CN113777550A - 一种基于量子电流互感器的测量装置及其仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于量子电流互感器的测量装置及其仿真测试方法，本发明中以NV色心具有的磁测量的高灵敏度和高频率响应的特性，可以在连续波磁侧环境下进行电流的测定；从而获得高精度的电流幅度、相位信息，对电网的运行管理有重要意义，可以监控电网中高频冲击信号的分布，在测量电网电流的同时监控电网的安全状态；根据NV色心的磁测量原理建立了NV色心电流传感器的仿真模型，给出了NV色心对待测电流的响应曲线，分析了NV色心电流传感器的灵敏度和动态范围的影响因素，给出NV色心电流传感器的优化方法；分析了NV色心对待测电流的非线性响应现象，以及电流位置波动对信号的影响，并提出了相应的解决方案。

Description

一种基于量子电流互感器的测量装置及其仿真测试方法

技术领域

本发明涉及电流互感技术领域，尤其涉及一种基于量子电流互感器的测量装置及其仿真测试方法。

背景技术

随着电网规模的不断扩大，电网系统对使用设备的安全性、可靠性、多功能性的要求也不断提升。以电网系统的电流互感器为例，传统的电磁式电流互感器利用电磁感应原理来测量电流强度，在长期的实践中不断改进与优化，为社会发展做出了巨大贡献。但是，随着电网规模的增加与技术指标的提升，电磁式互感器技术逐渐表现出了各种技术指标的瓶颈，比如测量带宽小、动态范围窄、体积庞大、能量损耗较高等缺点，此外传统电磁式互感器的绝缘成本也很高；这些缺点与电磁式互感器的基本原理有关，很难进一步改进，因此迫切需要新技术的参与；

电子式电流互感器可以有效避免传统的电磁式电流互感器的种种缺点。从结构设计上看，电子式电流互感器可以分为基于光纤的电流互感器、空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器。基于光纤的电流互感器利用待测电流周围的磁场，在光纤中产生磁致旋光效应引发光程差，从而利用干涉的光强变化计算出待测电流强度。空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器都利用电磁感应原理来测量待测电流强度，当一次线圈内的待测电流幅度改变时，二次线圈内的磁通量也会随之改变，收集由此产生的感应电流并积分，即可计算出待测电流。他们的区别在于，铁芯线圈电流互感器使用铁芯增强二次线圈内的磁通量，在增加信号幅度的同时引入了涡流损耗与磁滞效应。与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器体积更小，功耗更低，测量带宽更高，可以实现高度的自动化与智能化，有着极为广阔的应用前景。

从本质上说，光纤式电流互感器是一种基于磁测量技术的电流互感器，待测电流以磁场为媒介影响待测光的光程，而电流互感器通过干涉来测量光程差，从而利用光程差与磁场的关系计算出磁场强度。空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器利用一次线圈上电流变化引发的磁场改变，在二次线圈中产生感应电流，这个过程中磁场也起到传递信息的作用。总而言之，电流互感器在很大程度上依赖于待测电流产生的磁场，因此改用高精度、高稳定性的磁测量设备可以有效优化电流互感器的工作性能。

NV色心是金刚石中的一种点缺陷，对NV色心电子能级结构的研究早在上世纪90年代就开始进行。2008年Taylor等人发布的工作表明，基于NV色心的磁测量装置理论上可以达到3fT/√IA的灵敏度。与其他的磁传感器相比，NV色心有着极为优异的灵敏度与频率响应范围，而且作为NV色心载体的金刚石物理化学性质稳定，可以耐受各种极端环境。因此以NV色心的磁测量功能为基础，研发出基于NV色心的电流互感器是解决现有电磁式互感器缺点的有效途径。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于量子电流互感器的测量装置及其仿真测试方法，能够解决一般的电磁式互感器测量带宽小、动态范围窄、体积庞大、能量损耗较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于量子电流互感器的测量装置，其创新点在于：包括量子传感器和量子测量模块；且量子传感器与量子测量模块之间通过光纤相连形成回路；

