CN101206456B - 一种测量空间两点时间差异的装置 - Google Patents

Abstract

一种测量空间两点时间差异的装置。由旋杆，两只时钟，传导线，混频器，低通滤波器，高频计数器，驱动机构，旋杆位置识别，数据处理及存储部分组成。时钟信号通过传导线传至旋杆中部的混频器，通过低通滤波器和整形，得到低频方波信号，用计数器计数该方波的宽度，得到该方波宽度的计数值。交换时钟的位置，比较交换位置前后计数值的变化，可以测量空间两点时间差，样机实验证明方案可行。本装置对环境无特殊要求，结构简单，成本低廉，易于实施。可应用于航天、深层探矿、卫星定位系统校正等领域，可以定量测量引力场、电场和磁场的相对时间变化。

Description

一种测量空间两点时间差异的装置

所属技术领域

本发明采用两只时钟测量空间两点时间差异的装置，从而确定引力红移和重力场绝对加速度的值，其原理同以往测试方法不同。提高了测量精度和速度，降低了成本。可使用于航天、深层探矿、卫星定位系统校正、空间场及重力场基础物理研究，可以定量测量重力场、电场和磁场的相对时间参数的装置。

背景技术

目前，比较空间两点的时间差异需要严格对准且要求同步的两只时钟，(物理学广义时钟)，即使如此，由于无法确定测量开始和结束点、信号传递时间差等诸多实际问题，也不能测量到地面不同高度存在的时间差异。总之，直接测量重力场时间差异目前是做不到的。在物理学上，光波在重力场的红移称为引力红移，引力红移由穆斯堡尔实验证明，由于穆斯堡尔实实验需要超低温和实验成本极高，实现起来很不方便，很难做成一种廉价的仪器，难以推广使用。其次，从原理上，穆斯堡尔实验虽然定性证明了引力红移存在，但不能测量任意两点的时间变化量，故不能方便地和精确地测定任意空间的时间差异，具有一定的局限性，由此也不能对空间和重力场做更广泛和深层次的研究。

发明内容

本发明提供了一种测量空间两点时间差异的装置。既不要求两只时钟对准，也不要求时钟同步。对温度无特殊要求。通过不断交换时钟的位置测量其时间相对变化量，由于是测量拍频变化量，所以极大地提高实验精度。由于交换位置的次数和时间不受限制，从而可以快速地重复输出同一参数，通过求平均值可以极大地提高测量精度。采用两个时钟(信号源)，可以精确测量空间任意两点的时间差异，从而确定引力红移的数值和快速精确测定重力加速度数据。

技术方案

将两只频率相近的稳定的时钟(电磁波或光源)固定在一个旋杆的两端，通过传导线(或光纤)将两路信号引到中心的混频器，通过滤波和整形，得到一个低频方波信号，用脉冲宽度测量器测量此方波的宽度。如果两个时钟的频率发生相对变化，其输出的方波宽度将发生明显的变化，可达到极高的时间分辨率。驱动旋杆使其在某一个平面旋转，两个时钟的位置发生交换，比较不同位置时得到的方波宽度，从而确定此平面圆周各点的时间相对关系。如在垂直面旋转，当然可以得到圆周上最高点和最低点(高度差)的时间差异。

本发明的有益效果是

可以定量测定场中不同点的时间差，包括引力场不同高度的时间差，对环境无特殊要求，结构简单，成本低廉，易于实施。可使用于航天、深层探矿、卫星定位系统校正、空间场、重力场及基础物理研究。由于可以方便及时提供重力场参数，可以对重力屏蔽研究提供及时评价的工具；由于提供高精度重力场参数，可对深层探矿、地震预测提供有力工具。尤其在基础物理研究领域有着广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图对装置样机做进一步说明。图1是旋杆原理框图。图2是装置整体结构图。

