时间频率测量技术的发展与应用
21世纪中国电子仪器发展战略研讨会2004年9月时间频率测量技术的发展与应用
陈洪卿
(中国科学院国家授时中心)
1时间频率精密测量的目的和意义
信息化时代的到来，高精度时问频率已经成为一个国家科技、经济、政治、军事和社会生活中至关
重要的一个参量。时间的应用范围已经渗透到从基础研究领域(天文学、地球动力学、物理学等)到工程
技术领域(信息传递、电力输配、深空跟踪、空间旅行、导航定位、武器实验、地震监测、计量测试等)，以及关系到国计民生的国家诸多重要部门和领域(交通运输、金融证券、邮电通信等)的各个方面，几乎无所不及。
中国科协副主席、时间工作专家叶叔华院士认为“生活离不开时间频率，它是高新技术的基础”。“863”高科技计划倡导者陈芳允院士认为“时间频率在工业、交通、电信等方面的应用十分广泛。计时、工业控制、定位导航、现代数字化技术和计算机都离不开时频技术和时频测量”。它“在科技发展和社会进步中占有特殊重要的地位。”[1]2003年全国时间频率学术会议上，王义道教授作特邀报告“建设我国独立自主时间频率系统的思考”[2]指出：时间频率系统是维护国家安全和独立自主的命脉；现代化战争中原子钟比原子弹更重要；精密时间频率广泛应用于现代通信、导航、制导、定位、天文观察、大地测量、地质勘探、电网调配、电子对抗、交通管理、精密测量、科学研究等领域，设备需求量很大；标准频率与时间信号可以通过电磁波发射、传播、接收，直接为各种应用服务。
时间是国际单位制中的最基本的物理量之一，也是目前能够实现的测量不确定度最小的物理量。时间测量的精密度可小于10—18，准确度可达10一15。这使时间频率在计量、测量领域中起着十分突出的领先和独特作用[3]。因此，其它的物理量，如果能够通过一定的物理关系和物理常数转化为时间频率量来进行测量，用时间测量来表征，那么，该物理量的测量
精度将会大大提高，并使计量单位趋向于统一。典型的例子，莫过于长度单位一米的定义。100 多年前，为适应世界贸易和科学技术发展需求，为统一国际长度度量单位和标准，成立国际米
制委员会，并确定和保持米尺原器，成为现代国际公制计量系统的基础。长度单位一米的测量
精度好不容易才达到10一8[4]。而今，由光速不变原理和L=CT确定长度，长度单位l米=真
空中光在1／299 792458秒时间内传播的距离，这样就可以用时间测量来表征长度测量，其精
度就提高到lO一9以上。作为原始基准的独立定义的长度单位，蜕变成由时间一光速联合定义的导出单位，长度单位就统一于时间单位了。此外，通过交流约瑟夫森量子效应，从加在约瑟
夫森结上的电压V与所产生的交流电频率之间的关系f=(2e／h)／v和国际协定常数值2e／h=483
597．9GHz／V，由测量频率求得电压；也可以求得电流、电阻以及温度等等[3]。
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随着无线电技术、电子技术、激光技术以及相关电子测量技术的发展，以时间频率测量为技术支持的无线电测距定位导航、激光测距定位导航技术和业务迅速展，使精确定位导航、
精准武器制导等技术成为现代化战争的重要方面，所以说作为高精度时间频率技术标志的原子钟在现代战争中比原子弹还重要。此外，高精度时间频率测量技术在现代通信(包括移动通信)、
计算机网络、广播电视、电力自动化、交通运输、自动控制、地震监测、航空航天、深空跟踪、
科学探测以及人们生产、生活的方方面面，都有应用需求。因此，不断发展和提高时间频率测
量技术和设备，并推广应用，是提高综合国力的战略措施。
2时间频率测量技术的新进展
上个世纪50年代以来，时间频率测量技术有了突飞猛进的发展，平均而言，每过10年，时间频率的测量精度就要提高I-2个数量级。电子技术、无线电技术、计算机技术、信息网络技术以及其它各种相关科学技术的发展，在对时间频率测量技术提出需求的同时，也促进了时
间频率测量技术的发展和进步。从以下几个方面可以看到时间频率测量技术的不断发展和成就。
2．1 频率标准技术的研究与进展自1955年英国国家物理实验室NPL研制成世界上第一台1．10一10的铯原子频标始，1967
年达到l*lO一1I，更新了秒长定义；目前已达到I*10—15的量级。除研制光抽运和激光喷泉
铯原子钟外，铷原子频标、氢原子频标、钙原子光频标、汞离子频标等在准确性、稳定性、实用性、可靠性方面各有特色的频率标准也在不断发展更新。典型的标志之一就是，在最近召开
的第16届国际时间频率咨询委员会(CCTF)的会议上，就“国际秒定义”生成了补充定义，
即第二个“国际秒定义”：建议使用87Rb的超精细能级间的量子跃迁6834682610．904324个周
期为一秒[4]。这也意味着，测量对象无论是微观的原子、量子运动，或是宏观的脉冲星双星运动，只要找到一种可靠的测量方法和技术，能比测量铯原子更准、更方便使用，就可能成为
新的频率标准，更新国际秒标准定义。北京大学、中国计量科学研究院、中国科学院上海天文台、武汉数学与物理研究所等等分别在铷、铯、氢原子频标研制不断取得进展，在商品化生产
和市场化竞争方面，尚有待加强，才能与国际市场接轨。
2．2时间标准UTc的研究与进展
时间测量包括时间间隔(对应于秒长一周期一频率)和时刻(由相对于时间历元的若干时间
间隔计量)两部分测量。它们分别由国际原子时TAI实现定义秒长和由国际地球自转服务组织IERS确定的世界时UT相互协调，生成世界通用的标准时间系统——协调世界时UTC。随着原子时比对测量技术的进步和天文测量方法、技术测定地球自转运动的精度提高，用UTC确定某个事件发生时刻的精度，已由以前的1微秒提高到现在的好于100纳秒。与此同时，国际天文学会IAU、国际计量局BIPM、国际电讯联盟ITU、国际标准化组织ISO等等国际组织都表明，应该把UTC作为国际标准时间(包括对应的时刻／日期)、标准频率的统一参考标准。这对于。时间就是金钱”、信息快变、争分夺秒的现代化社会生产、生活和科技发展来说，都是十分必要
的。为此，正在编制的国家标准《标准时间频率信号发射技术规范》将与国际标准接轨，采用
相关的国际标准作为我国国家标准，并明确定义我国的标准时间——北京时间=UTC+SH。国际上要求各国标准时间实验室保持的U1．C(K)与国际UTC的时刻偏差应该不大于100纳秒，中
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国科学院国家授时中心所保持的UTC(NTSC)与UTC的偏差达到50纳秒以内[5]，进入国际先
进行列。
2．3 标准时间频率发播、传输与测量技术的发展高精度的时间频率源要通过各种手段传输给用户，为用户服务。传输过程中，从发播、传
播、中继，到接收、解调和应用，都离不开时间频率测量技术和相关的电子测量控制设备。无
线电、电子测量、信息编码、卫星技术的进步，先后出现短波、长波、微波、电视、卫星等无
线电方法发播、传输标准时间频率，它们时间测量和时间同步的精度分别达到毫秒、微秒、纳秒、皮秒。目前，远距离时间比对测量的最高精度为卫星双向法和激光方法，系统的测量精度
