一种基于量子技术的超低频电压交直流转换验证系统及方法
阅读说明：本技术 一种基于量子技术的超低频电压交直流转换验证系统及方法 (Ultralow-frequency voltage alternating current-direct current conversion verification system and method based on quantum technology ) 是由 石照民 潘仙林 宋�莹 周天地 徐晴 段梅梅 田正其 赵双双 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：一种基于量子技术的超低频电压交直流转换验证系统及方法。本发明提供一种超低频电压交直流转换验证系统及方法,包括量子电压生成系统,低频信号源,跟随器,三个开关,双加热丝热电变换器,纳伏表,时钟源,高精度数字采样系统以及上位机。基于直流和交流量子电压技术,结合双加热丝热电变换器,将超低频电压通过交直流转换溯源至直流量子电压,并将转换结果与交流量子电压进行对比验证,对超低频电压交直流转换的精度及不确定度评估结果的合理性进行了验证,保证超低频电压交直流转换的可靠性,解决了超低频电压交直流转换结果无法验证的难题。(An ultralow frequency voltage alternating current-direct current conversion verification system and method based on quantum technology. The invention provides an ultralow-frequency voltage alternating current-direct current conversion verification system and method. Based on a direct current and alternating current quantum voltage technology, a double-heating-wire thermoelectric converter is combined, ultralow-frequency voltage is traced to direct current quantum voltage through alternating current-direct current conversion, a conversion result and the alternating current quantum voltage are compared and verified, the accuracy of the ultralow-frequency voltage alternating current-direct current conversion and the reasonability of an uncertainty evaluation result are verified, the reliability of the ultralow-frequency voltage alternating current-direct current conversion is guaranteed, and the problem that the ultralow-frequency voltage alternating current-direct current conversion result cannot be verified is solved.)
技术领域
本发明属于交流电压计量领域，具体涉及一种基于量子技术的超低频电压交直流转换验证系统及方法
背景技术
超低频电压信号精密测量在振动信号测量、新能源汽车动力电池计量研究以及高电压试验等领域均有广泛应用。振动信号的频率上限一般不超过10Hz，有些甚至在mHz量级，低频振动信号的测量往往是通过振动传感器转换为电信号测量实现；交流阻抗谱测试方法在新能源汽车锂离子动力电池的计量研究中正受到越来越多的关注，研究难点在于其超低频的准确性难以得到保证，需要建立超低频电压标准；此外，超低频电压技术在高电压试验中也具有广泛的应用前景，以0.1Hz的超低频电压取代50Hz工频电压在高电压试验中进行应用，具有明显的优越性和实用价值。建立超低频电压国家基准，实现超低频电压的量值溯源对促进低频振动信号精密测量、锂离子动力电池测试计量以及高电压试验等行业的发展具有重要意义。
