基于NV色心磁传感器的磁场检测装置、方法及存储介质与流程

基于nv色心磁传感器的磁场检测装置、方法及存储介质
技术领域
1.本发明涉及磁场测量技术领域，尤其涉及一种基于nv色心磁传感器的磁场检测装置、一种基于nv色心磁传感器的磁场检测方法和一种计算机可读存储介质。


背景技术：

2.nv色心是金刚石中的一种点缺陷，这种点缺陷可以产生磁共振效应，并且可以用光学方法探测共振效应的发生，以及共振效应的强度。例如：nv色心可以被绿色激光激发出红色荧光。而在发射微波至nv色心产生磁共振时，红色荧光的强度会明显降低，微波频率越接近共振频率荧光强度越低。
3.原子核带有正电，许多元素的原子核，如1h、19f和31p等进行自旋运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向有序过渡。这样一来，自旋的核同时也以自旋轴和外加磁场的向量方向的夹角绕外加磁场向量旋进，这种旋进叫做拉莫尔旋进，就像旋转的陀螺在地球的重力下的转动。自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长，当自旋系统达到平衡时，磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外界作用，如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。这样，自旋核还要在射频方向上旋进，这种叠加的旋进状态叫做章动。在射频脉冲停止后，自旋系统已激化的原子核，不能维持这种状态，将恢复到磁场中原来的排列状态，同时释放出微弱的能量，成为射电信号，把这许多信号检出，并使之能进行空间分辨时，就得到运动中原子核分布图像。
4.相关技术中，通过nv色心计算磁场强度有两种方法：一种是，发生磁共振时，磁场强度和nv色心周围的微波频率满足一定关系，根据这一关系，利用微波频率计算出磁场强度；另一种是，当磁共振没有达到极限时，利用荧光强度修正微波频率的偏差，同样可以计算出磁场强度。
5.然而，上面的方案只能用在磁场强度较低的情况下。如果磁场强度超过100高斯，nv色心的电子能级之间会发生混叠，破坏电子跃迁过程，那么nv色心的荧光强度将不再随磁场强度的变化而改变，无法实现磁测量功能，因此，nv色心磁传感器不能直接测量强磁场，在强磁场测量的应用方向上存在空白。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于nv色心磁传感器的磁场检测装置，在实现nv色心磁传感器直接测量强磁场的同时，提高强磁场测量的精度。
7.本发明的第二个目的在于提出一种基于nv色心磁传感器的磁场检测方法。
8.本发明的第三个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
9.为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于nv色心磁传感器的磁场检测装置，所述装置包括：nv色心磁传感器，所述nv色心磁传感器设置在待测磁场中；旋转位移台，用于调整所述nv色心磁传感器的磁测量方向；控制组件，用于向所述nv色心磁传感
器持续提供激光信号和微波信号，以使所述nv色心磁传感器产生荧光信号，并在预设频率范围内改变所述微波信号的微波频率，以及获取所述荧光信号的荧光强度与微波频率的关系，根据所述关系控制所述旋转位移台将所述nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与所述待测磁场的磁场方向一致，并在所述磁测量方向与所述磁场方向一致时，根据所述荧光信号得到所述待测磁场的磁场强度。
10.进一步地，所述旋转位移台包括：位移机构，用于将所述nv色心磁传感器进行上下、左右位移；旋转机构，用于将所述nv色心磁传感器进行旋转。
11.根据本发明的一个实施例，所述控制组件在根据所述关系控制所述旋转位移台将所述磁测量方向调整至与所述磁场方向一致时，具体用于：在根据所述关系判定所述荧光强度随所述微波频率变换未出现明显的吸收峰时，通过所述旋转机构调整所述nv色心磁传感器的磁测量方向，直至所述荧光强度随所述微波频率变换出现明显的吸收峰。
12.进一步地，所述控制组件在根据所述关系控制所述旋转位移台将所述磁测量方向调整至与所述磁场方向一致时，具体还用于：在根据所述关系判定所述荧光强度随所述微波频率变换出现明显的吸收峰时，调整所述微波信号的微波频率，直至所述荧光信号的荧光强度达到最小。
13.进一步地，所述控制组件在根据所述关系控制所述旋转位移台将所述磁测量方向调整至与所述磁场方向一致时，具体还用于：在调整所述微波信号的微波频率，直至所述荧光信号的荧光强度达到最小之后，通过所述位移机构调整所述nv色心磁传感器的磁测量方向，直至所述荧光信号的荧光强度达到最小。
14.根据本发明实施例的基于nv色心磁传感器的磁场检测装置，在实现nv色心磁传感器直接测量强磁场的同时，提高强磁场测量的精度。
