基于金刚石NV色心的光纤电流互感器及测量方法与流程

技术特征：
1.一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器，其特征在于，包括有激光激发及反射光接收分析设备、金刚石nv色心探头、聚磁器(12)以及微波激发设备；激光激发及反射光接收分析设备，用于将激光传输至金刚石nv色心探头中，并对金刚石nv色心探头反射回来的混合激光束进行筛分，对留存的nv色心反射荧光进行数据分析；金刚石nv色心探头，其设置于激光激发及反射光接收分析设备的原始激光束输出端，用于接收原始激光束并反射产生混合激光束；聚磁器(12)，其置于待测通电导体的外围，用于增大待测通电导体外围的磁场；微波激发设备，其微波激发部分环绕在金刚石nv色心探头或聚磁器的外围，用于进行微波扫频。2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器，其特征在于：所述激光激发及反射光接收分析设备包括激光器(1)、反射镜(2)、双色片(3)、光纤耦合器(4)、滤波片(5)、光纤(6)、光电探测器(7)、荧光分析处理器(10)以及电脑(11)，使用时，所述激光器(1)对着反射镜(1)发射原始激光束，经过反射的原始激光束通过双色片(3)二次反射后经一个光纤耦合器(4)耦合后进入光纤(6)，最后进入金刚石nv色心探头，金刚石nv色心探头受原始激光束照射后产生反射荧光，该反射荧光与原始激光束组成混合激光束，混合激光束沿光纤(6)返回，经过双色片(3)的过滤作用，混合激光束中的反射荧光穿透双色片(3)，该部分反射荧光再经滤波片(5)二次过滤后得到检测荧光，得到的检测荧光经过另一个光纤耦合器(4)耦合后进入与光电探测器(7)连接的光纤中，光电探测器(7)对检测荧光进行探测，并将探测数据传输进入荧光分析处理器(10)中进行信号分析和处理。3.根据权利要求2所述的一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器，其特征在于：所述金刚石nv色心探头包括含高浓度nv色心的金刚石(14)，所述金刚石(14)通过熔接或粘结的方式设置在光纤(6)的端面中部。4.根据权利要求2所述的一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器，其特征在于：所述光电探测器(7)为雪崩二极管或光电二极管，所述荧光分析处理器(10)为锁相放大器。5.根据权利要求2所述的一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器，其特征在于：所述微波激发设备包括微波天线(8)以及微波源(9)，所述微波天线(8)为环绕在金刚石nv色心探头外围或聚磁器外围的线圈，使用时，微波源(9)产生调幅的微波，其可以对nv色心发射的荧光进行调制，而荧光被光电探测器(7)接收，最终作为荧光分析处理器(10)的输入信号，同时微波源(9)输出的射频信号作为荧光分析处理器(10)的参考信号。6.如权利要求1
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5任一项所述的一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器的测量方法，其特征在于，包含全光学测量法、非全光学测量法以及两种方法结合使用的测量方法，其中：1)全光学测量法测量大电流的通电导体时，将聚磁器置于待测通电导体的外围，将金刚石nv色心探头置于聚磁器的聚磁气隙中，且使得金刚石(14)的[100]晶向与聚磁气隙内的磁场平行，激光激发及反射光接收分析设备发射原始激光束，通过原始激光束照射金刚石(14)，金刚石(14)反射的荧光返回激光激发及反射光接收分析设备中，通过分析反射荧光强弱变化进而估算出外界磁场的大小，进而计算出导体中的电流大小；2)非全光学测量法
测量小电流的通电导体时，将聚磁器置于待测通电导体的外围，将金刚石nv色心探头置于聚磁器的聚磁气隙中，且使得金刚石(14)的[100]晶向与聚磁气隙内的磁场平行，激光激发及反射光接收分析设备发射原始激光束，通过原始激光束照射金刚石(14)，与此同时启动微波源(9)，微波源(9)产生调制的微波并且将相同调制频率的射频作为荧光分析处理器(10)的参考信号，通过调制的微波对nv色心发射的荧光进行扫频，得到odmr谱，利用光学探测磁共振方法精确计算出外界磁场的大小，进而计算通电导体中的电流大小；3)结合测量法为准确测量通大电流的通电导体，先使用全光学测量法估算出聚磁气隙处磁场的大小，再取其中一磁场估算值b1，在聚磁气隙处施加反向的磁场b1，该磁场用于对聚磁气隙处的原磁场进行削弱，之后再通过光学探测磁共振方法精确计算出削弱后磁场的大小b2，根据磁场b2方向是否改变，将两个磁场相减或相加即可得大电流通电导体在聚磁气隙处产生的磁场，再计算出电流大小。7.根据权利要求6所述的一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器的测量方法，其特征在于，在非全光学测量法过程中，所述的光学探测磁共振方法其原理如下：考虑nv色心外围存在磁场b以及微波ωcos(2πft)，二者相互作用，忽略系综色心内部应力的影响，此时nv色心的基态哈密顿量为：其中，z为nv色心的轴向，b
x
，b
y
，b
z
分别为磁场矢量在xyz方向上的投影大小，s
x
，s
y
，s
z
分别为自旋算符在xyz方向上的投影大小，ω微波功率的大小，f为微波频率，d(t)为nv色心的在温度t时的零场劈裂量；检测时，使得金刚石晶格[100]方向与施加的磁场b平行，此时基于nv色心的退相干原理以及lindblad主方程，可以得到odmr谱，且odmr谱满足以下关系式：其中，c和γ分别为对比度和谱线的半高宽，f
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表示odmr谱左边峰的中心频率，f

