计量学基础——时间频率计量
秒定义及时频计量单位
秒定义及时频计量单位第一次科学的定义秒长是1820年从地球自转周期导出的平太阳秒，一直使用到1960年。
随后是从地球公转周期导出的历书秒，仅仅使用到1967年就被原子秒取代了。
每次定义的变迁，都是由于找到了更稳定的周期性运动。
本节重点介绍原子秒。
一、平太阳秒平太阳秒是以地球自转周期为基础导出的时间基本单位。
其准确性取决于地球自转的稳定性。
以真太阳为参照物观测地球的转动得出的秒称为真太阳秒。
地球上的观测者所在点与地球自转轴所在的平面称为子午面。
地球自转期间真太阳穿过子午面的时刻称为太阳对该观测者的中天。
显然，地球每自转一周，中天将出现两次。
观测者上方的中天称为上中天，下方（在地球的另一面）的中天称为下中天。
真太阳连续两次上(下)中天的间隔称为一个真太阳日。
由此得：86400真太阳日真太阳秒=如果地球除自转外，再无其他运动，则一个真太阳日就等于地球自转的周期。
但实际上，地球在自转的同时还绕太阳公转，这样在第一次上中天开始地球自转一周后，第二次上中天尚未到来，地球还需继续转一个角度才到达第二次上中天。
由此造成下列结果：真太阳日=地球自转周期+ΔT （θ）其中θ即为多转的角度，近似等于地球在公转轨道上在地球自转周期内相对太阳扫过的圆心角，ΔT (θ)为转过此圆心角所用的时间。
如图2-1所示。
图1-1真太阳日与地球自转周期的关系地球公转的轨道是一椭圆，故其公转的角速度是不断变化的，这就造成每一真太阳日内的ΔT (θ)值均不一样，在近日点处最大，远日点最小，两者之差约51秒。
由此得出的真太阳秒也就不够均匀，即不够稳定。
1820年，法国科学院决定用一年内真太阳秒的平均值作为时间基本单位，称为平太阳秒，即平太阳日=一年内所有真太阳日的平均值=地球自转周期+)(θT ∆)θT ∆为ΔT (θ)在一年内的平均值86400平太阳日平太阳秒=这是历史上第一次给秒进行科学定义。
显然，平太阳秒比真太阳秒稳定，且取决于地球自转周期的稳定性。
计量基础知识
三、中华人民共和国法定计量 单位
• 法定计量单位制的单位包括：
1) 国际单位制单位; 国际单位制单位; 2) 国家选定的非国际单位制单位; 国家选定的非国际单位制单位; 3) 由以上单位构成的组合形式的单位； 4) 由词头和以上单位构成的十进倍数和分数 单位。
国家选定的非国际单位制 单位
2、法定计量单位的使用方法
• 计量单位与单位制
计量单位——为定量表示同种量的大小而约 计量单位——为定量表示同种量的大小而约 定地定义和采用特定量。同类量的量纲必 然相同，但相同量纲的量未必同类。 单位制——为给定量制按给定规则确定的一 单位制——为给定量制按给定规则确定的一 组基本单位和导出单位。
二、国际单位制
1、国际单位制的构成
SI基本单位 国 际 单 位 制 SI SI单位 SI导出单位 组合形式的导出单位 包括辅助单位在内的具有 专门名称的导出单位
SI单位的倍数单位
SI基本单位 SI基本单位
•
SI基本单位共7个，见下表： SI基本单位共7
ห้องสมุดไป่ตู้
量的名称 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 发光强度
单位名称 米 千克(公斤) 秒 安[培] 开[尔文] 摩[尔] 坎[德拉]
二、计量的特点
• 统一性---这是计量最本质的特征。计量失去了 统一性--统一性，也就没有存在的意义。无法进行交流， 无法保证产品一致性和互换性。
• 准确性---准确是计量的核心，差之毫厘，失之 准确性--千里。
• 社会性---计量涉及到社会生活的各个方面，国 社会性--民经济的各个部门，以及人民的日常生活。 的社会性、计量的统一性和准确性。
2、法定计量单位的使用方法
4） 组合单位的符号中，某单位符号同 时又是词头符号，则应尽量将它置于单位 符号的右侧。如力矩单位Nm，不宜写成 符号的右侧。如力矩单位Nm，不宜写成 mN。温度单位K和时间单位s和h，一般也 mN。温度单位K和时间单位s 在右侧。 5） 词头h,da,d,c（即百十分厘）一般只 词头h,da,d,c（即百十分厘）一般只 用与某些长度、面积、体积和早已习用的 场合如cm,dB等。 场合如cm,dB等。
计量领域的“十大计量”
一二三四五计量领域的“十大计量”简介 计量是指实现单位统一、量值准确可靠的活动，是当代经济发展必须支撑的条件，是信息化的基础。
