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铯原子钟日频率漂移率测量的不确定度评定

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  • 发布时间:2014-08-13
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铯原子钟是我国计量技术机构经常使用的-种原子频率标准,-般作为计量技术机构的时间频率基准、标准或传递标准。为了保证时间频率量值传递或量值溯源的可靠性,对铯原子钟的长期特性参数之---日频率漂移率的测量是必需的。本文介绍了以1IR-6时间频率传递系统(单通道 GPS时频接收机)作为参考频标,OSA5585B铯钟作为被测频率源,Agilent53132A计数器采样装置,应用时刻比较法完成了铯原子钟日频率漂移率的测量。基于大量实际测量数据,分析了铯原子钟 日频率漂移率不确定度来源,给出了其合成不确定度评定过程和结果。

1 铯原子钟日频率漂移率测量的实现方法铯原子钟是高准确性和稳定性的原子频率标准,直接进行微小的频率偏差(时差)直接测量是不现实的,采用频差倍增法由于受测量装置自身噪声的影响,实现测量精度到lO 0以及更高精度信号也是不可能的,采用时刻比对法可以有效地解决高精度测量问题。

1.1 时刻比对法原理时刻比对法的基本原理:用时间间隔计数器测量由被测频率. 和参考频率. 形成的 1PPS信号的时间差,通常被测频率。

的1PPS信号作开门信号,参考频率. 的 1PPS信号作关门信号。测量原理图见图 1。

被测频率[ [ ,参考频率[三二 [ 三 二图 1 秒(1PPS)信号比对测量原理图1.2 OSA5585B铯原子钟日频率漂移率的、狈4量实现方法以TrR-6时间频率传递系统(,I1R-6 GPS时频接收机)作为参考频标,OSA5585B作为被测频率源,利用Agilent53132A计数器的时间间隔测量功能测量两个秒脉冲之间的时间差,测量框图如图 2所示。连续测量 l5天,可得 16个时问差五,相邻两个 置的时间间隔为r取- 天。

图 2 OSA5585B铯原予钟 日频翠漂移翠 测量框 图2 铯原子钟日频率漂移率测量不确定度评定以应用时刻比对法测量 OSA5585B铯原子钟 日频率漂移率为例,如图2所示,给出铯原子钟日频率漂移率测量的不确定度评定。

2.1 数学模型A A 式中:A - 日频率漂移率的测量值;A-日频率漂移率的真值;- 钡4量不确定度。

2.2 时刻比对法测量铯原子钟日频率漂移率的不确定度来源(1)参考源随机不稳定性引人的不确定度分量;(2)参考源系统的不稳定性引入的不确定度分量;(3)N量系统引人的不确定度;(4)数据处理引人的标准不确定度分量。

2.3 OSA5585B铯原子钟日频率漂移率测量的不确定度评定以OSA5585B铯原子钟做被测件,其 日频率漂移率的不确定度评定如下:(1)由于检定采样时刻对参考源而言是随机的,查上级计量技术机构给出的参考源TrR-6时间频率传递系统的稳定度检定指标 1.1ns(r取-天),对测量结果不确李平等:铯原子钟 日频率漂移率测量的不确定度评定定度贡献为日l :L :7.35×l0-15(r取-天) 1- 广- - r-,·JJ u L / /√3 86400×43(2)Tin -6 GPS时频接收机做为参考源,其频率漂移率由GPS时间决定,所以TrR-6 GPS时频接收机频率漂移率引入的不确定量可以忽略不计。

(3)Agilent53132A计数器以1TR-6 GPS时频接收机的10MHz输出信号做为外参考,所以 Agilent53132A计数器频率漂移率引入的不确定量可以忽略不计。

(4)用秒信号进行时刻比对时,时间差的i见4量设备是Agilent53132A计数器,采样时间-天,计数器测量时标是0.Ins,则测量系统引入的不确定度ro 0.1×10-9: 3.34×10-16(5)数据处理引人的标准不确定度分量 uB3铯原子钟的日频率漂移率 K值需要进行最小二乘法线性拟合,拟合后直线的斜率就是日频率漂移率。时刻比较法贝4得的时差实i贝4值 (t ),用-条直线拟合,线性拟合值为 ( ),拟合直线为 (tf)0 ,线性拟合实验标准偏差为a(K),那么数据处理引入的标准不确定度分量 U 3d(K)。

线性拟合实验标准偏差为 d(K)由下式计算:(K):式中:Ⅳ-总的测量次数;( )-第 t 时刻的测量时差 (t )与第 tf时刻的测量时差 (tf)的差值( c(t) (t 1)- (t )),单位为秒;( )-拟合直线上第 t 时刻的时差 (t )与第 时刻的时差 (t )的差值,单位为秒;r-测量(采样)时间,单位为秒;1 ,v- Ⅳ个测量时刻的平均值(t ∑t );tl-用自然数列表示的测量时刻 (i1,2,3,,Ⅳ)。

时刻比对法测量应用 OSA5585B铯原子钟 日频率漂移率时,连续贝0量 15天(N15),得到 16个时间差值(tf),相邻两个 (tf)的时间间隔为 rld86400s,按公式(1),计算线性拟合实验标准偏差为d(K),计算过程列表如表 1:表 1 OSA5585B铯原子钟日频率漂移率实验标准偏差数据表计算得:t8.5 z(tf)0.8320238385( - )[ ( )- :-3.47E-7∑16(f- -/) :340( ) :2806 誊( )[ ( )- ]347×l0- - I.02×l0-。 -b 0.8320238385-(-I.02×10- )×8.50.8320238472则拟合直线 (tf)abtf:0.8320238472-0.0o00o0o0102f[ f(t)- ( ) 3.60E-16(下转第 91页)迪力努尔·弼依拜克:紫外.可见分光光度计渡长示值误差测量结果的不确定度译定输入量的标准不确定度汇总表2。

表 2 标准不确定度汇总表4.3 合成不确定度计算输入量 与 彼此独立不相关,所以合成标准不确定度可按下式得到。

( )[ )] ]: [cl ( ) [C2u(a )Uc(ca),/o.o3o20.2020.2Onto4.4 合成标准不确定度的有效自由度合成标准不确定度的有效 自由度为 j1 V2为方便使用, 可近似为50,不会对最后结果有太大影响。

5 扩展不确定度的评定取置信概率P:95%,查t分布表得到t95(50)2.O1扩展不确定度为t95(50)·u ( )2.O1×0.20 nm:O.40 nm6 测量不确定度的报告与表示紫外可见分光光度计波长示值误差测量结果的扩展不确定度为O.4Ohm :2.O17 校准测量能力7.1 对-台重复性很好的紫外-可见分光光度计,用氧化钬滤光片,连续贝4量 1O次,得到 3组不同波长测量列,其中为(279.3、279.3、279.3、279.3、279.3、279.3、279.3、279.2、279.3、279.3)ilIn。按 3.1条方法(A类评定)可得到单次实验标准差 s0.032nm,3次测量平均值的实验标准差为s(Y) O.O18nm输入量 的标准不确定度为u( )s( )0.O18nm7.2 标准不确定度汇总表将 7.1条中得到的 u( )0.018rim替换表3不确定度汇总表中的 ( ),从而得到评定校准测量能力的标准不确定度汇总表:表 37.3 合成标准不确定度的计算按 4.3条方法可得到u ( )/0.O1820.2020.2Ohm7.4 校准测量能力校准测量能力 可用 2的扩展不确定度来表示U2u ( )2X0.200.4Ohm

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