到若干皮秒。这对时钟信号源、传输设备以及比对测量设备的要求都相当高。我国BPM短波时号的发播控制误差小于O．1毫秒，BPL长波时号发播控制误差小于O．1微秒，北斗一号卫星时号发播控制的误差小于几纳秒。这些都表明时间频率测量技术发展和进步。下表1是上世纪末美国对时间频率不同精度的调查结果；下表2是国际电联ITU—R第1011建议书关于不同系统、传输手段所能达到的时间频率传输、测量精度[5]：该建议书也将成为指导我国时间频率用户应用选择的参考标准。
(1)美国ISI调查用户对时间频率准确度的需求(1999)
等级时间频率用户数手段
低1秒一1毫秒lO一一10—8 >10000 电话短波
中1毫秒一10微秒lO～一10—10 约3000 GOES／子午仪
高10微秒一50纳秒10—10—5X10—13约1200罗兰C、GPS
特高50—1纳秒5X10—13一10’14约200 GPS／光缆
超高优于1纳秒优于10。14 约40 TWSTT／光缆
(2)时间频率传输的系统、手段与精度
序号传输手段校时准确度频率准确度国外系统国内系统
l H
F广播1一10 ms 10．6-10。8／天WWⅧ，JJl『BPM，SXG
2 L F广播 1 mS 10—10一10一11 WWVB，DCF77 BPC
3 罗兰C l∥S10—12 罗兰C链长河二号
BPL
4 地面T V广播10 ns 10—1z—10一H 美国行1 0 CcTV行6
(共视)
5 导航星广播50—500ns lO一10．10—12 GPS 北斗l号
共视5—20ns 10q3／天GLONASS
6 气象卫星100∥S美G O E S
欧洲
L A S S O
21世纪中国电子仪器发展战略研讨会
2004年9月
同步广播卫星
20∥S
o
印度
C C T V
7
5×10—1
(卫星电视)
I N S A T
卫星电视
8
T W S T
T
1—10 11S
5
欧美日澳 中、日
10一1．一10—1
9
电话时码
1—10 ms
10卅／天 欧美日
NTSC
(双向)
NIM
光纤
1 0
50 km 2 10—50 ps
10一10-10’17
美
0 0 0
km
10—100 ns
lOq3—1014／天
1 1
微波线路
l —10
IIS
lO 一1‘_10—15
大气多径，必须双向
(局部中继)
专用局部视距
1 2
同轴电缆
1—10
ns
10-14_10—15
几百米 几百米
1 3 搬运钟 <100
ns
l 4 网络 <1S
1 5
其它
2．4 时间频率接收、测量、比对技术的研究与进展以
GPS 全球卫星导航定位系统为代表的新的卫星授时系
统的出现，也把标准时间频率信号
的接收测量比对技术和设备提高到一个新水平。此前，用户要得到1微秒准确时间，除需要专
用仪器设备外，还需要一定的操着程序和技术方法，现在GPS 定时接收机，只要打开电源开关，
无须其它操作，可以自动实现准确度为1微秒或100纳秒的时间信息。这对于其它各种电子测 量设备实现自动控制和系统自动化管理，带来极大的方便。前面讲到，用时间测量关联其它物 理量测量，可以大大提高该物理量测量精度，现在可以说，除去GPS 用于导航定位功能外，任 何时间频率应用，只要采用GPS 技术或类似卫星技术的定时校频功能，就会取得长足的进步和 成功。这也使年产值数十亿美元的世界GPS 产业每年有2个百分点的增长速度。国产的北斗一
号卫星定时接收机业已开发，面向市场，这将会改善GPS 时间频率技术和产品占据我国时间频
21世纪中国电子仪器发展战略研讨会2004年9月3时间频率领域电子测量技术设备发展展望与标准化
时间间隔的测量精度己从过去的毫秒、微秒提高到纳秒、皮秒和飞秒。频率测量的准确度
更高。它们都由相关的电子测量技术、设备、相关的测量程序(技术规范)加以实现。用于时
间频率测量的仪器设备，除不断提高测量精度外，就是向智能化方向发展。虚拟仪器的概念和
技术也已在时间频率测量中显示其优越性。
以GPS技术为代表的国外时间服务系统、技术、产品，业已挤占我国电力、电信、交通、金融、科学研究(包括国防科研)等涉及国家安全和社稷民生部门的时间频率用户市场。加入
WTO后，其势更盛。为保护国家权益和我国时频科学技术发展和结构战略性调整，培育、规范
国内时频技术市场，运用时频技术标准化、时间工作管理标准化作为规划、保护的手段，很有
必要[6]。
数字频率计测频率与测周期的基本原理
了解数字频率计测频率与测周期的基本原理；熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。 [重点与难点] 重点：数字频率计的组成框图和波形图。 难点：时基电路和逻辑控制电路。 [理论内容] 一、数字频率计测频率的基本原理 所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s)内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为 f=N/T (1) 二、数字频率计的主要技术指标 1、频率准确度 2、频率测量范围 在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。 3、数字显示位数
频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。 4、测量时间 频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。 三、数字频率计的电路设计与调试 1.基本电路设计 数字频率计的基本框图如图2所示，各部分作用如下。 ①放大整形电路 放大整形电路由晶体管3DG100与74LS00等组成。其中3DGl00组成放大器将输入频率为的周期信号如正弦波、三角波等进行放大。与非门74LS00构成施密特触发器，它对放大器的输出信号进行整形，使之成为矩形脉冲。 实验五数字频率计 实验目的 1. 了解数字频率计测量频率与测量周期的基本原理； 2. 熟练掌握数字频率计的设计与调试方法及减小测量误差的方法。实验任务
用中小规模集成电路设计一台简易的数字频率计，频率显示为四位，显示量程为四挡, 用数码管显示。1HZ—9.999KHZ ，闸门时间为1S ； 10HZ—99.99KHZ, 闸门时间为0.1S ； 100HZ—999.9KHZ, 闸门时间为10MS ； 1KHZ—9999KHZ, 闸门时间为1MS ； 实验五数字频率计 实验原理 1. 方案设计 原理框图见图1： 原理简述 所谓频率，就是周期性信号在单位时间(1s) 内变化的次数．若
长度与时间的测量 知识讲解