根据被测物理量的分类，可以分为长度计量、热工计量、力学计量、电磁计量、无线电计量、时间频率计量、声学计量、光学计量、化学计量、电磁辐射计量十大计量。
十大计量之长度计量 长度计量是对物体几何量的测量技术，包括：线纹、端度、平面度、角度、粗糙度、渐开线样板等。
生活中常用到直尺、钢卷尺，在军事和交通中广泛应用的卫星定位系统等，都是长度计量的研究成果。
十大计量之热工计量(温度计量) 热工计量利用各种物质的热效应来测量温度的计量技术。
包括：热电偶、热电阻、水银温度计、红外温度计、温度灯、温度仪表及自动测控装置、温度巡检仪、热象仪等。
十大计量之力学计量 力学计量是涉及质量、力值、密度、容量、力矩、机械功率、压力、真空、流量以及位移、速度、加速度、硬度等量的测量。
包括：质量、容量、流量、粘度、密度、真空、力值、硬度、重力、力矩、压力、转速、振动、冲击等。
如市场上的公平秤、电子计价秤、水表、燃气表、出租车计价器等准确与否都是由力学计量来保证的。
十大计量之电磁计量 电磁计量是根据电磁基本原理，应用各种电磁标准器和电磁仪表，对各种电磁物理量进行测量。
包括直流和交流的阻抗和电量、精密交直流测量仪器仪表、模数/数模转换技术、磁通量、磁性材料和磁记录材料、磁测量仪器仪表以及量子计量等。
近年来，变频调速技术的快速发展，变频测量仪器仪表的计量达到新的要求，变频测量仪器仪表的计量法规以及法定单位滞后于变频调速技术的发展，导致变频计量混乱的局面。
随着《JJF 1559-2016变频电量分析仪校准规范》、《JJF 1558-2016测量用变频电量变送器校准规范》的发布以及国家变频电量计量站正式挂牌成立，变频测量仪器仪表的计量得以规范。
十大计量之无线电计量 无线电计量指无线电技术所用全部频率范围及电气特性的测量。
计量技术基础知识
二. 计量工作简史
米制在中国 新中国的计量工作最早始于50年代初期的军工计 量。1954年设立国家计量局，1955年成立国家计 量科学研究院。 1959年国务院颁布命令，确定米制为我国基本计 量制度。 1977年5月20日我国正式加入国际米制公约组织。 1985年9月6日全国人大六届十二次会议通过了 《中华人民共和国计量法》。
三. 力学计量
主要内容：力的大小、材料力学机械方面的测试、扭矩、转距、 机械功率等。 主要标准器：基准测力机、标准测力计、标准测力机、材料实验 机等。 压力：物体垂直作用于单位面积上的力（压强）。 单位名称：帕[斯卡]，符号Pa。 标准大气压力：101325Pa。 对象：压力计、压力传感器；静态压力、动态压力。 计量方法：基于帕斯卡定律，即作用于密闭容器中的流体，压强 可等值地传递到流体个部分和器壁上。 标准器：活塞式压力计、浮球式压力计、精密压力传感器等。
五. 无线电（电子）计量
场强计量：研究电场、磁场的测量（包括电磁 兼容、电磁干扰、电磁脉冲和天线）等。 高频和微波功率：在高频时，电流和电压失去 唯一性定义，此时功率量值可直接测量，因此 功率参数成为高频和微波测量中的基本物理量。 阻抗计量：可分为集总参数射频阻抗和分布参 数电路阻抗。 此外还有：高频和微波噪声、射频和微波的相 移、微波介质电特性、微波网络分析、脉冲参 数、失真参数、调制参数、信号发生器等。
四. 电磁学计量
磁学计量的主要研究对象 磁感应强度：单位名称是特[拉斯]，符 号是T。 磁通：磁感应通量的简称，单位名称是 韦[伯],符号是Wb。 材料的磁特性：磁性材料是指铁磁材料 和亚铁磁材料。材料的磁特性主要包括 磁化曲线、矫顽力、磁感应强度、磁导 率、磁化率比及磁损耗等。
五上科学第三单元《计量时间》知识点整理
新教科版科学五年级上册知识点整理第三单元计量时间3.1.时间在流逝1.在没有任何计时工具的情况下，我们可以根据一些自然现象，比如太阳东升西落去判断时间。
2.在远古时代，人类用天上的太阳来计时，日出而作，日落而息，昼夜交替，太阳自然而然成了人类最早使用的时间单位。
3.圭表圭表，是古代科学家发明的度量日影长度的一种天文仪器，由“圭”和“表”两个部件组成。
圭表和日晷一样，也是利用日影进行测量的古代天文仪器。
所谓高表测影法，通俗的说，就是垂直于地面立一根杆，通过观察记录它正午时影子的长短变化来确定季节的变化。
垂直于地面的直杆叫“表”，水平放置于地面上刻有刻度以测量影长的标尺叫“圭”。
