CN109342838A - 一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法与装置，它包括：S1：在距离地面高度为x的线路空间中设置m个用于根据斯塔克效应测量对应高度的电场强度的传感器，测量传感器Sn相对应的电场值Esn；S2：根据电场值Esn计算电场平均值Ex；S3：在输电线的垂直方向上选取若干个高度值Xi，根据电场平均值Ex计算不同高度值的电场强度测量值Exi；S4：根据电场强度测量值Exi计算输电线路的电压。本发明使用被激发至高里德堡态的铯原子，利用里德堡原子在外部电场作用下产生能级分裂的Stark效应，通过原子能级分裂程度和外部电场强度大小的关系，进行对空间电场强度的测量；通过输电线路与变电站环境的高压工频测量，以及基于该方法的电压非接触式测量。

Description

一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法与装置
技术领域
本发明涉及高压工频电场技术领域，特别是一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法与装置。
背景技术
里德堡原子是最外层电子被激发到主量子数很大的高激发态。与基态原子相比，具有很多独特的性质。如寿命长，能级间隔小，电偶极矩大等。同时里德堡原子的电场极化率很大(与主量子数的七次方成正比)，极易受到外电场的影响，其原子能级在外加电场的作用下会发生频移或偏离，即Stark效应。
早在上个世纪，原子由于其可再生性，精确性以及高稳定性就已经被广泛用作测量标准。目前，原子钟已经实现了高于的精度。近来，利用原子作为标准测量磁场方面也取得了很大的进步，其精度可达fTHz-1/2。在空间目标识别和全球定位等很多领域，可探测的空间电场不一定很大，就需要实现对高压工频电场(mV/cm)的精确检测。目前的探测装置测量结果不够准确，灵敏度不高，且设备体积较大，难以携带。并且现有技术中，专利公开号为CN103616571A的专利申请仅仅公开了对微弱电场的测量，缺少对高压工频电场和电压的测量方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法与装置，使用被激发至高里德堡态的铯原子，利用里德堡原子在外部电场作用下产生能级分裂的Stark效应，通过原子能级分裂程度和外部电场强度大小的关系，进行对空间电压的测量。
本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法，它包括有：
S1：在距离地面高度为x的线路空间中设置m个用于根据斯塔克效应测量对应高度的电场强度的传感器，并测量传感器Sn(n＝1,2,3…m)相对应的电场值Esn(n＝1,2,3…m)；
S2：根据电场值Esn计算电场平均值Ex；
S3：在输电线的垂直方向上选取j个高度值Xi(i＝1,2,3…j)，根据电场平均值Ex计算不同高度值的电场强度测量值Exi；
S4：根据电场强度测量值Exi计算输电线路的电压。
进一步，所述步骤S1中电场值的测量过程如下：
S11：将充有铯原子气体的样品池置于待测空间中，将第一束激光引导至该样品池使铯原子达到第一激发态；
S12：将第二束激光引导至样品池中，与第一束激光相对且共线入射，将处于激发态的铯原子激发至里德堡态；
S13：传感器Sn采集第二束激光经样品池后的出射激光信号，并将其转化为相应的电信号；
S14：对转化后的电信号进行分析，判断待测空间中是否存在电场；
S15：若没有电场，则采集第二束激光单峰吸收光谱信号，根据吸收光谱信号计算电场值；若存在电场，存在的电场导致铯原子产生斯塔克效应，即里德堡能级发生分裂，根据能级的分裂与电场强度关系计算电场值。
进一步，所述第一束激光波长为852nm，所述第二束激光波长为510nm。
进一步，所述步骤S2中的电场平均值Ex的计算方法如下：
进一步，所述步骤S4中输电线路的电压计算过程如下：
S41：设有电场公式：E电场(x)＝F'(Ex)＝F(x)；
S42：根据电场强度测量值Exi，通过最小二乘法拟合出F(x)；
S43：输电线路的电压为：
进一步，若步骤S14中存在的电场为交变电场，则第一束激光的单峰将以外部电场频率发生振动，且振动幅度将与场强大小在一定范围内成正比。
本发明的另一个目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量装置，它包括有：
传感器单元，所述传感器单元包括有发射镜、铯原子样品池和若干个传感器；所述传感器单元位于发生斯塔克效应的高压工频电场空间内，用于测量不同空间位置的电场值；
综合平台，所述综合平台连接有若干个传感器；所述综合平台包括有激光器组、信号接收器和数据分析单元；
所述激光器组通过所述反射镜共线且相对地发射两束不同波长的激光信号至铯原子样品池中；
