第2章电学量的测试计量(电子科大-计量误差)

电学量的测试计量时间频率计量电磁学计量无线电计量第1节时间频率计量测试1.时间频率标准原子频率标准基本原理——量子理论：原子和分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，当它们由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波形式辐射或吸收能量，其频率严格决定于二能级间的能量差。hEf/（h普朗克常数）铯原子频标国际规定的复现秒定义的标准装置。大铯钟和小铯钟。准确度10-14,长期稳定度10-14时间频率标准气泡型铷原子频标•造价低、体积小，使用最多的原子频标•准确度10-11（不适合作一级标准）•稳定度10-11-10-12•缺点：频移，必须用铯标准定标氢原子频标•主动型氢激射器，从氢原子中选出高能级的原子送入谐振腔，原子从高能级向低能级跃迁，辐射出频率准确的电磁波。•长/短期稳定性好10-14—10-15•准确度10-12•缺点：结构庞大复杂，价格昂贵时间频率标准石英晶体振荡器•普通晶体振荡器•温度补偿晶体振荡器TCXO•恒温晶体振荡器OCXO：拐点温度处频率-温度系数最小原子时标•连续运转的原子钟产生•国际原子时的起点是1958年1月1日世界时0时•主要利用美、德、瑞士、加拿大、英、法的七个单位的地方原子时进行加权平均，用“罗兰-C”低频导航台信号联系。2.时间频率的计量时间间隔的计量两个信号分别控制闸门开启和关闭直接计量法测频规定的闸门时间内，对被计量信号进行计数差频周期法测频将被计量信号与标准频率信号混频，取出差拍信号，然后用测周法测出差拍信号的频率多周期同步测频（倒数计数器）频差倍增法测频将差拍信号周期扩大，再进行测量以提高精度P153FIG8-1-19时间频率的计量相位重合法测频最大公因子频率：对任意两个频率信号f1和f2，当f1=Af0，f2=Bf0时（A、B为互素正整数），f0就是f1和f2之间的最大公因子频率fmaxc。最小公倍数周期Tminc在一个Tminc内，两信号间的相位差状态都有一些值，它们分别等于信号间的相对初始相位差加0,,2,…TT21maxfffTcP154FIG8-1-20时间频率的计量相位比较法测频线性比相法FIG5-2-2频标比对鉴相器输出的电压或电流信号与两个信号的相位差成正比变化内两信号的累计相位差为取样时间TTff时差法与双混频器时差法将频率信号转化为时间信号，送到时间间隔计数器计量时差。双混频器时差法引入中介源，P116FIG5-7-1通过双重混频，信号间的时差被倍增了（？）0f3.频率稳定度及其计量•频率准确度•频率稳定度长期稳定度：老化率/漂移率——遵从一定的规律短期稳定度：频率的随机变化调频闪变噪声、调频随机游动噪声不服从高斯分布，不具有单峰性、对称性、抵偿性随机误差总和不随计量次数增加而趋近于零不能用经典的标准偏差来表征频率稳定度•频率稳定度表征频域表征：相对频率起伏的功率谱密度——频谱不纯时域表征：阿仑方差——频率平均值的随机起伏频率稳定度及其计量•频域稳定度表征)](2sin[)]([)(00ttftUtU02)(')(ftty瞬时相对频率起伏噪声功率谱密度)(fSy表示无限平均)()]([02dffStyy相位噪声：离载波频率为fm的点上，1Hz带宽内单边带功率PSSB与载波功率之比。零拍法：最简单的相位噪声测量方法周渭，时频测控技术，P62频率稳定度及其计量•时域稳定度表征02)()(ftty计数器测量相对频率起伏在一段时间的平均值广义阿仑方差NiNiTiTiyyNyNTN121,,2)1(11),,(方差NkNkyfffNTN12_202)()1(1),,(闪变噪声极限不存在NkiNikifffNTN12_202)()1(1),,(miimiTNmTN122),,(1)],,([极限存在频率稳定度及其计量阿仑方差广义阿仑方差与三个量相关，复杂，不方便2)(),,2()(,,22122iiyyyyTN无间隔取样2)(1)(21iiyyym有限时间的估计值任庆，电子测量原理，P212阿仑方差只含一个参量——取样时间，每组测量次数少，简单、计算量小，对各种频率噪声收敛。