15.为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于nv色心磁传感器的磁场检测方法，所述方法包括：向设置在待测磁场中的nv色心磁传感器持续提供激光信号和微波信号，以使所述nv色心磁传感器产生荧光信号；在预设频率范围内改变所述微波信号的微波频率，并获取所述荧光信号的荧光强度与微波频率的关系；根据所述关系控制所述旋转位移台将所述nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与所述待测磁场的磁场方向一致；在所述磁测量方向与所述磁场方向一致时，根据所述荧光信号得到所述待测磁场的磁场强度。
16.根据本发明的一个实施例，所述根据所述关系控制所述旋转位移台将所述nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与所述待测磁场的磁场方向一致，包括：在根据所述关系判定所述荧光强度随所述微波频率变换未出现明显的吸收峰时，控制所述旋转位移台对所述nv色心磁传感器进行旋转，直至所述荧光强度随所述微波频率变换出现明显的吸收峰。
17.进一步地，所述根据所述关系控制所述旋转位移台将所述nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与所述待测磁场的磁场方向一致，还包括：在所述荧光强度随所述微波频率变换出现明显的吸收峰时，调整所述微波信号的微波频率，直至所述荧光信号的荧光强度达到最小。
18.进一步地，所述根据所述关系控制所述旋转位移台将所述nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与所述待测磁场的磁场方向一致，还包括：在调整所述微波信号的微波频率，直至所述荧光信号的荧光强度达到最小之后，控制所述旋转位移台对所述nv色心磁传感器
进行上下、左右平移，直至所述荧光信号的荧光强度达到最小。
19.根据本发明实施例的基于nv色心磁传感器的磁场检测方法，在实现nv色心磁传感器直接测量强磁场的同时，提高强磁场测量的精度。
20.为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的基于nv色心磁传感器的磁场检测方法。
21.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.图1是本发明一个实施例的基于nv色心磁传感器的磁场检测装置的结构构示意图；
23.图2是本发明一个具体实施例的基于nv色心磁传感器的磁场检测装置的结构示意图；
24.图3是本发明一个实施例的基于nv色心磁传感器的磁场检测方法的流程示意图。
具体实施方式
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.下面参考附图1-3描述本发明实施例的基于nv色心磁传感器的磁场检测装置、方法及存储介质。
27.图1是本发明一个实施例的基于nv色心磁传感器的磁场检测装置的机构示意图。如图1所示，基于nv色心磁传感器的磁场检测装置100包括：nv色心磁传感器10，旋转位移台20和控制组件30。其中，nv色心磁传感器10设置在待测磁场中；旋转位移台20用于调整nv色心磁传感器10的磁测量方向；控制组件30用于向nv色心磁传感器10持续提供激光信号和微波信号，以使nv色心磁传感器10产生荧光信号，并在预设频率范围内改变微波信号的微波频率，以及获取荧光信号的荧光强度与微波频率的关系，根据关系控制旋转位移台20将nv色心磁传感器10的磁测量方向调整至与待测磁场的磁场方向一致，并在磁测量方向与磁场方向一致时，根据荧光信号得到待测磁场的磁场强度。
28.具体地，本发明中控制组件30向nv色心磁传感器10持续提供激光信号和微波信号，以使nv色心磁传感器10产生荧光信号，并在预设频率范围内改变微波信号的微波频率，直到遍历了整个预设频率范围，还记录荧光信号的荧光强度与微波频率的关系。
29.需要说明的是，现有的磁传感器方案中，只有特制的霍尔磁传感器可以测量强磁场的大小，而霍尔磁传感器的精度远低于nv色心磁传感器。本发明将nv色心磁传感器应用于强磁场测量中，可以明显提高强磁场测量的精度，存在较大的应用价值。
30.进一步地，将nv色心磁传感器10安装到旋转位移台20上，参见图2，旋转位移台20可包括：位移机构21和旋转机构22，其中，位移机构21用于将nv色心磁传感器10进行上下、左右位移；旋转机构22用于将nv色心磁传感器10进行旋转。由此，可将nv色心磁传感器10的
磁测量方向调整至与待测磁场的磁场方向一致。
31.作为一个示例，控制组件30在根据关系控制旋转位移台20将磁测量方向调整至与磁场方向一致时，具体用于：在根据关系判定荧光强度随微波频率变换未出现明显的吸收峰时，通过旋转机构22调整nv色心磁传感器10的磁测量方向，直至荧光强度随微波频率变换出现明显的吸收峰。
32.具体地，检测获得的荧光信号的荧光强度与微波频率的关系，如果荧光强度随微波频率变换未出现明显的吸收峰，则通过旋转位移台20中的旋转机构22调整nv色心磁传感器10的磁测量方向。当调整nv色心磁传感器10的磁测量方向至荧光强度随微波频率变换出现明显的吸收峰时，停止调整nv色心磁传感器10的磁测量方向。由此，使得nv色心磁传感器10的磁测量方向与磁场方向达到一致。
