CN110045310A - 基于量子精密测量的电流标准装置 - Google Patents

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李圆智
李远松
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Abstract

本发明实施方式提供一种基于量子精密测量的电流标准装置，属于电流的精密测量技术领域。所述电流标准装置包括：导磁环，所述导磁环具有一缺口；嵌套于所述导磁环的第一线圈和第二线圈，所述第二线圈用于输入待测电流，其中，所述第一线圈和所述第二线圈的匝数相等；原边电源，与所述第一线圈连接，用于输入原边电流；量子传感器，设置在所述缺口处，用于测量所述缺口处的磁场强度；控制器，分别与所述原边电源、所述量子传感器连接，用于：根据所述磁场强度控制所述原边电源向所述第一线圈输入所述原边电流；根据所述原边电流计算所述待测电流。该电流标准装置可以在宽频带范围内实现对电流的精确测量。

Description

基于量子精密测量的电流标准装置
技术领域
本发明涉及电流的精密测量技术领域，具体地涉及一种基于量子精密测量的电流标准装置。
背景技术
电流标准装置是精确测量电流的重要测量设备之一，具有高精度、抗干扰能力强、操作简便的优点。然而，随着智能电网的发展，基于法拉第磁光效应的电流测量装置在实际工程应用中却暴露出许多问题，如电子器件和光学器件的抗干扰问题、温漂问题、精度问题等。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种基于量子精密测量的电流标准装置，该电流标准装置可以在宽频带范围内实现对电流的精确测量。
为了实现上述目的，本发明实施方式提供一种基于量子精密测量的电流标准装置，所述电流标准装置可以包括：
导磁环，所述导磁环具有一缺口；
嵌套于所述导磁环的第一线圈和第二线圈，所述第二线圈用于输入待测电流，其中，所述第一线圈和所述第二线圈的匝数相等；
原边电源，与所述第一线圈连接，用于输入原边电流；
量子传感器，设置在所述缺口处，用于测量所述缺口处的磁场强度；
控制器，分别与所述原边电源、所述量子传感器连接，用于：
根据所述磁场强度控制所述原边电源向所述第一线圈输入所述原边电流；
根据所述原边电流计算所述待测电流。
可选地，所述原边电流产生的磁场与所述待测电流产生的磁场的方向相反，所述磁场强度为所述原边电流产生的磁场与所述待测电流产生的磁场的差，所述控制器进一步用于：
判断磁场强度是否为0；
在判断所述磁场强度不为0的情况下，判断所述磁场强度是否大于0；
在判断所述磁场强度大于0的情况下，降低所述原边电流；
在判断所述磁场强度小于0的情况下，提高所述原边电流；
在判断所述磁场强度为0的情况下，输出所述原边电流以作为待测电流的测量结果。
可选地，所述控制器进一步包括激光发生器；
所述量子传感器进一步包括NV色心元件和微波天线，所述微波天线用于向所述NV色心元件发送微波信号，所述激光发生器用于向所述NV色心元件发送激光信号，所述NV色心元件用于在接收到所述微波信号和所述激光信号的情况下，根据所述缺口处的所述磁场强度生成反馈信号；
所述控制器进一步用于根据所述反馈信号计算所述磁场强度。
可选地，所述原边电源进一步包括：
电压调节模块，用于向所述第一线圈提供电压输出；
标准电阻，连接在所述第一线圈和所述电压调节模块之间；
电压传感器，与所述标准电阻并联，用于检测所述标准电阻两端的电压。
可选地，所述控制器进一步用于根据公式(1)计算所述原边电流，
其中，I为所述原边电流，U为所述标准电阻两端的电压，r0为所述标准电阻的阻值。
可选地，所述电流标准装置进一步包括：显示器，所述显示器与所述控制器连接，用于显示所述磁场强度。
可选地，所述流标准装置进一步包括：输入单元，所述输入单元与所述控制器连接，用于供工作人员手动调节所述原边电流。
通过上述技术方案，本发明提供的基于量子精密测量的电流标准装置通过将待测电流的磁场和预先输入的原边电流的磁场进行比对，在两者的磁场强度差为0的情况下，以原边电流的数值实现对待测电流的测量，实现了在宽频带电流的范围内对电流的精密测量；另一方面，采用量子传感器对两者的磁场强度差进行测量，避免了因为温度等原因对测量造成的影响，提高了电流标准装置装置的鲁棒性。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的基于量子精密测量的电流标准装置的结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施方式的控制器的控制方法的流程图；
图3是根据本发明的一个实施方式的基于量子精密测量的电流标准装置的部分部件结构框图；以及
图4是根据本发明的一个实施方式的基于量子精密测量的电流标准装置的部分部件结构框图。
附图标记说明
01、导磁环 02、第一线圈
03、第二线圈 04、原边电源
05、量子传感器 06、控制器
07、激光发生器 08、NV色心元件
09、微波天线 10、电压调节模块
11、标准电阻 12、电压传感器
13、第一透镜组 14、第二透镜组
15、光电转换器
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方式的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施方式，并不用于限制本发明实施方式。
如图1所示是根据本发明的一个实施方式的基于量子精密测量的电流标准装置的结构示意图。在图1中，该电流标准装置可以包括导磁环01、第一线圈02、第二线圈03、原边电源04、量子传感器05和控制器06。
在该实施方式中，为了便于量子传感器05检测导磁环01内的磁场强度，该导磁环01可以具有一缺口。