(1)利用电磁波信号的接收比对发播方式分类•高频：2.5MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz等短波台•低频：100kHz数量级的罗兰-C导航台•甚低频：10-20kHz等Ω导航台•甚高频：电视和卫星通信发播方式特点•高频发播：波长短穿透力强，靠高层的电离层反射，电离层不稳定•甚低频发播：波长长穿透力差，低层电离层反射，比高层电离层稳定，存在日落日出效应。•低频发播：地波传播的相位稳定度高，发送和接收设备昂贵。发播延时d=S/V天波V为光速C，地波需要作修正4.时间频率量值的传递量值传递与检定测试(2)利用电视信号的接收比对甚高频频段，波长短穿透力强，不受电离层反射而直线传播，传播延迟仅决定于发射和接收之间的直线距离。电视信号覆盖范围小，通过中继线路，延迟修正无源事后同步：选定某一电视同步脉冲作公共参考信号，分别计量出各个钟与参考信号的时差，事后交换数据，得到各钟之间的关系。有源实时同步：将时间编码和标准频率信号插入电视广播的场回扫逆程中的某一行内，随电视节目一起播出。用户使用解码器实时得到准确的时刻信息，使用锁相振荡器得到标准频率。利用彩色电视校准频率P159FIG8-1-23量值传递与检定测试(3)利用卫星的接收比对具有电视方法的全部优点，克服了覆盖面积小的缺点。•无源法：转发单向：卫星运动引起的传播延时变化难以确定，不准确双向：通过交换数据计量出传播延时，但仍需修正•有源法：卫星上放置高准确度的铷钟或铯钟全球卫星定位系统：美GPS、俄GLONASS、北斗。GPS简介GPS由24颗卫星组成星座，分布在距地球2万Km的6个轨道平面上，任何地方任何时候都可以看到4-11颗卫星。•卫星发射信号有2个频率：L1=1575.24MHz，L2=1227.6MHz2种调制码：P码—精密定位服务码（美军，加密）C/A码—标准定位码（开放）•GPS定位原理：测距设卫星j于tsj发播导航信号，经距离时延后，用户接收机在时刻tr接收到该信号，则卫星j至用户的距离为：222)()()()(ZZYYXXttcjjjsjrj如果卫星与用户接收机的时钟严格同步，并且卫星的位置、发射导航信号的时刻确定，则通过同时接收3颗GPS星的发播信号，求解出用户接收机的坐标位置。GPS简介•要求用户接收机装备精确的原子钟并与卫星钟同步不现实。•设卫星j发播信号时的GPS原子钟时刻tsj，而卫星的钟面时为tsj’；用户接收信号时的GPS原子钟时刻tr，而接收机的钟面时为tr’。则测定到的距离为：jrsjrsjrjtctcttcttc)()''('“伪距”：不是卫星到用户的真实距离，包含了时钟差的距离。GPS伪距测量导航定位的基本方程：jrjjjjtctcZZYYXX222)()()('•4个待定参数，在观测4颗GPS卫星的情况下，不需要用户配备高精度的原子钟，也不需要与卫星钟同步，即可实现定位以及用户钟相对GPS时间的精确钟差。•观测一颗GPS卫星，也可以实现精密的时间测量或同步。第2节电磁学计量测试电学计量：直流计量、交流计量磁学计量：1。电学计量单位及标准电流安培在真空中，截面积可以忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内通过等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为2*10-7N，则每根导线中的电流为1A。电流单位复现电流天平核磁共振欧姆定律电流天平•安培秤:FI•固定线圈A、B,活动线圈C•A、B、C通相同的电流IBC电流流向相同AC电流流向相反•C线圈受力垂直向下)104(27020IF核磁共振nuclearmagneticresonance——NMR•核磁共振：在恒定磁场中，磁矩不为零的原子核受射频场激励后发生的能级间共振跃迁现象（共振吸收现象）。