长度与时间的测量 【学习目标】 1．认识时间和长度的测量工具及国际单位； 2. 会正确使用相关测量工具进行测量，并正确记录测量结果； 3．知道测量长度的几种特殊方法； 4. 知道误差与错误的区别。 【要点梳理】 要点一、长度的测量 人的直觉并不可靠，要得到准确的长度需要用工具进行测量。 要点诠释： 1．长度的单位及其换算关系 ①国际单位：米常用单位：千米、分米、厘米、毫米、微米、纳米 ②单位符号及换算 千米(km) 米(m) 分米(dm) 厘米(cm) 毫米(mm) 微米(μm) 纳米(nm) 1km=1000m=103m 1m=10dm=100cm=1000mm=103mm 1mm=103μm 1μm ==103nm 2．测量工具： ①刻度尺(最常用)； ②精密仪器：游标卡尺，激光测距仪。 3．【高清课堂：《长度、时间及其测量》】刻度尺的正确使用 ①看：看清刻度尺零刻度线是否磨损；看清测量范围(量程)；看清分度值(决定了测量的精确程度)。 ②选：根据测量要求选择适当分度值和量程的刻度尺； ③放：刻度尺的刻度线紧靠被测长度且与被测长度平行，刻度尺的零刻度线或某一整数刻度线与被测长度起始端对齐； ④读：读数时视线要正对刻度尺且与尺面垂直；要估读到分度值的下一位； ⑤记：记录结果应包括数字和单位，一个正确的测量结果包括三部分，准确值、估计值和单位。 要点二、测量长度的几种特殊方法 对于无法直接测量的长度，需要采用特殊方法。 要点诠释： 1．化曲为直法(棉线法) 测量曲线长度时，可让无伸缩性的棉线与曲线完全重合，作好两端的记号，然后把线轻轻拉直，用刻度尺测量出长度，就等于曲线的长度。 2．累积法： 对于无法直接测量的微小量的长度，可以把数个相同的微小量叠放在一起测量，再将测量结果除以被测量的个数，就可得到一个微小量的长度。 3．滚轮法： 用已知周长的滚轮在待测的较长的直线或曲线上滚动，记下滚动的圈数，则被测路段的长度等于圈
2.1水准测量原理及使用的仪器和工具
1、水准测量原理 水准测量是利用水准仪提供的水平视线和水准尺来测定地面两点间的高差，并由已知点的高程推算出未知点高程的一种测高方法。 （1）高差测量 高差是指地面两点间的高程之差。高程测量的原理如图2-1-1所示。欲测A、B 两点间高差，可分别在A、B两点竖立水准尺，并在A、B两点间安置水准仪，当水准仪视线水平时，后视A尺读数为a，前视B尺读数为b，则A、B两点高差为： 图2-1-1 水准测量原理 （2）高程的计算 如图2-1-1，根据已知点A的高程HA和测定的高差，可计算点B的高程H B，可用两种方法计算，即： 1）高差法：即直接利用A、B两点间的高差h AB来计算B点高程的方法。 2）仪高法：即利用仪器视线高程H A来计算B点高程的方法。 2、水准测量的仪器和工具 （1）水准仪
水准测量所使用的仪器称为水准仪，辅助工具为水准尺和尺垫等。水准仪按其精度可分为DS05、DS l、DS3和DSl0四个等级；按结构可分为微倾式水准仪和自动安平水准仪；按造构可分为光学水准仪和电子水准仪。目前工程测量中，广泛使用DS3级水准仪。因此，本章着重介绍这类仪器。 1）DS3微倾式水准仪的构造 DS3微倾式水准仪主要由望远镜、水准器及基座三部分构成。如图2-1-2 图2-1-2 DS3微倾式水准仪 图2-1-2 DS3微倾式水准仪 ①望远镜 如图2-1-3，DS3水准仪望远镜主要由物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板所组成。物镜和目镜多采用复合透镜组，十字丝分划板上刻有两条互相垂直的长线，竖直的一条称竖丝，横的一条称为中丝，是为了瞄准目标和读取读数用的。在中丝的上下还对称地刻有两条与中丝平行的短横线，是用来测定距离的，称为视距丝。十字丝
测量仪器和测量工具管理制度(条例清晰)
测量仪器和测量工具管理制度 1?仪器工具的借领 (1)以小组为单位前往测量实验室借领测量仪器工具。仪器工具均有编号，借领时应当场清点和检查，如有缺损，立即补领或更换。 (2)仪器搬运前，应检查仪器背带和提手是否牢固，仪器箱是否锁好，搬运仪器工具时，应轻拿轻放，避免剧烈震动和碰撞。 (3)实验或实习结束后，应清理仪器工具上的泥土，及时收装仪器工具，送还仪器室。仪器工具如有损坏和丢失，应写出书面报告说明情况，并按有关规定给予赔偿。 2?仪器的安装 (1)开箱取出仪器之前，应看清仪器在箱中的安放位置，以免装箱时发生困难。 (2)架设仪器脚架时，3条腿抽出的长度和3条腿分开的跨度要适中，架头大致水平。若地面为泥土地面，应将脚架尖踩人土中，以防仪器下沉。若在斜坡地上架设仪器脚架，应使两条腿在坡下，一条腿在坡上。若在光滑地面上架设仪器脚架，要采取安全措施，防止仪器脚架打滑。 (3)仪器箱应平稳放在地面上或其他平台上才能开箱。开箱后应注意仪器的安放位置，以便用毕后按原样装箱。取仪器前应先松开制动螺旋，以免在取出仪器时因强行扭转而损坏制动装置。 (4)取仪器时，应双手握住照准部支架或基座部分取出，然后轻轻放到三脚架头上。一手仍握住照准部支架，另一手将中心连接螺旋旋入基座底板的连接孔内旋紧。预防因忘记拧上中心连接螺旋或拧得不紧而摔坏仪器。 (5)从仪器箱取出仪器后，要随即将仪器箱盖好，以免沙土杂草进入箱内。禁止坐、蹬仪器箱。 3?仪器的使用 (1)在任何时候，仪器旁必须有人看管，做到“人不离仪器”，以防止其他无关人员拨弄仪器或行人、车辆撞倒仪器。在太阳或细雨下使用仪器时，必须撑伞保护仪器，特别注意仪器不得受潮，雨大必须停止观测。
精确的频率和时间测量-时基的选择
少年易学老难成，一寸光阴不可轻 - 百度文库 1 精确的频率和时间测量 - 时基的选择 上篇文章谈到了频率和时间测量的分辨率和精度。相信很多工程师会感兴趣测量一个结果后，其误差或不确定度到底是多少。测量的不确定度是由3个因素构成的，即 基本不确定度 = k* (随机不确定度 ± 系统不确定度 ± 时基不确定度) 事实上，要获得准确的随机不确定度和系统不确定度是一件非常恐怖的事情。它是与众多参数相关的非常复杂的函数。如果诸位有兴趣了解这个，可以到网上查阅安捷伦53200 系列频率计数器的详细资料，出版号是 5990-6283CHCN 。 好在安捷伦的工程师将这个复杂的运算公式做成了一个简单的表格。您只需输入测量的相关设置和结果，这个表格可以自动帮助你得出不确定度。如果有兴趣，可以与安捷伦的电话服务中心联系 400-810-0189 关于随机不确定度和系统不确定度，这与闸门时间和测量次数密切相关。简单地讲，延长闸门时间和增加测量次数，都可以降低者两个不确定度。但时基的不确定度是由计数器本身的老化和工作环境，以及其本身的相位噪声等参数决定的。频率计数器的测量精度始于时基，因为它建立了测量输入信号的参考。更好的时基有可能得到更好的测量。例如，如果时基的月老化率是0.1ppm ，仪器在校准后一个月内使用，它对10MHz 信号测量带来的不确定度则是 1Hz 。 但如果老化率是0.01ppm, 其带来的不确定度只有0.1Hz. 环境温度对石英晶体的振动频率有很大影响，可根据热行为把时基技术分为三类: 1. 标准时基。标准或“室温”时基，不使用任何类型的温度补偿或控制。其最大优点是便宜，但它也有最大的频率误差。下图中的曲线示出典型晶体的热行为。随着环境温度的改变，频率输出能变化5ppm 或更高。对于1MHz 信号为±5Hz ，因此是测量中必须考虑的重要因素。在通用侧测试仪器，如示波器、函数信号发生器、频谱仪中，采用的是这种时基。在过去低端的频率计数器，其标准配置的时基也这这种得标准时基 2. 温度补偿时基。有时，我们也称之为高稳时基。一种解决晶体热变化的方法是让振荡器电路中的其它电子元件补偿其热响应。这种方法可稳定其热行为，把时基误差降低到约0.1ppm （对1MHz 信号为±10.1Hz ）典型的事安捷伦53200A 系列频率计数器标准配置的时基就是这种，其老化率可达到0.1ppm 。 有时，这种时基也被用于输出频率精度更高的信号源，如安捷伦的33520A 系列函数和任意波性发生器，这种时基就是一个选件 3. 恒温槽控制。稳定振荡器输出的最有效方法是让晶体免受温度变化。计数器设计师把晶体放入恒温槽，保持其温度在热响应曲线的特定点。从而能得到好得多的时基稳定度，典型误差只有0.0025ppm （对于1MHz 信号为±0.0025Hz ）。