第一线圈02和第二线圈03可以分别嵌套于导磁环01的不同位置(例如图1中所示出的位置)。该第二线圈03可以用于输入待测电流。此外，为了使得原边电源04输入的原边电流与待测电流在同样的电流强度下，产生的磁场强度相等，该第一线圈02和第二线圈03的匝数可以相等。
原边电源04可以与第一线圈02连接，用于输入原边电流。量子传感器05可以设置在缺口处，用于测量缺口处的磁场强度。
控制器06可以分别与原边电源04、量子传感器05连接，用于根据磁场强度控制原边电源04向第一线圈输入原边电流，并根据原边电流计算待测电流。
由于第一线圈02和第二线圈03的匝数相等，因此在待测电流和原边电流相等的情况下，两个线圈产生的磁场强度应当也是相等的。所以在该实施方式中，控制器06可以在该量子传感器05检测的磁场强度为0的情况下，将原边电流的电流值作为待测电流的检测值输出。具体地，该控制器06执行的操作可以是例如图2中示出的方法。在图2中，以该量子传感器05检测的磁场强度为原边电流产生的磁场强度与待测电流产生的磁场强度的差为例，该方法可以包括：
在步骤S10中，判断量子传感器05检测的磁场强度是否为0；
在步骤S11中，在判断该磁场强度不为0的情况下，判断磁场强度是否大于0；
在步骤S12中，在判断磁场强度大于0的情况下，降低原边电流的电流值；
在步骤S13中，在判断磁场强度小于0的情况下，提高原边电流的电流值；
在步骤S14中，在判断磁场强度为0的情况下，输出原边电流的电流值以作为待测电流的测量结果。
量子传感器05测量磁场强度的基本原理是NV色心在外加磁场中受微波干扰产生电子自旋共振的原理来实现的。因此，在该实施方式中，如图3所示，量子传感器05可以进一步包括NV色心元件08和微波天线09。该电流标准装置也可以进一步包括激光发生器07。
由于NV色心元件本身的特性，当NV色心元件08的外部存在磁场时，根据塞曼效应的理论，基态的电子会发生能级分裂。由于电子本身存在1/2的自旋，因此，在外加磁场下，电子能分裂成两个能级。当对电子施加具有与这两个能级的能级间距相等的频率的电磁波时会引起能级间的跃迁现象发生(ESR，电子自旋共振)，那么，通过对这两个频率差的计算即可计算出外部磁场的磁场强度。所以，该实施方式中，微波天线09可以用于向NV色心元件08发射微波信号以产生电子自旋共振现象。NV色心元件08则可以在接收到(预定频率的)微波信号的情况下，根据周围的磁场强度(发生电子自旋共振以)生成反馈信号。此外，对于该激光的波长，基于上述物理现象，对本领域人员而言，该波长应当是可知的。在本发明的一个优选示例中，该激光的波长可以是532nm。
因此，在该实施方式中，该激光发生器07可以用于向NV色心元件08发射激光信号，同时控制器06可以控制微波天线09向NV色心元件发射微波信号，该NV色心元件08在接收到微波信号和激光信号的情况下，根据周围的磁场(发生电子自旋共振以)生成反馈信号。控制器06对该反馈信号进行分析从而得到该量子传感器05检测的磁场强度。
此外，由于该量子传感器05包括NV色心元件08和微波天线09，激光发生器07可以通过光纤与该NV色心元件08连接。更进一步地，为了提高激光信号的利用率，可以在该光纤与NV色心元件08之间设置用于汇聚激光信号的第一透镜组13。为了接收该NV色心元件08的反馈信号，控制器06和NV色心元件08之间可以通过串接有用于汇聚反馈信号的第二透镜组14以及用于将反馈信号从光信号模式转换为电信号模式的光电转换器15。
控制器06可以通过反馈信号计算磁场强度。具体地，由于NV色心发生电子自旋共振，此时反馈信号中的红色荧光最弱，因此可以得到反馈信号的ODMR(Optical Detectionof Magnetic Resonance technique，光探测磁共振)谱。通过对该ODMR谱的进一步计算则可以得到每个量子传感器05测量到的磁场强度。
在本发明的一个实施方式中，如图4所示，原边电源04可以进一步包括电压调节模块10、标准电阻11和电压传感器12。电压调节模块10可以用于向第一线圈02提供电压输出；标准电阻11可以连接在第一线圈02和电压调节模块10之间；电压传感器12可以与标准电阻11并联，用于检测标准电阻11两端的电压。控制器06可以分别与电压调节模块10、电压传感器12连接，并根据公式(1)计算原边电流，
其中，I为原边电流，U为标准电阻11两端的电压，r0为标准电阻11的阻值。
此外，对于第一线圈02和第二线圈03的绕向，在满足第一线圈02和第二线圈03的磁场方向相反的前提下，第一线圈02和第二线圈03的绕向与原边电流、待测电流的对应关系可以是本领域人员所知的多种。在本发明的一个优选示例中，该第一线圈02和第二线圈03的绕向可以是如图1所示的方向，原边电流和待测电流的方向也可以是如图1所示的方向。
在本发明的一个实施方式中，考虑到设备的校准操作，该电流标准装置进一步包括显示器。该显示器可以与控制器06连接，用于显示磁场强度的数值。相应地，该电流标准装置还可以进一步包括输入单元。该输入单元可以与控制器06连接，用于供工作人员手动调节原边电流。通过上述设置方式，在对该电流标准装置进行校准操作时，可以通过在将相同大小的电流(电流的方向可以根据右手螺旋定则来确定)同时输入第一线圈02和第二线圈03，再将量子传感器05的读数调节至0，从而避免因为环境因素或者设备寿命问题而导致的测量不准的问题发生。
通过上述技术方案，本发明提供的基于量子精密测量的电流标准装置通过将待测电流的磁场和预先输入的原边电流的磁场进行比对，在两者的磁场强度差为0的情况下，以原边电流的数值实现对待测电流的测量，实现了在宽频带电流的范围内对电流的精密测量；另一方面，采用量子传感器对两者的磁场强度差进行测量，避免了因为温度等原因对测量造成的影响，提高了电流标准装置的鲁棒性。
以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施方式的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (7)