1946年美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，两人获得1952年度诺贝尔物理学奖。•核磁共振成像：利用水分子中氢原子的核磁共振现象，获取人体内水分子分布信息，从而精确绘制人体内部结构。保罗·劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得·曼斯菲尔因为在核磁共振成像技术方面的贡献获得2003年度诺贝尔医学奖。其基本原理：将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像。•核磁共振确立磁场强度的标准：IB，复现安培电学计量单位及标准电压•伏特：两点间的电位差，在载有1A规定电流导线的这两点间消耗1W的功率。•标准电池：利用化学反应产生稳定的电动势（1.01860V）惠斯登1890发明的镉电池。由H型或单管型玻璃容器内装入硫酸镉溶液等制成。按电解液浓度分:饱和型和非饱和型。饱和型长期稳定性高，但内阻大、温度系数大；非饱和型的特点恰好相反。•约瑟夫森电压基准：量子隧道效应：超导体-绝缘体-超导体（SIS）电压-频率之间的自然关系电学计量单位及标准电阻•电磁计量中精度较高的一个，良好的实物基准基本的电阻基准标称值为1Ω两端电阻和四端电阻（把电流端与电位端分开）。•计算电容法阻抗标准制作一个高精度电容器，将其几何尺寸精确计量出，从而计算出电容量，把它作为阻抗标准导出其它电学阻抗。•量子化霍尔效应电阻标准量子化霍尔效应自1980年发现以来，在用于建立量子电阻标准方面取得了巨大的成功。国际计量委员会建议从1990年1月1日起在世界范围内启用量子化霍尔电阻标准代替原来的电阻实物标准，并给出了下面的国际推荐值：RK=h/e2=25812.807Ω量子化霍尔效应•1879年美国物理学家霍尔(Hall,EdwinHerbert,1855-1938)发现：当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。•霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(KlausvonKlitzing,1943-)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现量子霍耳效应：霍尔常数（纵向电压和横向电流的比值）是量子化的，RH＝V/I＝h/νe2，ν＝1，2，3，……。这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，获1985年诺贝尔物理学奖。•美籍华裔物理学家崔琦(DanielCheeTsui,1939-)和美国物理学家劳克林(RobertB.Laughlin，1950-)、施特默(HorstL.Strmer，1949-)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，获1998年诺贝尔物理学奖。量子化霍尔效应电阻标准•Klitzing常数——h/e2：量子化霍尔效应复现的RK，极其稳定，达到10-8量级以上。不象实物标准，复现和保存时由于线圈阻值随时间变化而产生不确定性。•主要困难：非整数值，实用标准电阻值为十进数值，需要建立高准确度的非整数比例装置。•90年代前：电阻串并联法实现非整数比例装置，准确度10-7～10-8量级，未能充分发挥标准本身的高准确度。•90年代后：低温电流比较仪装置，实现任意非整数比例值，原理上可以达到极高的比例准确度。但实践表明实现难度极高。目前只有五、六个国家得到了成功，比例准确度为10-8～10-9量级。•中国计量科学研究院张钟华院士：研制的低温电流比较仪不确定度达到10-10量级，世界第一，在国际计量领域享有极高声誉，建立了我国量子化霍尔电阻标准。电学计量单位及标准电容和电感•法拉：当1F电容器充以1C电荷量时，电容器两极板产生1V的电位差。•电容器基准一般是由几只105pF的石英电容器组成，精度一般约为10-5量级（0.01,0.0