计量学基础——时间频率计量
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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
精思国计细量民生
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）
23
第三节 时间频率的传递和校准
三
兼 用 时Байду номын сангаас
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
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
精思国计细量民生
29
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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30
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
精思国计细量民生
27
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准研究现状
三种基准的准确度均达到了10-15量级
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10
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
精思国计细量民生
21
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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第二节 时间频率的基准
激光冷却铯原子喷泉钟
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19
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
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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
精思国计细量民生
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第二节 时间频率的基准
《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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2
第一节 时间频率的基本名称与概念
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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9
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
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
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
铯原子钟
（摘自百度）
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第二节 时间频率的基准
铯原子钟
（摘自百度）
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第二节 时间频率的基准
铯原子钟
（摘自百度）
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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
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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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。
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
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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
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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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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第三节 时间频率的传递和校准
三
兼 用 时Байду номын сангаас
长 波
短 波
专 用 时
频
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无 线 时
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递
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系 统
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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
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
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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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三 时间频率传递体系的发展动态
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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准研究现状
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。
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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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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
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• • •
激
光
频磁
铯
光 冷 却 铯 原 子
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率选 基态 准热
束 型 铯
原 子 基 准 装
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原
置
泉
准
子
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第二节 时间频率的基准
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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
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
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
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
铯原子钟
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第二节 时间频率的基准
铯原子钟
（摘自百度）
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第二节 时间频率的基准
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（摘自百度）
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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
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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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。
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
精思国计细量民生
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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