《长度与时间的测量》教案
第二节长度与时间的测量-掌门1对1 一、教学目标 【知识与技能】 1．会使用适当的工具测量时间和长度． 2．知道测量有误差，误差和错误有区别． 【过程与方法】 1．体验通过日常经验或自然现象粗略估计时间和长度的方法，具有初步解决简单生活问题的能力． 2．通过进行简单的测量，具有使用简单测量工具的能力． 【情感、态度与价值观】 1．认识计量时间和长度的工具及其发展变化的过程，培养对科学技术的热爱． 2．通过学习简单的测量知识，体会测量在物理学中的重要性．养成细致、严谨的学习习惯． 二、教学重难点 重点：长度单位、时间单位及换算关系 难点：刻度尺的正确使用 三、课时安排 1课时 四、教与学互动设计 （一）创设情景，导入新课 【导语一】 一、四种不同事物的两两比较 l.两根长短不同的木棍。 2.两支粉笔与一盒粉笔。 3．两个田径运动员一快一慢地跑步。 4．两杯水冷热不同。 【提问】通过比较，同学们发现它们有哪些不同? 【点拨】1．长短不同。2．多少不同。3．快慢不同。4．冷热不同。) 【小结】在日常生活中对不同事物的比较随处可见，要对事物进行比较就需要进行测量。 二、用投影片显示三张图。 【提问】图l中横线与竖线是否等长? 图2方框中四条边是否是直线? 图3中横线是否平行? 【点拨】意见可能不统一，教师用尺加以确认。
【小结】对事物的比较和判断仅凭感觉器官是不完全可靠的，必须借助仪器进行测量才能得出正确的结果。 【导语二】北京故宫太和殿前有一座古代的太阳钟，叫日晷。日晷也叫日规，是利用日影测定时间的一种仪器。我国古代的日晷，常用一个石制的圆盘当钟面，圆盘中心有一根铁针。日晷倾斜的安置在石座上，钟面的分度是十二个时辰，看到指针在钟面上的投影，就可以知道时间了。 然后，教师播放事先准备好的图片文件，让学生感知各种计时工具和长度的测量工具。介绍各种工具的发展变化，鼓励学生用科学的眼光认识身边的事物。 【导语三】在生活、生产和科研中，经常要进行长度和时间的测量。探究物体的运动规律也需要进行长度与时间的测量。要进行测量，就要有一个人们公认的测量标准——测量单位。今天我们就来学习一下长度和时间的测量。 （二）合作交流，解读探究 一、测量——是一种科学的比较 在图中，有a、b两线段，你能说出线段a比线段b长多少吗?这个问题似乎不难回答，用尺量一下就知道了，可是在古代它却是个大难题，其关键是当时没有比较的标准。 我国夏禹以自己身高定为一丈，一丈的十分之一定为一尺，英国查理曼大帝以自己的足长定为一英尺。 【点拨】这些传说，揭示了一个道理：要合理地进行比较，需要有一个公认的标准量作为比较的依据，这个标准量叫做测量单位。 又传说，英国有一胖一瘦两位大臣，各用自己的腰围做单位，测量同一段布的长度。瘦的说有10围，胖的说只有7围，结果争执不下。 【点拨】这个传说，又揭示了一个道理：要精确地进行测量，测量的单位必须统一。 二、测量单位 【说明】为了便于各国经济、文化、科学技术的交流，国际上规定了一套统一的单位叫做国际单位制(SI)，其中长度和时间单位规定是： (1)长度的单位——“米”，符号是m 比“米”大的长度单位有“千米(km)”，比“米”小的长度单位有“分米(dm)”、“厘米(cm)”、“毫米(mm)”、“微米(μm)”、“纳米(nm)”等，它们之间的换算关系是：1km＝103m ldm＝10-1m 1cm＝lO-2m lmm＝10-3m 1μm＝10-6m 1nm＝lO-9m (2)时间的单位——“秒”，符号是s 比“秒”大的时间单位有“时(h)”、“分(min)”，比“秒(s)”小的时间单位有“毫秒(ms)”、“微秒(μs)”等 1h＝60min 1min＝60s 1s＝103ms 1ms＝103μs
GPS测量原理与应用试卷与答案(共5套)
GPS原理与应用 第一套 一、单项选择题（每小题 1 分，共 10 分） 1.计量原子时的时钟称为原子钟，国际上是以（ C）为基准。 A、铷原子钟 B 、氢原子钟 C 、铯原子钟 D 、铂原子钟 2.我国西起东经 72°，东至东经 135°，共跨有 5 个时区，我国采用（ A ）的区时作为统一的标准时间。称作北京时间。 A、东8区 B 、西8区 C 、东6区 D 、西6区 3.卫星钟采用的是 GPS 时，它是由主控站按照美国海军天文台（ USNO） （ D ）进行调整的。在 1980 年 1 月 6 日零时对准，不随闰秒增加。 A、世界时（UT0） B 、世界时（UT1） C、世界时（UT2） D 、协调世界时（UTC） 4.在 20 世纪 50 年代我国建立的 1954 年北京坐标系是（ C）坐标系。 A、地心坐标系 B 、球面坐标系 C、参心坐标系 D 、天球坐标系 5.GPS定位是一种被动定位，必须建立高稳定的频率标准。因此每颗卫星上都必须 安装高精确度的时钟。当有 1×10— 9s 的时间误差时，将引起（ B ）㎝的距离误差。 A、20 B 、30 C 、40 D 、50 6. 1977 年我国极移协作小组确定了我国的地极原点，记作（B）。 A、JYD1958.0 B 、 JYD1968.0 C 、 JYD1978.0 D 、JYD1988.0 7. 在GPS测量中，观测值都是以接收机的（ B ）位置为准的，所以天线的相位 中心应该与其几何中心保持一致。 A、几何中心 B 、相位中心 C、点位中心 D 、高斯投影平面中心 8.在 20 世纪 50 年代我国建立的 1954 年北京坐标系，采用的是克拉索夫斯基椭球元素，其 长半径和扁率分别为（ B ）。 A、a=6378140、α =1/298.257 B 、a=6378245、α =1/298.3 C、a=6378145、α =1/298.357 D 、a=6377245、α =1/298.0 9.GPS 系统的空间部分由21 颗工作卫星及 3 颗备用卫星组成，它们均匀分布在（D） 相对与赤道的倾角为55°的近似圆形轨道上，它们距地面的 平均高度为20200Km，运行周期为11 小时58 分。 A、3 个 B 、四个 C 、五个 D 、 6 个 10.GPS卫星信号取无线电波中 L 波段的两种不同频率的电磁波作为载波，在载波 2 L 上调制有（ A）。
时间间隔测量技术综述