4.日晷日晷，本义是指太阳的影子。
现代的“日晷”指的是人类古代利用日影测得时刻的一种计时仪器，又称“日规”。
其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻，通常由晷针（表）和晷面（带刻度的表座）组成。
利用日晷计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明，这项发明被人类沿用达几千年之久。
5.实验一：观察研究“一炷香”的时间实验材料：一根香、插香的盘子、打火机、秒表等等。
实验要求以及方法：①取一支香分别在香的1/4、1/2、3/4处做标记。
②点燃这根香并记录香燃烧到每个标记的时间。
③填写燃香时间记录表。
实验现象：一根香平均分成了4部分，每一部分燃烧所花的时间基本相同。
实验结论：一炷香燃烧的时间为半个小时。
通常情况下，一炷香燃烧的时间都是均匀的，因此在古时候没有钟表的时代里，大多数时候人们都可以用香燃烧的时间长短来大概计量时间。
除了可以用香燃烧的时间来记录时间，我们还可以用蜡烛燃烧的时间来记录时间。
6.研讨问题1：古人曾用过哪些方法计时？这些方法为什么能够帮助古人计时？方法一，利用太阳计时，日出而作，日落而息。
因为太阳每天东升西落，时间变化是有规律的。
方法二，利用太阳投射在地上的影子制作成日晷来计时。
因为太阳投射在地上的影子也是有规律可循的，因此人们可以利用这一规律制作成可以计量时间的日晷。
时间的计量与单位换算
时间的计量与单位换算时间，作为一种物理量，是用来衡量事件发生过程中所用的持续时间。
虽然时间在日常生活中无处不在，但对于时间的计量和单位换算可能并不为人所熟知。
本文将介绍关于时间的计量方法和常用单位换算。
一、时间的计量方法1. 时钟计时法时钟是我们最常见的计量时间的工具。
根据时钟的刻度，我们可以测量过去或将来某个事件所持续的时间。
时钟计时法适用于日常生活中的时间计量，例如测量日常活动所花费的时间，掌握工作进度等。
2. 铯原子钟计时法铯原子钟是目前最准确的计时工具之一，它利用铯原子在特定条件下的辐射频率恒定不变的特性来计量时间。
铯原子钟被广泛应用于科学实验、天文学、导航系统等领域，它具备高精度和稳定性，并被作为国际计量单位“秒”的定义基准。
3. 天文现象计时法天文现象如日食、月食、星体运动等也可作为计量时间的方法。
通过观察这些天文现象的起始和终止时间，可以推算出一段时间的长度。
为了提高计量准确性，科学家们进行了大量观测和研究，积累了丰富的天文观测数据。
二、时间的常用单位换算1. 秒（s）秒是国际标准单位，它定义为铯原子一种特定跃迁的辐射所对应的时间，即“秒”是以铯原子的转变为基础来定义的，也是物理学上的基本单位之一。
2. 分钟（min）分钟是一种时间单位，它等于60秒，常用于表示较短时间的间隔。
例如，我们经常使用分钟来衡量会议、课程和电影的时长。
3. 小时（h）小时是时间单位中常见的一个，它等于60分钟或3600秒。
小时常用于表示较长时间的间隔，如工作时间、旅行时间等。
4. 天（d）天是一种时间单位，它等于24小时或86400秒。
天常用于表示较长时间跨度，如一个月的天数、旅行计划等。
5. 周（week）周是时间单位中较大的一种，它等于七天。
周常用于表示周期性事件或安排，如每周一次的会议、每周的学习计划等。
6. 月（month）月是一种时间单位，常用于表示较长的时间跨度。
然而，需要注意的是，月的长度并不固定，因为月亮围绕地球的轨道是椭圆形，导致月亮到达相同相位所需的时间略有不同。
基础知识
1.计量基础知识1．1计量学分类目前，在我国按专业可分为：长度（几何量）计量、力学计量、热工计量、电磁计量、无线电（电子学）计量、时间频率计量、声学计量、光学计量、化学计量和电离辐射计量。
即所谓的十大计量。
1．2计量的定义及特点1．2．1计量的定义为实现单位统一、量值准确可靠的活动。
国际上没有对计量的定义，只有“测量（measurment）”的定义。
（测量－通过实验获得并合理赋予某量一个或多个量值的过程。
）（计量在企业的作用以及和检测的区别）1．2．2计量的特点1．2．2．1准确性准确性是计量的基本特点。
只有量值，而没有准确程度的结果不是计量（测量）结果。
也就是说，计量（测量）结果不但要给出被测量的量值，还应给出测量准确度（和测量不确定度），否则，计量（测量）结果是没有意义的。
