CN109521283A - 一种基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置 - Google Patents

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郑可
侯兴哲
李松浓
陈文礼
杨芾藜
叶君
刘型志
何珉
宫林
张临杰
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Abstract

本发明公开了一种基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置，它包括：球型原子气室、光电探测器、光学标准具和数据处理系统；球型原子气室包括有激光器，激光器将铷原子由基态跃迁至激发态；光电探测器与球型原子气室连接；光学标准具与光电探测器连接；数据处理系统与光电探测器连接。本发明采用非接触方式进行工频电场测量，避免了采用耦合方式需要引线的复杂性，避免系统复杂度所引入的误差；本发明采用便携式全光纤的球型气室，有效减少由于气室结构引入的扰动；利用原子光谱进行的原子控温装置和磁场补偿装置的反馈，保障了测量的精确度；本发明具有自校准功能的工频场强测量装置，可以实现的测量精度小于1mV/m，空间分辨率达到100微米。

Description

一种基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置
技术领域
本发明涉及工频电场技术领域，特别是一种基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置。
背景技术
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的非接触式测量装置。
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原子光谱的工频电场非接触式测量装置，可以直接放置于空间中测量任意位置处的工频电场大小。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置，它包括有：
球型原子气室、光电探测器、光学标准具和数据处理系统；
所述球型原子气室包括有激光器；所述激光器将铷原子由基态跃迁至激发态；
所述光电探测器与所述球型原子气室连接，用于测量激光器的功率，获得激光器经过球型原子气室的透射光谱；
所述光学标准具与所述光电探测器连接，用于提供相对频率基准，将透射光谱形成周期性光谱；
所述数据处理系统与所述光电探测器连接，用于测量激光器的激光频率和光电探测器的输出信号；并根据光学标准具形成的周期性光谱峰值进行相对频率标定以及低激光透射光谱峰值在工频电场下的移动进行跟踪和测量；并且根据光谱峰中心频率位置的移动计算工频场的场强。
进一步，所述球型原子气室中的激光器包括有第一激光器和第二激光器；
所述第一激光器将铷原子由基态跃迁至第一激发态；
所述第二激光器将处于第一激发态的铷原子跃迁至第二激发态。
进一步，所述装置还包括有与球型原子气室连接的原子气室控温装置，所述原子气室控温装置用于控制和稳定原子气的温度。
进一步，所述装置还包括有与球型气室连接的磁场补偿装置，所述磁场补偿装置用于在原子气室处屏蔽和补偿地磁场对原子能级的影响。
进一步，所述第一激光器的波长为780nm；所述第二激光器的波长为480nm。
进一步，所述第一激光器用于将铷原子从基态5S1/2跃迁至第一激发态5P3/2；
所述第二激光器将铷原子有第一激发态5P3/2跃迁至第二激发态nS/nD。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明采用非接触方式进行工频电场测量，避免了采用耦合方式需要引线的复杂性，避免系统复杂度所引入的误差。利用原子能级作为场强测量的溯源基准，同时利用激光光谱的峰值移动测量得到场强的测量。实现了场强测量到频率测量的转换，具有很高的测量精度。本发明采用便携式全光纤的球型气室，有效减少由于气室结构引入的扰动；利用原子光谱进行的原子控温装置和磁场补偿装置的反馈，保障了测量的精确度。本发明具有自校准功能的工频场强测量装置，可以实现的测量精度小于1mV/m，空间分辨率达到100微米。
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为基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置的连接示意图。
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；一种基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置，它包括有：
球型原子气室、光电探测器、光学标准具和数据处理系统；
球型原子气室包括有激光器；激光器将铷原子由基态跃迁至激发态；激光器包括有第一激光器和第二激光器；
第一激光器将铷原子由基态跃迁至第一激发态；
第二激光器将处于第一激发态的铷原子跃迁至第二激发态。
第一激光器的波长为780nm；第二激光器的波长为480nm。
第一激光器用于将铷原子从基态5S1/2跃迁至第一激发态5P3/2；
第二激光器将铷原子有第一激发态5P3/2跃迁至第二激发态，即高激发态nS/nD。
光电探测器与球型原子气室连接，用于测量激光器的功率，获得激光器经过球型原子气室的透射光谱；
光学标准具与光电探测器连接，用于提供相对频率基准，将透射光谱形成周期性光谱；
数据处理系统与光电探测器连接，用于测量激光器的激光频率和光电探测器的输出信号；并根据光学标准具形成的周期性光谱峰值进行相对频率标定以及低激光透射光谱峰值在工频电场下的移动进行跟踪和测量；并且根据光谱峰中心频率位置的移动计算工频场的场强。
装置还包括有与球型原子气室连接的原子气室控温装置，原子气室控温装置用于控制和稳定原子气的温度。
还包括有与球型气室连接的磁场补偿装置，磁场补偿装置用于在原子气室处屏蔽和补偿地磁场对原子能级的影响。
本发明的工作原理如下：
(1)实现高激发态原子的激发：通过饱和吸收光谱技术，将780nm激光器用于将87Rb原子基态5S1/2跃迁至第一激发态5P3/2；480nm激光器，用于将87Rb原子第一激发态5P3/2跃迁至高激发态nS/nD；
(2)球形原子气室，用于87Rb原子的盛放，780nm激光器和480nm激光器产生的激光将在原子气室中共线传输；实现87Rb原子从基态到高激发态的共振激发；
(3)原子气室控温装置，用于控制和稳定原子温度；通常87Rb原子气室的温度被控制在40度以上，以保障原子的密度；
(4)原子气室磁场补偿装置，用于在原子气室处屏蔽和补偿地磁场对原子能级的影响；
(5)光探测器，实现780nm激光功率的测量，获得780nm激光经过原子气室的透射光谱；
(6)数据处理系统：480nm激光频率和光电探测器输出信号的测量，并且根据光信标准具提供的周期性光谱峰值进行相对频率标定以及低激光透射光谱峰值在工频电场下的移动进行跟踪和测量。并且根据光谱峰中心频率位置的移动计算工频场的场强。
本发明中不同于传统的电流互感方式的测量方法，避免了复杂的高压绕组和互感器引入的误差。可以实现自由空间的工频电场场强测量，用于进行高压传输线路和变电站附件工频电场场强的测量，本专利所述的测量方案是通过原子能级移动的光谱测量实现场强的计算，由于原子能级是明确的，因此对工频场强的测量具有清楚的溯源性，这有助于实现对本装置实现的场强测量进行自校准。本装置采用光学标准具提供相对频率基准，可以对激光光谱的频率移动进行准确测量。因此本装置具有好的测量精度。同时由于采用激光进行测量，因此具有很高的空间分辨率，可以实现工频场的空间分布成像。
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 (6)