高精度时间间隔测量方法综述 孙 杰 潘继飞 （解放军电子工程学院，安徽合肥，230037） 摘要：时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用，如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题。在分析电子计数法测量原理与误差的基础上，重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法，这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量，并且取得了非常好的效果。文章的最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。 关键词：时间间隔；原理误差；内插；时间数字转换；时间幅度转换 Methods of High Precision Time-Interval Measurement SUN Jie , PAN Ji-fei （Electronic Engineering Institute of PLA, HeFei 230037, China ） Abstract: Technology of time-interval measurement has been applied in many fields. How to improve its precision is an emergent question. On the bases of analyzing electronic counter ’s principle and error, this paper puts emphasis upon introducing high precision time-interval measurements all over the world. All these methods aim at electronic counter ’s principle error, and obtain special effect. Lastly, the progress direction and application foreground of high precision time-interval measurement methods are predicted. Key Words: time interval; principle error; interpolating; time-to-digital conversion; time-to-amplitude conversion 0引言 时间有两种含义，一种是指时间坐标系中的某一刻；另一种是指时间间隔，即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间，因此，时间间隔测量属于时间测量的范畴。 时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法，指出其发展趋势，为研究新的测量方法指明了方向。 1 电子计数法 1.1 测量原理与误差分析 在测量精度要求不高的前提下，电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法，已经在许多领域获得了实际应用，其测量原理如图1 量化时钟频率为 0f ，对应的周期001f T =，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数N M ,，1T ，2T 为待测脉 冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则待测脉冲时间间隔x T 为： ()210T T T M N T x -+?-= （1） 然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数N M ,，因此其测量的脉冲时间间隔为： ()0' T M N T x ?-= （2） 比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为21T T -=?，其最大值为一个量化时钟周期0T ，产生的原因是待 测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致，该误差称为电子计数法的原理误差。 除了原理误差之外，电子计数法还存在时标误差，分析表达式（2）得到： ()()00'..T M N T M N T x ?-+-?=? （3） 比较表达式（3）（2）： ()()00 ''T T M N M N T T x x ?+--?=? （4） 根据电子计数法原理，()1±=-? M N ，0'T T M N x =-，因此： 00'0'T T T T T x x ??+±=? （5） 00'T T T x ??即为时标误差，其产生的原因是量化时钟的稳定度00T T ?，可以看出待测脉冲间隔x T 越大，量化时钟的稳 定度导致的时标误差越大。 作者简介：孙杰： （1975—），男（汉族），安徽合肥人，解放军电子工程学院讲师 潘继飞：（1978—），男（汉族），安徽凤阳人，解放军电子工程学院信号与信息处理专业博士生
建筑工程测量：水准测量仪器与工具
建筑工程测量 水准测量仪器与工具 一、水准测量的仪器和工具及其使用 水准测量使用的仪器为水准仪，工具为水准尺和尺垫。水准仪按其精度分为DS 0.5 、 DS 1、DS 3 和DS 10 等几种等级。代号中的“D”和“S”是“大地”和“水准仪”的汉语拼音 的第一个字母，其下标数值意义为：仪器本身每公里往返测高差中数能达到的精度，以毫米计。 工程测量一般使用DS 3级水准仪。如图2-2所示，为DS 3 型微倾式水准仪视图，它主 要由远望镜、水准器和基座三个基本部分组成。 1.望远镜 水准仪的望远镜是用来瞄准水准尺并读数的，主要由物镜、目镜、对光螺旋和十字丝分划板组成。如图2-3所示，为DS 3 型微倾式水准仪内对光式倒像望远镜构造略图。图2-4是望远镜成像原理，其中物镜的作用是使远处的目标在望远镜的焦距内形成一个倒立的缩小的实像。当目标处在不同距离时，可调节对光螺旋，带动凹透镜使成像落在十字丝分划板上，这时，十字丝和物像同时被目镜放为虚像，以便观测者利用十字丝来瞄准目标。当十字丝的交点瞄准到目标上某一点时，该目标点即在十字丝交点与物镜光心的连线上，这条线称为视准轴，也称为视线。十字丝分划板是用刻有纵贯十字丝的平面玻璃制成，装在十字丝环上，再用固定螺丝固定在望远镜筒内，如图2-5所示。
2.水准器 水准器用来指示仪器视线是否水平或竖轴是否竖直。有管水准器和圆水准器两种。 （1）管水准器（水准管） 水准管是一个封闭的玻璃管，管的内壁在纵向磨成圆弧形，内盛酒精和乙醚的混合液，经过加热、封闭、冷却后，管内形成一个气泡（图2-6）。水准管内表面的中点0称为零点，通过零点作圆弧的纵向切线LL 称为水准管轴。当气泡中心点与零点重合时，称为气泡居中，此时水准管轴水平。自零点向两侧每隔2mm 刻一个分划，每2mm 弧长所对的圆心角称为水准管分划值： R ' '2ρτ= 图2-3 望远镜构造略图 图2-4 望远镜成像原理 图2-5 十字丝板装置
(完整版)《长度和时间的测量》教学设计
《测量长度和时间》教学设计 【教材分析】： 本节的主要目标是让学生知道学习物理要做些什么。教材在学生初步认识了物理学后，通过安排学生人人动手的小实验，让每个学生都感受到奇妙、有趣的物理现象就在身边，让学生从动手做实验的过程中学会测量长度和时间的一些基本方法。其目的就是让学生知道学习物理就需要仔细观察、认真动手实验和进行测量。 【学情分析】： 学生刚刚接触物理，具有学习物理的浓厚兴趣，还没有良好的科学素养，学生由感性认识向理性认识的转化能力弱。学生乐于动手实际操作，缺乏对规范操作规程的掌握，培养学生科学素养是重点。 【教学目标】： 1、知识与技能 (1) 会使用适当的工具测量时间和长度 (2) 知道测量有误差，误差和错误有区别 2、过程与方法 (1) 体验通过日常经验或自然现象粗略估计时间和长度的方法。 (2) 体验探究长度间接测量的探究过程。 3、情感、态度与价值观 认识计量时间和长度的工具及其发展变化的过程，培养对科学技术的热爱。 【教学理念】： 突出新科学课程的理念，培养学生的探究能力和分析能力，引导学生在探究过程中寻找答案，获得知识；倡导学生主动参与，乐于探究，勤于动手，体现个性化的教育思想和情感教育思想、学习的个体化。 本节的重点在于：（1）认识常用的计时工具和长度测量工具。（2）用刻度尺测量物体长度。 本节的难点在于：误差和错误的区别 鉴于本节课的重点难点，建议采用的教学方法：演示法、观察法、实验与讨论 【教学过程】： 一、新课引入 师：上节课我们已经进入了物理学的世界，现在我们先来做几个有趣的实验： 1、隔掌吸钉 2、纹丝不动 3、成像奥秘 （教师演示实验，引导学生仔细观察）