1．2．2．2一致性无论在任何时间、任何地点、采用任何方法、任何器具，以及任何人进行测量只要符合计量要求的条件，计量结果就应在给定的误差范围内一致。
这样就可以实现国际互认，免去大量的重复测量，从而节约大量的人力物力和时间。
1．2．2．3法制性计量的社会性（涉及各行各业，方方面面）要求法制保障。
确保量值统一，不仅要靠技术手段，而且要有法律手段。
不但要有法律法规，还要有相应的机构来保证法律法规的执行。
国际上有国际法制计量组织（OIML）各国一般有相应的行政管理机构和法制实验室，美国有国家标准局和55个法制实验室，我国的政府计量行政部门是各级质量技术监督局（国家叫质量监督检验检疫总局），法制实验室叫做“法定计量检定机构”是由政府计量行政部门依法设臵或依法授权的。
1．2．2．4溯源性溯源性的定义：通过一条有规定不确定度的不间断得比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准，通常是以国家测量标准或国际测量标准联系起来的特征。
为了保证测量结果的准确可靠，任何量值都必须溯源到国家基准或国际基准或自然常数。
具有溯源性的测量才是有意义的。
计量基础考试部分题
试卷]计量人员计量基础知识试题计量人员计量基础知识试题单位姓名分数一、填空题（30分每空1.5分）1.《计量法》立法宗旨是为了加强计量监督管理，保障国家计量单位制的统一和量值的准确可靠，有利于生产、贸易和科学技术的发展。
适应社会主义现代化建设的需要，维护国家、人民的利益。
2.我国《计量法》规定，国家采用国际单位制。
国际单位制计量单位和国家选定的其他计量单位，为国家法定计量单位。
3.我国《计量法》规定，计量检定必须按照国家计量检定系统表进行。
计量检定必须执行计量检定规程。
4.计量标准考核申请的初审时间一般不超过1个月。
《计量标准考核证书》有效期前6个月，建标单位应当向主持考核的计量行政部门申请计量标准考核复查。
5.我国选定的非国际单位制单位中，体积的计量单位是升，计量单位的符号是L。
6.我国选定的非国际单位制单位中，流量的计量单位是升每分，计量单位的符号是L/min。
7.某测量值为2000，真值为1997，则测量误差为3，修正值为-3。
8.精度0.5级量程0-10的计量仪表，其允许最大示值误差0.05，量程0-50的计量仪表，其允许最大示值误差0.25。
9.标准不确定度A类评定的基本方法是采用贝塞尔公式法。
10.某标准直流电压源输出电压1.000V,被检数字电压表指示为0.998 V,则数字电压表的示值误差为0.998-1.000 =-0.002 V。
二、判断题（40分每题2分）1.计量行政部门必须设置计量检定机构。
（×）2.使用无检定合格印、证的计量器具视为使用不合格的计量器具。
（√）3.国际单位制的简称符号是ISO。
（×）4.国际单位制的基本单位中，质量单位的符号是g。
（×）5.凡列入《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》的工作计量器具都应实行强制检定。
（×）6.国家计量检定系统表和计量检定规程是计量检定所必须依据的技术规范。
（√）7．下列计量单位符号都是法定计量单位符号m、A、L、min。
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第二节 时间频率的基准
激光冷却铯原子喷泉钟
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第二节 时间频率的基准
激光冷却铯原子喷泉钟的工作过程
一．形成冷原子团 二．形成喷泉式运动 三．再次吸收微波的能量 四．铯原子跃迁 五．铯原子回到基态能级
如此反复多次，取每一次微波谐振腔中的共振频率的平 均值，可以得到一个确定频率的微波，使大部分铯原子 的能量状态发生相应改变。这个频率就是确定秒长的基 础频率
一 时间、频率的定义
时间是一个基本物理量，是七个基本单位之一 单位：S 频率描述的是在单位时间内某现象所重复的次数， 它是时间的导出量 单位是:Hz 二者关系：f=1/T
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3
第一节 时间频率的基本名称与概念
二 时标