超低频电压量值溯源是以双加热丝热电变换器作为参考标准，通过交直流转换实现的，将超低频电压溯源至直流电压基准。双加热丝热电变换器实现超低频电压交直流转换的前提条件是在交流和直流状态下均输出稳定的直流热电势，消除输入信号频率对输出热电势的影响，需要对交直流转换系统的关键参数进行评估补偿，交直流转换结果的精度难以保证。目前缺少一种验证超低频电压交直流转换精度的方法，无法对双加热丝热电变换器实现超低频电压交直流转换不确定度评估结果的合理性进行验证。随着超导量子技术的不断发展，合成交流量子电压已经实现，能成功合成可编程约瑟夫森交流量子电压(PJVS)，其幅值准确度较高。本发明结合量子电压技术，提出一种超低频电压交直流转换验证系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于量子技术的超低频电压交直流转换验证系统及方法，对双加热丝热电变换器实现超低频电压交直流转换的精度以及不确定度评估结果的合理性进行验证，保证超低频电压交直流转换的可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于量子技术的超低频电压交直流转换验证系统，包括量子电压生成系统，低频信号源，跟随器，第一开关，第二开关，第三开关，双加热丝热电变换器，纳伏表，时钟源，高精度数字采样系统，上位机。量子电压生成系统通过跟随器分别与第一开关、第二开关以及高精度数字采样系统的通道连接，低频信号源连接至第一开关、第二开关和第三开关，第三开关连接至高精度数字采样系统的通道A，第一开关和第二开关与双加热丝热电变换器连接，双加热丝热电变换器连接至纳伏表，时钟源与量子电压生成系统、低频信号源和高精度数字采样系统连接，上位机通过IEEE-488总线与量子电压生成系统、低频信号源、第一开关、开关第二、第三开关、纳伏表和高精度数字采样系统连接，实现系统自动化控制。
量子电压生成系统提供交流量子电压US和直流量子电压UD；
低频信号源提供两路幅值相等且正交的低频电压信号UA1和UA2；
跟随器用于提高量子电压系统的带载能力；
第一开关和第二开关用于控制双加热丝热电变换器输入端低频电压信号与直流量子电压的切换；
第三开关用于控制两路低频电压信号UA1和UA2与高精度数字采样系统的通道A之间切换连接；
双加热丝热电变换器用于实现低频电压信号UA1和UA2与直流量子电压之间的等效转换；
纳伏表用于读取双加热丝热电变换器在交流和直流状态下输出的热电势；
时钟源提供同步时钟信号，实现量子电压生成系统与低频信号源的同步输出，以及高精度数字采样系统的同步测量；
高精度数字采样系统用于实现交流量子电压与低频电压信号之间差值的精密测量；
上位机用于控制整个系统实现自动化测量。
基于量子技术的超低频电压交直流转换验证方法，包括以下步骤：
A.上位机控制第三开关切换使UA1支路与高精度数字采样系统的通道A连接；
B.由上位机控制量子电压生成系统输出交流量子电压信号US，通过跟随器3输入至高精度数字采样系统的通道B，同时控制低频信号源输出两路幅值相等且正交的低频电压信号UA1和UA2，UA1、UA2、US标称值均相等；
C.上位机控制第一开关和第二开关切换，使低频电压信号UA1和UA2输入至双加热丝热电变换器；
D.通过纳伏表读取此时双加热丝热电变换器输出热电势为EA1；
E.通过高精度数字采样系统测量低频电压信号UA1与交流量子电压信号US之间的相对误差Δ1；
F.上位机控制量子电压生成系统输出正的直流量子电压信号UD+，UD+与交流量子电压信号US标称值相等；
G.上位机控制第一开关和第二开关切换，使正的直流量子电压信号UD+输入至双加热丝热电变换器；
H.通过纳伏表读取此时双加热丝热电变换器输出热电势为ED+；
I.上位机控制量子电压生成系统输出负的直流量子电压信号UD-，UD-与UD+幅值相等；
J.通过纳伏表读取此时双加热丝热电变换器输出热电势为ED-；
K.上位机控制量子电压生成系统再次输出交流量子电压信号US，通过跟随器输入至高精度数字采样系统的通道B，控制第一开关和第二开关切换，再次使低频电压信号UA1和UA2输入至双加热丝热电变换器；
L.通过纳伏表读取此时双加热丝热电变换器输出热电势为EA2；
M.通过高精度数字采样系统再次测量低频电压信号UA1与交流量子电压信号US之间的相对误差Δ2；
N.通过交直流转换得到超低频电压信号有效值U1可表示为
低频信号源输出的其中一路低频信号UA1可表示为
O.上位机11控制第三开关切换使UA2支路与高精度数字采样系统的通道A连接，重复过程B～M，通过交直流转换得到超低频电压信号有效值U2可表示为
低频信号源输出的另一路低频信号UA2可表示为
P.定义则超低频电压交直流转换结果与交流量子电压之间的相对误差可表示为
通过上述方法即可实现超低频电压交直流转换与交流量子电压之间的相互验证。