所述信号接收器用于接收经铯原子样品池后的出射激光信号和激光吸收光谱信号，并将出射激光信号转化为电信号；
所述数据分析单元用于分析转化后的电信号和激光吸收光谱信号，并根据分析结果计算出电场值和电压值。
进一步，所述激光器组发射的两束激光波长分别为852nm和510nm。
进一步，所述装置还包括有一真空密封玻璃容器，所述反射镜、铯原子样品池和信号接收器均位于所述真空密封玻璃容器内。
进一步，所述真空密封玻璃容器下端还设置有非金属底座，通过所述非金属底座连接激光器组。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明使用被激发至高里德堡态的铯原子，利用里德堡原子在外部电场作用下产生能级分裂的Stark效应，通过原子能级分裂程度和外部电场强度大小的关系，进行对空间电场强度的测量。本发明还通过输电线路与变电站环境的高压工频测量，以及基于该方法的电压非接触式测量。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法流程示意图。
图2a和图2b为电场传感器电压计算示意图。
图3为基于斯塔克效应的高压工频电压测量装置的连接示意图。
图4为传感器系统的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例，如图1所示；一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法，它包括有：
S1：在距离地面高度为x的线路空间中设置m个用于根据斯塔克效应测量对应高度的电场强度的传感器，并测量传感器Sn(n＝1,2,3…m)相对应的电场值Esn(n＝1,2,3…m)；
S2：根据电场值Esn计算电场平均值Ex；
S3：在输电线的垂直方向上选取j个高度值Xi(i＝1,2,3…j)，根据电场平均值Ex计算不同高度值的电场强度测量值Exi；
S4：根据电场强度测量值Exi计算输电线路的电压。
步骤S1中电场值的测量过程如下：
S11：将充有铯原子气体的样品池置于待测空间中，将第一束激光引导至该样品池使铯原子达到第一激发态；
S12：将第二束激光引导至样品池中，与第一束激光相对且共线入射，将处于激发态的铯原子激发至里德堡态；
S13：传感器Sn采集第二束激光经样品池后的出射激光信号，并将其转化为相应的电信号；
S14：对转化后的电信号进行分析，若存在电场，存在的电场导致铯原子产生斯塔克效应，即里德堡能级发生分裂，根据能级的分裂与电场强度关系计算电场值。
具体过程如下：首先在一个真空密封玻璃容器中充入铯原子蒸汽，其体积大小为边长5cm的正方体，或高5cm、直径5cm的圆柱体，大气压强为10-4Pa，此样品池为空间电场测量的接触端。
将充有铯原子气体的样品池置于待测空间中，使用光纤将一束波长为852nm的激光引导至该样品池。入射的852nm激光使铯原子达到第一激发态，同时在另一侧的出射激光被探测器采集，并转化为计算机设备的显示信号。
使用光纤将另一束波长为510nm的激光引导至样品池，以与852nm激光相对的方向入射，用于消除多普勒效应。该510nm激光将铯原子激发至里德堡态。
此时处于里德堡态的铯原子具有较强的电场敏感性。如果空间中没有电场，将在计算机屏幕中观察到单一稳定的852nm激光的吸收峰；如果空间中存在电场，由于里德堡原子能级发生分裂，将在计算机屏幕上观察到数值不同于零电场状态下的吸收峰；如果存在的电场为交变电场，该852nm单峰将以交变电场的频率发生振动，其振动幅度将与场强大小在一定范围内成正比。
本方法可溯源至基本物理量，可以在现有测量基础上大幅提升测量精度；本方法的测量端为非金属，不会对原有电场造成影响，从而提高测量准确度。
如图2a和图2b所示，高压工频电压测量方法：传感器在输电线下方布点，每个传感器到地面的距离相等。
(1)工作状态下，在距离地面高度为x的线路空间中设置m个用于根据斯塔克效应测量对应高度的电场强度的传感器，并测量传感器Sn(n＝1,2,3…m)相对应的电场值Esn(n＝1,2,3…m)，其平均值为：
(2)在垂直方向上选取j个高度值(x1，x2,....xj)，分别进行第1步中的计算，测得一组距离地面(或输电线)不同高度值的电场强度(Ex1,Ex2,.....Exj)。电场公式如下：
E电场(x)＝F'(Ex)＝F(x)；
通过垂直方向上的电场强度测量值(Ex1,Ex2,.....Exj)，通过最小二乘法拟合出F(x)的表达式，具体函数的选取需根据实际测量结果选取，其拟合结果是考虑特定地点，温度，电磁干扰等外界环境因素的结果。
(3)根据电压计算公式，输电线路的电压为：
如图3和图4所示，一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量装置，它包括有：传感器单元，传感器单元包括有发射镜、铯原子样品池和若干个传感器；传感器单元位于发生斯塔克效应的高压工频电场空间内，用于测量不同空间位置的电场值；