长度和时间的测量(讲义含答案)
长度和时间的测量（讲义） 一、 知识点睛 1. 长度的单位 （1） 在国际单位制中，长度的基本单位是____，符号是____。 （2） 比米大的单位有千米（km ），比米小的单位有分米（dm ）、厘米（cm ）、 毫米（mm ）、微米（μm ）、纳米（nm ）等。 2. 单位换算方法： 例：0.53μm=____________m 。 数字不变乘以原单位与目标单位之间的进率，将原单位改写为目标单位即可。 3. 常见的长度测量工具：刻度尺（重点）、三角板、卷尺、皮尺。 4. 刻度尺的使用 （1） 认识刻度尺 ① 量程，也就是刻度尺的测量范围； ② 分度值，相邻两刻度线之间的长度，分度值越小， 精确程度越高。 （2） 刻度尺的使用步骤 ① “选”：______、______合适的刻度尺； ② “放”：_________________、______________、
__________________； ③“读”视线要正对刻度线，区分大格和小格的数目，注意估读到 分度值的下一位； ④“记”：___________、___________。 5.误差 （1）测量值与真实值之间的差别称为误差； （2）产生原因：受测量仪器和测量方法的限制； （3）减小误差的方法：_______________，_____________，_________________，但不能消除误差； （4）误差不是错误；错误可以避免，误差不能避免。 6.时间的测量 （1）测量时间的工具：停表，石英钟，电子表，机械表等； （2）时间的国际基本单位是秒，符号是s； （3）常见的时间单位有时、分等，换算关系为： 1h=_______min=________s。 （4）停表的读数： 小圈：单位____；分度值：_____；指针走一圈是___； 大圈：单位____；分度值：_____；指针走一圈是___； 读数时，应先读______示数；再读______示数；需注意小圈指针是否过 了“一半”位置。 二、精讲精练 【板块一】长度的单位及其换算 1.普通中学生穿的鞋的尺码一般是39号，对应的光脚长度是245毫米，假如 用米做单位，对应的光脚长度是多少？ 2.“纳米技术”是20世纪90年代出现的一门新兴技术，人体内一种细胞的直 径为1280纳米，则它的直径为多少米？ 3.小明记录了一些常见物体的长度，但是忘了带单位，请你帮他添上。 ①物理课本的长度约为26______
任务一 水准测量仪器和工具的使用工作页解读
任务一水准测量仪器和工具的使用 1、能说出水准仪各部件的名称及作用。 2、能将中心连接螺旋顺利旋入基座，松紧度适宜。 3、能安置脚架高度合适、脚架的张开角度适当架头是否大致水平。 4、能转动调焦螺旋并改变望远镜的焦距。 5、能利用目镜对光螺旋进行目镜对光。 6、会仪器制动后通过微动螺旋微动。 7、能转动微倾螺旋以使符合气泡影像上下错动。 8、能够调清十字丝和目标影像。 9、能运用粗瞄装置寻找水准尺。 10、能有效地消除视差现象对读数的影响。 11、能快速粗平。 12、能精确照准目标。 13、能快速、精确的精平。 14、能快速、正确地读数并计算出高差。 15、什么叫视准轴?什么是水准管轴?如何使视准轴水平? 16、能正确扶尺。 18学时 在土木工程勘测设计、施工、运营养护的各个阶段，有相当数量的地面点需要测定其高程。它的核心内容是用水准仪测量地面点之间的高差，通过测出已知高程点与未知点之间的高差，然后由已知点高程推算未知点的高程。阅读学习资源中有关水准仪构造的内容，在实训中对照水准仪实物熟悉其各部件的功能及工作原理。结合水准测量原理和水准仪的构造，充分理解水准仪的技术操作步骤，并完成水准仪的实际操作训练。
=？ 在接受工作任务后，应首先了解工作场地的环境、测量仪器、工具的管理要求，在老师的指导下理解水准测量的原理，熟练掌握水准仪的构造，熟知水准仪个部件的名称和操
作要领、正确进行水准仪的技术操作，分别读出前后读数并计算高差。 学习活动1 水准仪认知（4学时） 学习活动2 水准仪粗平（2学时） 学习活动3 瞄准水准尺、消除视差（2学时） 学习活动4 精平与读数（2学时） 学习活动5 测量两点间高差（8学时） 学习活动1 水准仪认知 能说出水准仪的种类、等级，正确选用水准仪。 能严格遵守安全规章制度，按要求规范使用仪器、工具。 能写出水准仪构造组成。 能说出水准仪各部件的名称作用。 建议学时： 4学时 测量仪器及工具使用规范、DS3水准仪、三脚架、水准尺、尺垫、水准测量记录表、教材。 1.查资料，熟悉水准仪的种类等级。 （1）水准测量使用的仪器为水准仪，工具为水准尺和尺垫。水准仪按其精度分为和.等几种等级。 （2）代号中的“D”和“s”是“大地”和“水准仪”的汉语拼音的第一个字母，其下标数值意义为：，以毫米计。 （3）工程测量一般使用级水准仪。 2.利用水准仪实物，结合下图熟悉水准仪构造组成、说出水准仪各部件的名称作用。
电子计数法测量频率原理附误差分析报告
电子计数法测量频率原理及误差分析 摘要：频率是电信号的基本特性之一. 在各种对频率的测量方法中 , 电子计数法测频具有测量精度高 , 读数直观 , 测量迅速 , 以及便于实现测量过程自动化等优点.电子计数法测频的基本方法有两种 , 即直接测频和通过测周期得到频率. 测频原理 直接测频的原理是依照频率的定义 :若某一信号在 T 秒时间内重复变化 N 次 , 则（注意： 适用于测量较高的频率） 基于此原理的测量框图如图 . 电子计数器测频原理方框图 T N f x
误差分析： 设主门的开启时间为T , 被测信号周期为Tx , 主门开启时刻至下一个计数脉冲的前沿为Δt1 , 主门关闭时刻至下一个计数脉冲的前沿为Δt2 , 如图2 所示. 由图2 由式得到, 被测频率越高, 闸门时间越长, 则量化误差越小. 但闸门时间太长, 则降低测量速度, 且受到显示位数的限制.
式中第二项为闸门时间相对误差 f c 为石英晶体振荡器的频率. 闸门时间误差大小主要取决于晶体振荡器的频率误差. 由此得到计数法测频的最大相对误差为 结论：由以上分折, 基本计数法测频的误差除忽略由高稳定度的晶振引起的频率误差外, 主要是量化误差, 为了提高测频的精度可采取如下措施: (1) 提高晶振频率的准确度以减小闸门的时间误差. (2) 被测频率较高时采用直接测频法, 并可在计数显示不溢出的条件下扩大闸门时间或倍频被测 信号以减小量化误差. (3) 被测频率较低时采用测周期的方法测频, 并选择较高频率的时标信号或分频被测信号以减小量化误差. 但增大时标信号频率受到计数器计数速度的限制.