1.一种基于量子精密测量的电流标准装置，其特征在于，所述电流标准装置包括:
导磁环，所述导磁环具有一缺口；
嵌套于所述导磁环的第一线圈和第二线圈，所述第二线圈用于输入待测电流，其中，所述第一线圈和所述第二线圈的匝数相等；
原边电源，与所述第一线圈连接，用于输入原边电流；
量子传感器，设置在所述缺口处，用于测量所述缺口处的磁场强度；
控制器，分别与所述原边电源、所述量子传感器连接，用于：
根据所述磁场强度控制所述原边电源向所述第一线圈输入所述原边电流；
根据所述原边电流计算所述待测电流。
2.根据权利要求1所述的电流标准装置，其特征在于，所述原边电流产生的磁场与所述待测电流产生的磁场的方向相反，所述磁场强度为所述原边电流产生的磁场与所述待测电流产生的磁场的差，所述控制器进一步用于：
判断磁场强度是否为0；
在判断所述磁场强度不为0的情况下，判断所述磁场强度是否大于0；
在判断所述磁场强度大于0的情况下，降低所述原边电流；
在判断所述磁场强度小于0的情况下，提高所述原边电流；
在判断所述磁场强度为0的情况下，输出所述原边电流以作为待测电流的测量结果。
3.根据权利要求1所述的电流标准装置，其特征在于，所述控制器进一步包括激光发生器；
所述量子传感器进一步包括NV色心元件和微波天线，所述微波天线用于向所述NV色心元件发送微波信号，所述激光发生器用于向所述NV色心元件发送激光信号，所述NV色心元件用于在接收到所述微波信号和所述激光信号的情况下，根据所述缺口处的所述磁场强度生成反馈信号；
所述控制器进一步用于根据所述反馈信号计算所述磁场强度。
4.根据权利要求1所述的电流标准装置，其特征在于，所述原边电源进一步包括：
电压调节模块，用于向所述第一线圈提供电压输出；
标准电阻，连接在所述第一线圈和所述电压调节模块之间；
电压传感器，与所述标准电阻并联，用于检测所述标准电阻两端的电压。
5.根据权利要求4所述的电流标准装置，其特征在于，所述控制器进一步用于根据公式(1)计算所述原边电流，
其中，I为所述原边电流，U为所述标准电阻两端的电压，r0为所述标准电阻的阻值。
6.根据权利要求1所述的电流标准装置，其特征在于，所述电流标准装置进一步包括：显示器，所述显示器与所述控制器连接，用于显示所述磁场强度。
7.根据权利要求6所述的电流标准装置，其特征在于，所述电流标准装置进一步包括：输入单元，所述输入单元与所述控制器连接，用于供工作人员手动调节所述原边电流。
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