1.一种基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置，其特征在于，所述装置包括有球型原子气室、光电探测器、光学标准具和数据处理系统；
所述球型原子气室包括有激光器；所述激光器将铷原子由基态跃迁至激发态；
所述光电探测器与所述球型原子气室连接，用于测量激光器的功率，获得激光器经过球型原子气室的透射光谱；
所述光学标准具与所述光电探测器连接，用于提供相对频率基准，将透射光谱形成周期性光谱；
所述数据处理系统与所述光电探测器连接，用于测量激光器的激光频率和光电探测器的输出信号；并根据光学标准具形成的周期性光谱峰值进行相对频率标定以及低激光透射光谱峰值在工频电场下的移动进行跟踪和测量；并且根据光谱峰中心频率位置的移动计算工频场的场强。
2.如权利要求1所述的基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置，其特征在于，所述球型原子气室中的激光器包括有第一激光器和第二激光器；
所述第一激光器将铷原子由基态跃迁至第一激发态；
所述第二激光器将处于第一激发态的铷原子跃迁至第二激发态。
3.如权利要求1所述的基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置，其特征在于，所述装置还包括有与球型原子气室连接的原子气室控温装置，所述原子气室控温装置用于控制和稳定原子气的温度。
4.如权利要求1所述的基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置，其特征在于，所述装置还包括有与球型气室连接的磁场补偿装置，所述磁场补偿装置用于在原子气室处屏蔽和补偿地磁场对原子能级的影响。
5.如权利要求2所述的基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置，其特征在于，所述第一激光器的波长为780nm；所述第二激光器的波长为480nm。
6.如权利要求2所述的基于原子光谱的工频电场非接触式测量装置，其特征在于，所述第一激光器用于将铷原子从基态5S1/2跃迁至第一激发态5P3/2；
所述第二激光器将铷原子有第一激发态5P3/2跃迁至第二激发态nS/nD。
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