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时间频率标准

来源:网络转载日期:2018年12月07日 浏览:2280 关键词:频率时间
时间标准的发展,集中反映在作为时间单位(秒)的定义在不断沿革,秒的准确度不断提高。当前,都采用原子时的计时标准,即以铯Cs133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的9192 631 770个周期的持续时间,定义为1秒,其准确度优于×10-13,比以天文观测为基础的天文时高5 个量级,是当前具有最高计量特性的时间频率标准

时间频率原始标准应具有恒定不变性,可分为宏观标准和微观标准。宏观标准:基于天文观测;微观标准:基于量子电子学,更稳定更准确。


时间标准的发展,集中反映在作为时间单位(秒)的定义在不断沿革,秒的准确度不断提高。当前,都采用原子时的计时标准,即以铯Cs133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的9192 631 770个周期的持续时间,定义为1秒,其准确度优于×10-13,比以天文观测为基础的天文时高5 个量级,是当前具有最高计量特性的时间频率标准,作为时间频率基准,它具备独立地评定准确度的能力。时间频率基准往下传递,可建立各级时间频率标准,其准确度是靠校准获得的。


世界时(UT,Universal Time):以地球自转周期(1天)确定的时间,即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差约为10^-7量级。


历书时(ET):以地球绕太阳公转为标准,即公转周期(1年)的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时(国际天文学会定义)。准确度达1×10^-9 。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。


原子时标的定义:1967年10月,第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义:“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束持续9,192,631,770个周期的时间”。1972年起实行,为全世界所接受。秒的定义由天文实物标准过渡到原子自然标准,准确度提高了4~5个量级,达5×10^-14(相当于62万年±1秒),并仍在提高。


时间和频率共用一个基准。在数学上,时间与频率互为倒数


时间是物理学中的七个基本物理量之一,符号t。在国际单位制(SI)中,时间的基本单位是秒,符号s,在1967年召开的第13届国际度量衡大会对秒的定义是:铯-133的原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。这个定义提到的铯原子必须在绝对零度时是静止的,而且在地面上的环境是零磁场。在这样的情况下被定义的秒,与天文学上的历书时所定义的秒是等效的。生活中常用的时间单位还有:毫秒ms、分min、小时h、日(天)d、周、月、年等。


频率,是单位时间内完成周期性变化的次数,是描述周期运动频繁程度的量,常用符号f或u表示,单位为秒分之一。为了纪念德国物理学家赫兹的贡献,人们把频率的单位命名为赫兹,简称“赫”。每个物体都有由它本身性质决定的与振幅无关的频率,叫做固有频率。频率概念不仅在力学、声学中应用,在电磁学和无线电技术中也常用。


时间与频率互成倒数关系。


2.1 时间标准


时间标准是一种计量时间的规范:时间流逝的速度或者时间点,或两者都是。如今,几种原本只是惯例和习惯做法的时间规范已经被公认为标准。被用作一个时间标尺是一种时间标准的应用实例,它规定了用于测量时间划分的方法。民间时间的标准可以同时定义时间间隔与日时间。


2.2 频率标准


由于时间与频率互为倒数关系,所以频率标准可以由时间标准导出。


时间频率标准包括精密钟、音叉、高稳定石英晶体振荡器和各种原子频率标准。


原子频率标准具有主动型(有源)和被动型(无源)两种类型,前者由量子振荡器直接输出标准频率,后者不能直接输出标准频率,而是通过量子系统的受激跃迁吸收程度(谐振与否)得到误差信号,去修正压控晶体振荡器的频率,由晶体振荡器输出标准频率。铯束原子频率标准是被动型的典型例子。


压控晶振的输出信号经倍频和频率合成后产生供原子跃迁用的激励信号。当激励信号频率等于原子跃迁系统中的原子跃迁频率时,发生跃迁的原子数最多;偏离时则减少。跃迁检测器上产生与跃迁原子成比例的电信号。调制信号的作用是产生与激励信号偏离跃迁频率不同方向相对应的控制信号,经相位检波器后变成相应的误差电压,放大后修正压控晶体振荡器的频率。当频率锁定时,即激励信号的频率等于原子跃迁频率;此时压控晶体振荡器输出的频率就可作为标准频率,经多级分频后可得标准秒信号。


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