比較信號分別饋入"CH1"和"CH2"輸入插座。

②根據信號頻率,將垂直方式置于"ALT"或"CHOP"。

③設定觸發源至參考信號那個通道。

④調整電壓衰減器和微調控製器,使顯示合適的幅度。

⑤調整電平使波形穩定顯示。

⑥調整SEC/DIV,使兩個波形測量點之間有一個能方便觀察的水準距離。

⑦調整垂直移位,使兩個波形的測量點位于螢幕中央水準刻度線上。

...........水準距離(格)×掃描時間因數(時間/格)

時間差 = ----------------------

......................水準擴展倍數

相位差的測量

相位差的測量可參考時間差的測量方法,如上圖所示。

①按以上時間差測量方法的步驟①至④設定有關控製器。

②調整電壓衰減器和微調控製器,使兩個波形的顯示幅度一致。

③調整掃速開關和微調,使波形的一個周期在螢幕上顯示8格,這樣水準刻度線上1DIV=45°(360°/8)。

④測量兩個波形相對位置上的水準距離(格)。

⑤按下列公式計算出兩信號的相位差: 相位差=水準距離(格)×45°/格。

其它詞條