33.作为另一个示例，控制组件30在根据关系控制旋转位移台20将磁测量方向调整至与磁场方向一致时，具体还用于：在根据关系判定荧光强度随微波频率变换出现明显的吸收峰时，调整微波信号的微波频率，直至荧光信号的荧光强度达到最小。
34.进一步地，控制组件30在根据关系控制旋转位移台20将磁测量方向调整至与磁场方向一致时，具体还用于：在调整微波信号的微波频率，直至荧光信号的荧光强度达到最小之后，通过位移机构21调整nv色心磁传感器10的磁测量方向，直至荧光信号的荧光强度达到最小。
35.具体地，通过调整微波信号的微波频率以及通过位移机构21调整nv色心磁传感器10的磁测量方向，使得荧光信号的荧光强度达到最小。此时，nv色心磁传感器10的磁测量方向和磁场方向已经重合，当磁场强度较强时，电子能级之间不会发生混叠，不打扰电子跃迁过程，保证荧光信号的荧光强度随磁场强度的变化而改变，可以使用荧光信号的荧光强度测量磁场强度。
36.综上所述，基于nv色心磁传感器的磁场检测装置100，通过旋转位移台20将nv色心磁传感器10的磁测量方向调整至与待测磁场的磁场方向一致，并在磁测量方向与磁场方向一致时，根据荧光信号得到待测磁场的磁场强度，在实现nv色心磁传感器10直接测量强磁场的同时，提高强磁场测量的精度。
37.图3是本发明一个实施例的基于nv色心磁传感器的磁场检测方法的流程示意图。如图3所示，基于nv色心磁传感器的磁场检测方法，包括：
38.s101、向设置在待测磁场中的nv色心磁传感器持续提供激光信号和微波信号，以使nv色心磁传感器产生荧光信号。
39.s102、在预设频率范围内改变微波信号的微波频率，并获取荧光信号的荧光强度与微波频率的关系；根据关系控制旋转位移台将nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与待测磁场的磁场方向一致。
40.作为一个示例，根据关系控制旋转位移台将nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与待测磁场的磁场方向一致，可包括：在根据关系判定荧光强度随微波频率变换未出现明显的吸收峰时，控制旋转位移台对nv色心磁传感器进行旋转，直至荧光强度随微波频率变换出现明显的吸收峰。
41.作为另一个示例，根据关系控制旋转位移台将nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与待测磁场的磁场方向一致，还可包括：在荧光强度随微波频率变换出现明显的吸收峰
时，调整微波信号的微波频率，直至荧光信号的荧光强度达到最小。
42.进一步地，根据关系控制旋转位移台将nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与待测磁场的磁场方向一致，还可包括：在调整微波信号的微波频率，直至荧光信号的荧光强度达到最小之后，控制旋转位移台对nv色心磁传感器进行上下、左右平移，直至荧光信号的荧光强度达到最小。
43.s103、在磁测量方向与磁场方向一致时，根据荧光信号得到待测磁场的磁场强度。
44.需要说明的是，前述对基于nv色心磁传感器的磁场检测装置实施例的解释说明也适用于该实施例的基于nv色心磁传感器的磁场检测方法，此处不再赘述。
45.综上所述，该基于nv色心磁传感器的磁场检测方法，通过旋转位移台将nv色心磁传感器的磁测量方向调整至与待测磁场的磁场方向一致，并在磁测量方向与磁场方向一致时，根据荧光信号得到待测磁场的磁场强度，在实现nv色心磁传感器直接测量强磁场的同时，提高强磁场测量的精度。
46.本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述的基于nv色心磁传感器的磁场检测方法。
47.本发明实施例的计算机可读存储介质，在其上存储的与上述基于nv色心磁传感器的磁场检测方法对应的计算机程序被处理器执行时，在实现nv色心磁传感器直接测量强磁场的同时，提高强磁场测量的精度。
48.需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
49.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
50.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
51.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
52.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
53.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
54.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
55.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。