为表示odmr谱右边峰的中心频率，f表示odmr谱两峰之间谷的中心频率；通过测量odmr谱中的两个峰对应的共振频率，即可推测出外界磁场b的大小，进而计算出通电导体中电流的大小。8.根据权利要求6所述的一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器的测量方法，其特征在于，利用全光学测量法进行测量的原理如下：考虑nv色心的外围不存在磁场时，其系统基态与激发态之间的跃迁速率满足电子能级跃迁速率方程；当nv色心外围存在磁场时，且若磁场方向与nv色心的轴向不平行，外界磁场会改变nv色心能级的本征态，继而改变能级之间的跃迁速率，并最终改变电子在不同能级上的布居，且根据荧光发射强度与能级状态的依赖性，可以得出nv色心反色荧光的强度与外界磁场的大小和方向有关；
基于此，若令外界磁场与nv色心轴向的夹角保持不变，那么nv色心反射的荧光强度会随着磁场强度变化而规律性改变，基于稳态的能级跃迁方程，得出二者之间的变化关系，此时即可通过测量荧光强度，估算出外界磁场的大小，进而计算出通电导体内电流大小。9.根据权利要求6所述的一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器的测量方法，其特征在于，在结合测量法中，施加反向磁场b1的方法如下：31)基于反馈式调节法，在聚磁器外围缠绕一定匝数的线圈；32)基于磁场b1，计算出线圈中产生同等大小磁场需要的电流大小i1；33)在线圈中施加电流i1，其产生反向磁场b1。10.根据权利要求7
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9任一项所述的一种基于金刚石nv色心的光纤电流互感器的测量方法，其特征在于，通过外界磁场计算通电导体内电流大小的原理如下：由于通电导体本身产生的磁场较小，不利于提高测量准确度，使用聚磁器对该部分产生的磁场进行聚集放大，放大后的磁场b0与通电导体中电流i0的大小满足一下公式：其中，b0为气隙处的磁感应强度，μ
c
为聚磁器的磁导率，i0为导体中的通电电流，r为导磁体距离通电导体的距离，s1为聚磁器气隙的横截面积，s2为聚磁器最大的横截面积；其中，磁场b0可以利用nv色心测量得到，进而根据上述公式即可推测出i0的大小。

技术总结
本发明涉及电流传感器技术领域，方案为一种基于金刚石NV色心的光纤电流互感器以及测量方法，包括有激光激发及反射光接收分析设备、金刚石NV色心探头、聚磁器以及微波激发设备，该互感器包括三种测量方法，即全光学测量法、非全光学测量法以及结合测量法；本发明的传感器结构简单，实用性强，并且可以抵抗外界干扰，体现很强的鲁棒性，本发明的光纤只用于激发光的传输以及荧光的收集，所以光纤的弯折扭曲在一定程度上不会对探测结果造成影响，使用起来更加便利，本发明还可以通过优化金刚石中的NV色心浓度以及自旋性质，继而显著的提高磁场测量的灵敏度，为更高精度的电流测量提供了可能性。了可能性。了可能性。


技术研发人员：赵博文 张少春
受保护的技术使用者：安徽省国盛量子科技有限公司
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2021/12/16