与现有技术相比，本发明提出了一种基于量子技术的超低频电压交直流转换验证系统及方法，实现了交流量子电压与超低频电压交直流转换的相互验证，结合直流量子电压技术，将超低频电压通过交直流转换溯源至直流量子电压，并将转换结果与交流量子电压进行比较，对超低频电压交直流转换的精度及不确定度评估结果的合理性进行了验证，保证超低频电压交直流转换的可靠性，解决了超低频电压交直流转换结果无法验证的难题。
附图说明
：图1为超低频电压交直流转换与量子电压对比验证系统框图。
附图标记：量子电压生成系统1，低频信号源2，跟随器3，开关4，开关5，开关6，双加热丝热电变换器7，纳伏表8，时钟源9，高精度数字采样系统10，上位机11。
具体实施方式
：
下面结合附图和实施例对发明做进一步的详细说明：
基于量子技术的超低频电压交直流转换验证系统由量子电压生成系统1，低频信号源2，跟随器3，开关4，开关5，开关6，双加热丝热电变换器7，纳伏表8，时钟源9，高精度数字采样系统10，上位机11组成。量子电压生成系统1通过跟随器3分别与开关4、开关5以及高精度数字采样系统10的通道B连接，低频信号源2连接至开关4、开关5和开关6，开关6连接至高精度数字采样系统10的通道A，开关4和开关5与双加热丝热电变换器7连接，双加热丝热电变换器7连接至纳伏表8，时钟源9与量子电压生成系统1、低频信号源2和高精度数字采样系统10连接，上位机11与量子电压生成系统1、低频信号源2、开关4、开关5、开关6、纳伏表8和高精度数字采样系统10连接，实现系统自动化控制。
量子电压生成系统1提供交流量子电压US和直流量子电压UD；
低频信号源提供两路幅值相等且正交的低频电压信号UA1和UA2；
跟随器3用于提高量子电压系统的带载能力；
开关4和开关5用于控制双加热丝热电变换器7输入端低频电压信号与直流量子电压的切换；
开关6用于控制两路低频电压信号UA1和UA2与高精度数字采样系统10的通道A之间切换连接；
双加热丝热电变换器7用于实现低频电压信号UA1和UA2与直流量子电压之间的等效转换；
纳伏表8用于读取双加热丝热电变换器7在交流和直流状态下输出的热电势；
时钟源9提供同步时钟信号，实现量子电压生成系统1与低频信号源2的同步输出，以及高精度数字采样系统10的同步测量；
高精度数字采样系统10用于实现交流量子电压与低频电压信号之间差值的精密测量；
上位机11用于控制整个系统实现自动化测量。
下面以幅值为1V、频率为0.1Hz的超低频电压为例，阐述基于量子技术的超低频电压交直流转换验证方法。
A.上位机11控制开关6切换使UA1支路与高精度数字采样系统10的通道A连接；
B.由上位机11控制量子电压生成系统1输出幅值为1V，频率为0.1Hz的交流量子电压信号US，通过跟随器3输入至高精度数字采样系统10的通道B，同时控制低频信号源2输出两路幅值为1V，频率为0.1Hz的低频正交电压信号UA1和UA2；
C.上位机11控制开关4和开关5切换，使低频电压信号UA1和UA2输入至双加热丝热电变换器7；
D.通过纳伏表8读取此时双加热丝热电变换器输出的热电势EA1；
E.通过高精度数字采样系统10测量低频电压信号UA1与交流量子电压信号US之间的相对误差Δ1；
F.上位机11控制量子电压生成系统1输出幅值为1V，正的直流量子电压信号UD+；
G.上位机11控制开关4和开关5切换，使正的直流量子电压信号UD+输入至双加热丝热电变换器7；
H.通过纳伏表8读取此时双加热丝热电变换器输出热电势为ED+；
I.上位机11控制量子电压生成系统1输出幅值为1V，负的直流量子电压信号UD-；
J.通过纳伏表8读取此时双加热丝热电变换器输出热电势为ED-；
K.上位机11控制量子电压生成系统1再次输出幅值为1V、频率为0.1Hz的交流量子电压信号US，通过跟随器3输入至高精度数字采样系统10的通道B，控制开关4和开关5切换，再次使低频电压信号UA1和UA2输入至双加热丝热电变换器7；
L.通过纳伏表8读取此时双加热丝热电变换器输出热电势为EA2；
M.通过高精度数字采样系统10再次测量低频电压信号UA1与交流量子电压信号US之间的相对误差Δ2；
N.通过交直流转换得到超低频电压信号有效值U1可表示为
低频信号源2输出的其中一路低频信号UA1可表示为
O.上位机11控制开关6切换，使UA2支路与高精度数字采样系统10的通道A连接，重复过程B～M，通过交直流转换得到超低频电压信号有效值U2可表示为
低频信号源2输出的另一路低频信号UA2可表示为
P.定义则超低频电压交直流转换结果与交流量子电压之间的相对误差可表示为
通过上述过程即可实现幅值为1V、频率为0.1Hz的超低频电压交直流转换与交流量子电压之间的相互验证。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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