具体实施方式

图1是旋杆原理框图，在图1中，时钟1、2分别被安装在旋杆的两端，它们的频率信号通过传导线传输到混频器F，F的差频输出经过低通滤波器L后得到一个低频交流信号，经过电压比较器E得到方波信号，并行锁存器C数据端口上是主频为fc的并行加法计数器，当E方波的下降沿信号到达C时，C立即通知数据处理器CPU读取数据，CPU将本次读取的数据减去上次读取的数据即得到该方波的净脉冲宽度，标记为：Dat

图2是装置整体结构图，在图2中，拍频提取及测量处理装置3安装在旋杆中部，旋杆4连同上面的电路整体固定于主轴8上，主轴由驱动电机7通过皮带驱动旋转。光电读识器5内包含两只光遮断器，安装在旋杆的一边。挡光片6安装在支座上。光电读识器和挡光片组成旋杆角度读识系统，当CPU得到一个脉冲宽度Dat时，即查看旋杆的角度，并按该角度分类保存Dat数据。最终，这些数据保存在非易失存储器上或直接传送到计算机处理。

通过光电读识器获得旋转角度采用常规方法，这里从略。

根据广义相对论可以求出，地面上高度相差1米的时间差异为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{r_s}{4r^2}l$ ………………………………………………式1

式中：r_s-史瓦西半径。r-测试处到球心距离即半径。

以在垂直面为例，仅比较上顶点和下端点，旋杆旋转180°，将得到两个脉冲宽度数据(设时钟1在上方为0度，而在下方为180度)，两次读数之差为：

$\mathrm{\ΔDat}={\mathrm{Dat}}_0-{\mathrm{Dat}}_{180}=2\mathrm{\Δt}\×T_0\×\frac{f_1}{f_L}\×f_C$ …………………式2

设：式2中时间T₀＝1s，拍频频率f_L＝10Hz，时钟频率f₁＝2000MHz，计数器主频f_C＝200MHz，可求得：ΔDat＝44，经100转积分得最终差异数为：4400

由于可以做连续数据采集，并且可取多次平均值，时钟的短期频率漂移可以消除，长期频率漂移对结果几乎无影响。通过样机的实验，取得的数据大于上述理论值，是由于时钟朝向地面的面不断改变，即存在交变应力的影响，通过将内移时钟至半径为零，或中部加一组时钟，可以求出应力影响量，从而消除重力应力的影响。实验证明方案可行。并且，可进一步提高样机技术指标，例如使用稳频光源做时钟提高测量精度。

方案特点：1.首次使用两个或以上时钟做相对比较，以往通过一个光源(时钟)的分支信号则不能检测到时间差异。2.不需要对钟和要求严格同步，常规方法采用现代的原子钟也不能测定这一参数，3.此方法降低了对时钟长期频率稳定度要求。4.由于可不断重复，提高了系统精度。5.成本低，易于普及。

时钟可以使用：晶体振荡器、介质振荡器、磁控管、稳频激光光源。传导线可以使用：同轴电缆、波导管、光纤(真空可传输光线)。

Claims (2)

1.一种测量空间两点时间差异的装置，两只时钟(1，2)分别被安装在旋杆的两端，它们的频率信号通过传导线传输到混频器(F)，混频器(F)的差频输出经过低通滤波器(L)后得到一个低频交流信号，经过电压比较器(E)得到方波信号，并行锁存器(C)数据端口上是主频为fc的并行加法计数器，当电压比较器(E)方波的下降沿信号到达并行锁存器(C)时，并行锁存器(C)立即锁定计数数据，通知并呈现在数据处理器(CPU)端口上，数据处理器(CPU)读入端口数据并将本次得到的数据减去上次数据即得到本次方波的净脉冲宽度数据，为了交换时钟的位置，旋杆(4)由驱动电机(7)驱动旋转，光电读识器(5)和档光片(6)检测旋杆所在的位置。

2.根据权利要求1所述的一种测量空间两点时间差异的装置，其特征是：完成一次测量后，驱动旋杆继续转动，再次交换时钟位置进行测量，不断循环进行下去，积累数据，提高测量精度。

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