1、世界时（UT） 2、历书时（ET） 3、原子时（AT）、国际原子时(TAI) 4、世界协调时（UTC）
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第四节 时间频率发展的现状
总述
时间频率作为一个重要 的基本物理量在国民经 济、国防建设和基础科学研究中起着重要作用， 世界各国都十分关注时间频率计量的发展和研究 并不断投入巨资研究开发相关技术，以求保持领 先地位。
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第四节 时间频率发展的现状
一 各国铯原子时间频率基ተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二节 时间频率的基准铯原子钟（摘自）精思国计细量民生16
第二节 时间频率的基准铯原子钟（摘自）精思国计细量民生17
第二节 时间频率的基准
激光冷却铯原子喷泉钟
利用激光制冷的低温使得铯原子象喷泉一样“升降 ”而得名。 优点：信号的解析度比传统的铯原子钟高100倍以 上，也使铯原子成为目前准确度最高的时频基准 ，准确度可以达到 10甚15 至 1量0级16
我国共跨越5个时区，北京时间采用东八区区时
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第一节 时间频率的基本名称与概念
2、历书时
基于地球公转 历书秒：1s为1900年1月10日历书时12时起算的 回 归年的1/31556925.9747 缺点：测算复杂，使用不便
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第一节 时间频率的基本名称与概念
3、原子时（AT）、国际原子时（TAI）
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第三节 时间频率的传递和校准
三
兼 用 时
长 波
短 波
专 用 时
频
频
无 线 时
传
传
频
递
递
传
系 统
系 统
递
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第三节 时间频率的传递和校准
四 卫星时频传递
优点：覆盖面积广、受大气层和电离层干扰小、可 靠性高、与导航、通信、气象、电视广播等服务 兼容。 它是目前潜力最大，受重视程度最高的时频传递技 术
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第一节 时间频率的基本名称与概念
世界时的得到
1884年国际子午线会议决定，以通过英国格林威 治天文台的经线作为计算全球经度的起点(0°),每 隔15°定一条标准经线，在其两侧各7°30′的地区 （时区）内均采用标准经线处的地方时，称为该 地区的标准时（或区时），这样，全球一共分为 24个时区，相邻时区的标准时相差一小时，世界 各地的标准时，都归算到零时区的标准时（格林 威治平太阳时），称为世界时。
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第二节 时间频率的基准
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第二节 时间频率的基准
美国NIST的钙原子钟
第三节 时间频率的传递和校准
一 搬运钟
二 有线时频传递
缺点：花费高，并且服务范 优点：工作可靠、成本低廉
围有限，现在已经较少采 、可满足中等准确度时间
用。
用户的要求
准确度可达1ms
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第三节 时间频率的传递和校准
利用卫星进行时频传递的实现方法
利用卫星进行时间频率对比的方法可以分为“有源 ”和“无源”两类。 无源又可分为单向法和双向法 单向法准确度：10～～50μs 双向法分为两种： • 闭环两次转发 • 开环一次转发
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第三节 时间频率的传递和校准
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第四节 时间频率发展的现状