时间频率测量技术的发展与应用
时间频率测量技术的发展与应用 陈洪卿 (中国科学院国家授时中心) 1时间频率精密测量的目的和意义 信息化时代的到来，高精度时问频率已经成为一个国家科技、经济、政治、军事和社会生活中至关 重要的一个参量。时间的应用范围已经渗透到从基础研究领域(天文学、地球动力学、物理学等)到工程 技术领域(信息传递、电力输配、深空跟踪、空间旅行、导航定位、武器实验、地震监测、计量测试等)，以及关系到国计民生的国家诸多重要部门和领域(交通运输、金融证券、邮电通信等)的各个方面，几乎无所不及。 中国科协副主席、时间工作专家叶叔华院士认为“生活离不开时间频率，它是高新技术的基础”。“863”高科技计划倡导者陈芳允院士认为“时间频率在工业、交通、电信等方面的应用十分广泛。计时、工业控制、定位导航、现代数字化技术和计算机都离不开时频技术和时频测量”。它“在科技发展和社会进步中占有特殊重要的地位。”[1]2003年全国时间频率学术会议上，王义道教授作特邀报告“建设我国独立自主时间频率系统的思考”[2]指出：时间频率系统是维护国家安全和独立自主的命脉；现代化战争中原子钟比原子弹更重要；精密时间频率广泛应用于现代通信、导航、制导、定位、天文观察、大地测量、地质勘探、电网调配、电子对抗、交通管理、精密测量、科学研究等领域，设备需求量很大；标准频率与时间信号可以通过电磁波发射、传播、接收，直接为各种应用服务。 时间是国际单位制中的最基本的物理量之一，也是目前能够实现的测量不确定度最小的物理量。时间测量的精密度可小于10—18，准确度可达10一15。这使时间频率在计量、测量领域中起着十分突出的领先和独特作用[3]。因此，其它的物理量，如果能够通过一定的物理关系和物理常数转化为时间 频率量来进行测量，用时间测量来表征，那么，该物理量的测量 精度将会大大提高，并使计量单位趋向于统一。典型的例子，莫过于长度单位一米的定义。100 多年前，为适应世界贸易和科学技术发展需求，为统一国际长度度量单位和标准，成立国际米 制委员会，并确定和保持米尺原器，成为现代国际公制计量系统的基础。长度单位一米的测量 精度好不容易才达到10一8[4]。而今，由光速不变原理和L=CT确定长度，长度单位l米=真 空中光在1／299 792458秒时间内传播的距离，这样就可以用时间测量来表征长度测量，其精 度就提高到lO一9以上。作为原始基准的独立定义的长度单位，蜕变成由时间一光速联合定义的导出单位，长度单位就统一于时间单位了。此外，通过交流约瑟夫森量子效应，从加在约瑟 夫森结上的电压V与所产生的交流电频率之间的关系f=(2e／h)／v和国际协定常数值2e／h=483 597．9GHz／V，由测量频率求得电压；也可以求得电流、电阻以及温度等等[3]。
长度和时间的测量基础知识
长度和时间的测量基础 知识 Company number【1089WT-1898YT-1W8CB-9UUT-92108】
第一节长度和时间的测量一、长度 （一）长度的单位 1、国际单位：米、单位符号m 2、常见值：成年人走两步的距离大约是1.5m，中学生的高1.75m，课桌高80cm，门高 3m， 一只2B铅笔17cm，一张百元钞票18cm，一层楼高3m高等，一指约1cm 3、单位换算： 1km=103m1m=10dm1dm=10cm1cm=10mm1mm=103um1um=103nm 1m=109nm （二）长度的测量： 1、测量工具：刻度尺，卷尺，游标卡尺，螺旋测微器 2、刻度尺的三要素：零刻度线，量程，分度值 注：量程：表示刻度尺的测量范围 分度值：刻度尺上每小格所代表的刻度， 3、使用 （1）使用前： ①看零刻度线是否磨损，如果磨损，则从其他整刻度线量起； ②观察量程，认清分度 目的：快速准确的读数。 （2）使用时： ①“一选”根据所测长度及测量要求选择量程和分度值合适的刻度尺
②“二放”零刻度线或某一数值刻度线对齐待测物的起始端，使刻度尺有刻度的边贴紧待测物体，与所测长度平行，不能倾斜； ③“三看”读数时，视线与刻度尺垂直 ④“四读”读数时末减尾，要估读到分度值的下一位 ⑤“五记”记录结果包括准确值，估读值和单位。 （三）特殊测量方法： 1、累积法： 2、替代法 3、化曲为直法 4、滚轮法 5、化暗为明法 二、时间的测量; (一)物理量符号;t (二)单位;国际单位：秒s其他单位：小时h，分钟min （三）1h=60min1min=60s1h=3600s （四）测量工具：钟，表，沙漏，日晷等 （五）实验室测量工具：机械停表和电子停表 1、机械停表：短针是分针 长针是秒针 三、误差与错误 1、误差；测量值与真实值之间的差异 工具上；如变形，刻度不标准， 产生原因
时间频率测量技术的发展与应用
21世纪中国电子仪器发展战略研讨会2004年9月时间频率测量技术的发展与应用 陈洪卿 (中国科学院国家授时中心) 1时间频率精密测量的目的和意义 信息化时代的到来，高精度时问频率已经成为一个国家科技、经济、政治、军事和社会生活中至关 重要的一个参量。时间的应用范围已经渗透到从基础研究领域(天文学、地球动力学、物理学等)到工程 技术领域(信息传递、电力输配、深空跟踪、空间旅行、导航定位、武器实验、地震监测、计量测试等)，以及关系到国计民生的国家诸多重要部门和领域(交通运输、金融证券、邮电通信等)的各个方面，几乎无所不及。 中国科协副主席、时间工作专家叶叔华院士认为“生活离不开时间频率，它是高新技术的基础”。“863”高科技计划倡导者陈芳允院士认为“时间频率在工业、交通、电信等方面的应用十分广泛。计时、工业控制、定位导航、现代数字化技术和计算机都离不开时频技术和时频测量”。它“在科技发展和社会进步中占有特殊重要的地位。”[1]2003年全国时间频率学术会议上，王义道教授作特邀报告“建设我国独立自主时间频率系统的思考”[2]指出：时间频率系统是维护国家安全和独立自主的命脉；现代化战争中原子钟比原子弹更重要；精密时间频率广泛应用于现代通信、导航、制导、定位、天文观察、大地测量、地质勘探、电网调配、电子对抗、交通管理、精密测量、科学研究等领域，设备需求量很大；标准频率与时间信号可以通过电磁波发射、传播、接收，直接为各种应用服务。 时间是国际单位制中的最基本的物理量之一，也是目前能够实现的测量不确定度最小的物理量。时间测量的精密度可小于10—18，准确度可达10一15。这使时间频率在计量、测量领域中起着十分突出的领先和独特作用[3]。因此，其它的物理量，如果能够通过一定的物理关系和物理常数转化为时间频率量来进行测量，用时间测量来表征，那么，该物理量的测量 精度将会大大提高，并使计量单位趋向于统一。典型的例子，莫过于长度单位一米的定义。100 多年前，为适应世界贸易和科学技术发展需求，为统一国际长度度量单位和标准，成立国际米 制委员会，并确定和保持米尺原器，成为现代国际公制计量系统的基础。长度单位一米的测量 精度好不容易才达到10一8[4]。而今，由光速不变原理和L=CT确定长度，长度单位l米=真 空中光在1／299 792458秒时间内传播的距离，这样就可以用时间测量来表征长度测量，其精 度就提高到lO一9以上。作为原始基准的独立定义的长度单位，蜕变成由时间一光速联合定义的导出单位，长度单位就统一于时间单位了。此外，通过交流约瑟夫森量子效应，从加在约瑟 夫森结上的电压V与所产生的交流电频率之间的关系f=(2e／h)／v和国际协定常数值2e／h=483 597．9GHz／V，由测量频率求得电压；也可以求得电流、电阻以及温度等等[3]。