综合平台，综合平台连接有若干个传感器；综合平台包括有激光器组、信号接收器和数据分析单元；
激光器组通过反射镜共线且相对地发射两束不同波长的激光信号至铯原子样品池中；
信号接收器用于接收经铯原子样品池后的出射激光信号和激光吸收光谱信号，并将出射激光信号转化为电信号；
数据分析单元用于分析转化后的电信号和激光吸收光谱信号，并根据分析结果计算出电场值和电压值。
激光器组发射的两束激光波长分别为852nm和510nm。
装置还包括有一真空密封玻璃容器，反射镜、铯原子样品池和信号接收器均位于真空密封玻璃容器内。
真空密封玻璃容器下端还设置有非金属底座，通过非金属底座连接激光器组，激光器组用于发射激光。
本发明使用被激发至高里德堡态的铯原子，利用里德堡原子在外部电场作用下产生能级分裂的Stark效应，通过原子能级分裂程度和外部电场强度大小的关系，进行对空间电场强度的测量。本发明还通过输电线路与变电站环境的高压工频测量，以及基于该方法的电压非接触式测量。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
S1：在距离地面高度为x的线路空间中设置m个用于根据斯塔克效应测量对应高度的电场强度的传感器，并测量传感器Sn(n＝1,2,3…m)相对应的电场值Esn(n＝1,2,3…m)；
S2：根据电场值Esn计算电场平均值Ex；
S3：在输电线的垂直方向上选取j个高度值Xi(i＝1,2,3…j)，根据电场平均值Ex计算不同高度值的电场强度测量值Exi；
S4：根据电场强度测量值Exi计算输电线路的电压。
2.如权利要求1所述的基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法，其特征在于，所述步骤S1中电场值的测量过程如下：
S11：将充有铯原子气体的样品池置于待测空间中，将第一束激光引导至该样品池使铯原子达到第一激发态；
S12：将第二束激光引导至样品池中，与第一束激光相对且共线入射，将处于激发态的铯原子激发至里德堡态；
S13：传感器Sn采集第二束激光经样品池后的出射激光信号，并将其转化为相应的电信号；
S14：对转化后的电信号进行分析，判断待测空间中是否存在电场；
S15：若没有电场，则采集第二束激光单峰吸收光谱信号，根据吸收光谱信号计算电场值；若存在电场，存在的电场导致铯原子产生斯塔克效应，即里德堡能级发生分裂，根据能级的分裂与电场强度关系计算电场值。
3.如权利要求2所述的基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法，其特征在于，所述第一束激光波长为852nm，所述第二束激光波长为510nm。
4.如权利要求1所述的基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法，其特征在于，所述步骤S2中的电场平均值Ex的计算方法如下：
5.如权利要求1所述的基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法，其特征在于，所述步骤S4中输电线路的电压计算过程如下：
S41：设有电场公式：E电场(x)＝F'(Ex)＝F(x)；
S42：根据电场强度测量值Exi，通过最小二乘法拟合出F(x)；
S43：输电线路的电压为：
6.如权利要求2所述的基于斯塔克效应的高压工频电压测量方法，其特征在于，若步骤S14中存在的电场为交变电场，则第一束激光的单峰将以外部电场频率发生振动，且振动幅度将与场强大小在一定范围内成正比。
7.一种基于斯塔克效应的高压工频电压测量装置，其特征在于，所述装置包括有
传感器单元，所述传感器单元包括有发射镜、铯原子样品池和若干个传感器；所述传感器单元位于发生斯塔克效应的高压工频电场空间内，用于测量不同空间位置的电场值；
综合平台，所述综合平台连接有若干个传感器；所述综合平台包括有激光器组、信号接收器和数据分析单元；
所述激光器组通过所述反射镜共线且相对地发射两束不同波长的激光信号至铯原子样品池中；
所述信号接收器用于接收经铯原子样品池后的出射激光信号和激光吸收光谱信号，并将出射激光信号转化为电信号；
所述数据分析单元用于分析转化后的电信号和激光吸收光谱信号，并根据分析结果计算出电场值和电压值。
8.如权利要求7所述的基于斯塔克效应的高压工频电压测量装置，其特征在于，所述激光器组发射的两束激光波长分别为852nm和510nm。
9.如权利要求7所述的基于斯塔克效应的高压工频电压测量装置，其特征在于，所述装置还包括有一真空密封玻璃容器，所述反射镜、铯原子样品池和信号接收器均位于所述真空密封玻璃容器内。
10.如权利要求7所述的基于斯塔克效应的高压工频电压测量装置，其特征在于，所述真空密封玻璃容器下端还设置有非金属底座，通过所述非金属底座连接激光器组。
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