量子电流传感器的自校准装置和方法与流程

本申请涉及精密仪器，特别是涉及一种量子电流传感器的自校准装置和方法。

背景技术：

1、随着量子精密测量技术的发展，基于金刚石氮空位色心的量子电流传感器因其天然的电气隔离特性和可溯源至物理常数的绝对量值优势，成为高精度电流计量领域的重要发展方向。量子电流传感器的标度因数由光电转换系数、电子链路增益及odmr谱线斜率等多个环节共同决定，上述环节会随激光功率波动、微波功率漂移及探测器老化等因素缓慢漂移，导致测量结果逐渐偏离真值。

2、传统技术中，通常采用离线定期标定的方式维持传感器测量准确度，即在固定周期借助外部标准电流源对传感器进行标定并将标度因数固化写入。然而，离线标定无法跟踪标度因数在两次标定之间的实时漂移，尤其当传感器部署于高电位或偏远位置时，频繁停机接入外部标准源进行标定难以实施，导致长期运行中标度因数漂移无法被及时修正。

3、因此，如何在无需外部标准源且不中断测量的条件下实时校正因数漂移，成为量子电流传感器工程化应用中亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在无需外部标准源且不中断测量的条件下实时校正量子电流传感器因数漂移的量子电流传感器的自校准装置和方法。

2、第一方面，本申请提供了一种量子电流传感器的自校准装置，装置包括激发模块、荧光探测模块、参考信号注入模块、温度采集模块和信号处理模块；信号处理模块分别与荧光探测模块、参考信号注入模块和温度采集模块电连接；

3、激发模块朝向量子电流传感器中的金刚石氮空位色心设置，用于向金刚石氮空位色心施加激励，以使金刚石氮空位色心产生荧光信号；

4、参考信号注入模块设置于金刚石氮空位色心的敏感区域，用于在敏感区域产生参考交流磁场，参考交流磁场作用于荧光信号；

5、荧光探测模块设置于金刚石氮空位色心的荧光出射方向，用于采集经参考交流磁场作用后的荧光信号并转换为电信号；

6、温度采集模块贴合于金刚石氮空位色心，用于采集金刚石氮空位色心的数字温度值；

7、信号处理模块用于根据电信号确定待测信号分量和参考信号分量，根据参考信号分量及参考交流磁场的幅值确定实际标度因数，根据实际标度因数对待测信号分量进行标度因数漂移校正，得到校正后的电流值；以及根据数字温度值对校正后的电流值进行温度漂移校正，得到温度补偿后的电流值。

8、第二方面，本申请还提供了一种量子电流传感器的自校准方法，包括：

9、获取荧光探测模块输出的电信号；电信号由荧光探测模块对荧光信号进行采集并转换后得到，荧光信号由激发模块向金刚石氮空位色心施加激励后产生，且荧光信号在传输过程中受参考信号注入模块在金刚石氮空位色心的敏感区域产生的参考交流磁场的作用；根据电信号确定待测信号分量和参考信号分量；获取参考交流磁场的幅值，根据参考信号分量及参考交流磁场的幅值确定实际标度因数；根据实际标度因数对待测信号分量进行标度因数漂移校正，得到校正后的电流值；获取温度采集模块输出的数字温度值；根据数字温度值对校正后的电流值进行温度漂移校正，得到温度补偿后的电流值。

10、上述量子电流传感器的自校准装置和方法，参考信号注入模块在敏感区域产生参考交流磁场，参考交流磁场与待测电流产生的待测磁场共同作用于金刚石氮空位色心，共同影响荧光信号，荧光探测模块采集到的电信号中同时包含待测信号分量和参考信号分量。由于待测信号分量与参考信号分量在频率上彼此分离，信号处理模块根据两者频率的差异从同一电信号中分别确定待测信号分量和参考信号分量，并依据参考信号分量及已知的参考交流磁场幅值实时解算当前实际标度因数，进而对待测信号分量进行校正。在此过程中，参考交流磁场的幅值为装置内部已知量，无需接入任何外部标准电流源即可完成标度因数的实时解算；同时，参考信号注入模块产生参考交流磁场的过程中，待测电流的测量通道保持畅通，荧光探测模块持续采集荧光信号，信号处理模块在校准所需信息提取与标度因数解算的同时，待测电流的测量同步进行，无需暂停正常测量。由此，该方法实现了在无需外部标准源且不中断测量的条件下对标度因数漂移的实时在线校正，有效解决了传统方案依赖外部标准源和需要中断测量的技术缺陷。

1.一种量子电流传感器的自校准装置，其特征在于，所述装置包括激发模块、荧光探测模块、参考信号注入模块、温度采集模块和信号处理模块；所述信号处理模块分别与所述荧光探测模块、所述参考信号注入模块和所述温度采集模块电连接；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激发模块包括光激励单元和微波激励单元；

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光激励单元包括激光器、声光调制器和光路耦合电路；

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述微波激励单元包括微波信号源、功率放大器及微波传输天线；

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考信号注入模块包括参考电流源、参考线圈和频率控制单元；

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括双通道数字锁相放大单元和比值解算单元；

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括温度补偿单元；

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电信号为数字电压信号，所述荧光探测模块包括光电探测器、跨阻放大器和模数转换器；

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度采集模块包括温度传感器和温度采集电路；

10.一种量子电流传感器的自校准方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9任一项所述的量子电流传感器的自校准装置中的信号处理模块，所述量子电流传感器的自校准装置包括激发模块、荧光探测模块、参考信号注入模块、温度采集模块和信号处理模块，所述方法包括：