3水准测量的仪器和工具
水准测量的仪器和工具 水准测量所使用的仪器为水准仪，辅助工具为水准尺和尺垫。水准仪按其精度高低可分为D S05、D S1、 D S3和D S10等四个等级（D、S分别为“大地测量”和“水准仪”）的汉语拼音的第一个字母；数字05、1、 3、10表示该仪器的标称精度，是指用该仪器进行水准测量时，往返测1公里高差中数中误差，其单位是m m）；按结构可分为微倾式水准仪和自动安平式水准仪；按构造可分为光学水准仪和电子水准仪。本章着重介绍D S3水准仪，简单介绍精密水准仪和电子水准仪。 一、D S3微倾式水准仪的构造 根据水准测量的原理，水准仪的主要作用是提供一条水平视线，并能照准水准尺进行读数。因此，水 准仪主要由望远镜、水准器及基座三部分构成。2-2所示是我国生产的D S3微倾式水准仪。 1、望远镜 2-3是D S3微倾式水准仪望远镜的构造图，它主要由物镜1、目镜2、调焦透镜3和十字丝分划板4 所组成。物镜和目镜多采用复合透镜组，十字丝分划板上刻有两条互相垂直的长线，如2-3中的7， 竖直的一条称为竖丝，横的较长那条称为中丝，是为了瞄准目标和读取读数用的。在中丝的上下还对称地刻有两条与中丝对称的短横线，是用来测定距离的，称为视距丝。十字丝分划板是由平板玻璃圆片制成的，平板玻璃片在分划板座上，分划板座由固定螺丝固定在望远镜筒上。十字丝交点与物镜光心的连线，称为 视准轴或视线（2-3）中的（C－C1）。水准测量是在视准轴水平时，用十字丝的中丝截取水准尺上的读数。 2-4为望远镜成像原理图。远处目标A B发出的光线经过物镜1及调焦透镜3折射后，在十字丝平面4上形成一个倒立而缩小的实像a b；通过目镜2的放大，成虚相aˊbˊ，十字丝同时也被放大。 从望远镜内所看到的目标影像的视角与肉眼直接观察该目标的视角之比，称为望远镜的放大率。如 2-4所示，从望远镜内看到目标的像所对的视角为β，用肉眼看目标所对的视角可近似地认为是a，故放大率V=β/a。D S3微倾式水准仪的望远镜的放大率一般为28倍。 2、水准器 水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。水准器分为管水准器和圆水准器两种，管水准器又称为长水准器或水准管。管水准器用来指示视准轴是否水平，圆水准器用来指示竖轴是否竖直。 （1）管水准器 管水准器，是一纵向内壁磨成圆弧形（圆弧半径一般为7－20m）的玻璃管，管内装酒精、乙醚或二者 的混合液，加热融封冷却后留有一个气泡见2-5。由于气泡较轻，故恒处于管内最高位置。 水准管上一般刻有间隔为2m m的分划线，分划线的中点0，称为水准管零点（见2-5）。通过零点 作水准管圆弧的切线，称为水准管轴（2-5中的L-L）。当水准管的气泡中点与水准管零点重合时， 称为气泡居中；这时水准管轴L L处于水平位置。水准管圆弧2m m所对的圆心角τ（2-6），称为水准管分划值。用公式表示为： ″=?ρ″ （2-2-1）式中： ρ″＝206265″； R－水准管圆弧半径，单位：m m。 式（2-2-1）说明圆弧的半径R愈大，角值τ″愈小，则水准管灵敏度愈高。安装在D S3级水准仪上的水准管，其分划值不大于20″/2m m。
时间频率测量技术的发
时间频率测量技术的发展与应用
21世纪中国电子仪器发展战略研讨会2004年9月时间频率测量技术的发展与应用 陈洪卿 (中国科学院国家授时中心) 1时间频率精密测量的目的和意义 信息化时代的到来，高精度时问频率已经成为一个国家科技、经济、政治、军事和社会生活中至关重要的一个参量。时间的应用范围已经渗透到从基础研究领域(天文学、地球动力学、物理学等)到工程技术领域(信息传递、电力输配、深空跟踪、空间旅行、导航定位、武器实验、地震监测、计量测试等)，以及关系到国计民生的国家诸多重要部门和领域(交通运输、金融证券、邮电通信等)的各个方面，几乎无所不及。 中国科协副主席、时间工作专家叶叔华院士认为“生活离不开时间频率，它是高新技术的基础”。“863”高科技计划倡导者陈芳允院士认为“时间频率在工业、交通、电信等方面的应用十分广泛。计时、工业控制、定位导航、现代数字化技术和计算机都离不开时频技术和时频测量”。它“在科技发展和社会进步中占有特殊重要的地位。”[1]2003年全国时间频率学术会议上，王义道教授作特邀报告“建设我国独立自主时间频率系统的思考”[2]指出：时间频率系统是维护国家安全和独立自主的命脉；现代化战争中原子钟比原子弹更重要；精密时间频率广泛应用于现代通信、导航、制导、定位、天文观察、大地测量、地质勘探、电网调配、电子对抗、交通管理、精密测量、科学研究等领域，设备需求量很大；标准频率与时间信号可以通过电磁波发射、传播、接收，直接为各种应用服务。 时间是国际单位制中的最基本的物理量之一，也是目前能够实现的测量不确定度最小的物理量。时间测量的精密度可小于10—18，准确度可达10一15。这使时间频率在计量、测量领域中起着十分突出的领先和独特作用[3]。因此，其它的物理量，如果能够通过一定的物理关系和物理常数转化为时间频率量来进行测量，用时间测量来表征，那么，该物理量的测量 精度将会大大提高，并使计量单位趋向于统一。典型的例子，莫过于长度单位一米的定义。100 多年前，为适应世界贸易和科学技术发展需求，为统一国际长度度量单位和标准，成立国际米 制委员会，并确定和保持米尺原器，成为现代国际公制计量系统的基础。长度单位一米的测量精度好不容易才达到10一8[4]。而今，由光速不变原理和L=CT确定长度，长度单位l米=真 空中光在1／299 792458秒时间内传播的距离，这样就可以用时间测量来表征长度测量，其精 度就提高到lO一9以上。作为原始基准的独立定义的长度单位，蜕变成由时间一光速联合定义的导出单位，长度单位就统一于时间单位了。此外，通过交流约瑟夫森量子效应，从加在约瑟 夫森结上的电压V与所产生的交流电频率之间的关系f=(2e／h)／v和国际协定常数值2e／h=483 597．9GHz／V，由测量频率求得电压；也可以求得电流、电阻以及温度等等[3]。