二 新一代时间频率基准研究状况
全光学原子钟 新一代的10-16——10-17量级的新型时频装置也正在被 不断的研究 （1） 激光冷却铷原子喷泉钟 （2） 微重力作用下的冷原子钟（空间钟）
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第四节 时间频率发展的现状
三 时间频率传递体系的发展动态
20世纪90年代以来，利用多颗卫星进行大面积、 无盲区的时间频率快速、准确传递成为了传递系 统的研究热点。 GPS导航系统 GLONASS导航系统 伽利略导航系统 我国的北斗导航系统
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4、协调世界时（UTC）
协调世界时由原子时和世界时结合而成。 出现原因：准确的时间间隔和不均匀的时刻之间的 矛盾 解决问题：闰秒
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第二节 时间频率的基准
自从1967年第13届国际剂量大会将时间间隔单位定 义为原子秒以来，已经先后研制成功了三代铯原子基准 装置，即：
磁选态热束型 光抽运热束型 激光冷却铯原子喷泉型
原子或者分子跃迁的时候辐射或吸收一定频率的电 磁波，这种电磁波的频率稳定性相当高，利用其 定义秒可使秒的准确度大大提高 国际原子时（TAI）的时间单位是原子秒。 国际原子时是以世界各国授权实验室所保持的原子 钟读数为依据，并经理论修正得1到01的5 。 铯原子钟的准确度已经达到了
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第一节 时间频率的基本名称与概念
三种基准的准确度均达到了10-15量级
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第二节 时间频率的基准
一、铯原子时间频率基准的工作原理
设法使原子或分子受到激励，使其产生能级跃迁就 能够得到其相应的稳定而又准确的频率。 由于铯-133 的能级十分稳定，利用铯-133 的某一 固定跃迁，可以制成国际标准计时器。 特点：高度的可靠性和可复制性。
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第二节 时间频率的基准
• • •
激
光
频磁
铯
光 冷 却 铯 原 子
抽 运 热 束 型 铯
率选 基态 准热
束 型 铯
原 子 基 准 装
喷
基
原
置
泉
准
子
钟
时
间
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第二节 时间频率的基准
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第二节 时间频率的基准
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第二节 时间频率的基准
法国、美国和德国一直在时间频率的研究领域处于领先地 位。 法国拥有最好的铯原子钟。 瑞士科学家研制出的铯原子钟准确度可达（1～3）×10-15 我国的“NIM4激光冷却—铯原子喷泉时间频率基准”准 确度可达5 ×10-15，获2006年度国家科技进步一等奖。表 明我国时间频率计量已经进入世界最先进水平的行列
《计量学基础》教学课件
第十一章 时间频率计量
时间的概念在物理学的发展中有着重要的地位， 它用于描述事件之间的顺序，并与空间概念一起用 于描述事件之间的存在状态。频率是时间的导出量， 它是周期运动复现的度量。
在当今科技发展的过程中，时间、频率的计量 变得越来越重要。
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第一节 时间频率的基本名称与概念
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第一节 时间频率的基本名称与概念
1、世界时
具有很高的稳定度和重复性的周期可以用来定义时 间单位，首先，人们选择了地球的自转周期，人 们把地球自转一圈的时间称为一个地球日，把全 年长短不一的地球日取平均值，得到一个平太阳 日。
世界时的秒定义:一S等于平太阳日的86400分之一
平太阳日的准确度只有“ 10”9