所述量子传感器包括导电杆、环形壳体、屏蔽单元和连接架；所述导电杆穿过环形壳体的中心位置与环形壳体同轴设置，所述环形壳体的截面呈一对关于导电杆轴线对称的U型结构，环形壳体的U型结构形成容纳屏蔽单元的容纳腔；所述环形壳体的U型结构上表面设置有环形的盖板，且环形壳体的中心上、下两端面均设置有挡板，挡板的边缘连接在环形壳体的内壁上，挡板的中心设置有容纳导电杆穿过的通孔；

所述连接架包括连接板和抱箍，所述抱箍具有一对且分别夹紧在环形壳体上、下两端的导电杆上，所述连接板具有一对且分别与两个抱箍对应相连，所述连接板的一端连接在抱箍上，连接板的另一端开有螺栓孔可实现量子传感器的固定安装；

所述屏蔽单元包括屏蔽环、底板和铁心压块；所述屏蔽环呈环形柱状结构设置在环形壳体的U型结构内，所述底板呈环形结构且设置在屏蔽环的底端，底板与环形壳体的内壁连接；所述铁心压块设置在屏蔽环的顶端，且铁心压块通过螺栓锁紧连接在底板上，实现铁心压块压紧在屏蔽环的顶端；所述环形壳体上设置有电缆接头，所述环形壳体内设置有NV探头；

所述量子测量模块包括光源模块、光电转换模块、A/D模块、数据处理模块、数据输出模块和微波模块；所述光源模块通过光纤向量子传感器内传递光源，所述光电转换模块通过光纤采集量子传感器内的光源，将光信号转换成电信号；所述A/D模块的一端连接在光电转换模块上，将电信号转换成数字信号，所述A/D模块的另一端连接在数据处理模块上对采集的数据进行处理；所述数据处理模块的另一端连接在数据输出模块上，实现将完成处理的数据进行输出；所述微波模块与数据处理模块进行数据交互，通过微波模块输入的微波频率数据。

一种基于量子电流互感器的仿真测试方法，其创新点在于：具体测量方法如下：

S1：设定待测电流：设定通过导电杆的电流为50Hz的交流电，该电流为稳恒电流；因此在导电杆周围产生的磁场满足下面的表达式：

上面的表达式中，I是电流的幅度，ω是电流的频率，d是导线到NV色心样品的距离；

S2：偏共振强度的计算：NV色心的共振频率ω_MW与沿NV色心主轴方向的磁场强度分量B∥满足下面的表达式：ω_MW＝Dgs±γ_NV·B∥

上面的表达式中，参数Egs＝2.87GHz，被称为NV色心的零场劈裂；参数γ_NV＝2.8MHz/G；根据S1中的表达式与S2中的表达式计算出NV色心的共振频率ω_MW；

S3：NV色心荧光强度的计算：NV色心的荧光来源于激发态向基态的跃迁，荧光强度可以写成下面的表达式：

参数ρe0e0指激发态0态的电子密度，参数ρe1e1指激发态±1态的电子密度；Γ₀为激发态电子放出光子回到基态的速率；Γ_s为自旋单态电子落入自选三重态基态的速率；Γ_p为激光的输送速率；未考虑荧光收集效率与光电探测器的转换系数，将电子密度的稳态解带入荧光强度的表达式，并引入近似条件Γ₀～Γ_s＞＞Γ_p，可以得到荧光强度与偏共振的如下关系：

上面的表达式中，C是NV色心的CW谱对比度，γ是NV色心的CW谱吸收峰宽度，满足下面的表达式：

其中Ω为微波的Rabi频率；为了提升磁测量灵敏度，实际使用中会对微波进行频率调制，这会使微波的频率呈现正，弦振荡的形式，使偏共振附加上随时间震荡的正弦信号；此时荧光强度满足下面的表达式：

上面的表达式中，D是调制信号的调制深度，ω是调制信号的调制频率，k是调制信号向微波频率的转换系数；将荧光强度在Δ＝0的邻域内进行泰勒展开，并假设γ＞＞kE，可以得到下面的近似结果

将结果保留到一阶项，并与调制信号相乘，再通过截止频率远低于ω的低通滤波，从而实现信号的解调；解调后的信号满足下面的表达式：

根据上述公式计算出NV色心荧光强度；

S4：荧光信号的处理：根据锁相放大器解调信号的物理过程来处理荧光信号，得出不同待测电流下的NV色心传感器的输出信号；

S5：NV色心的电流测量误差分析：选取共振峰宽度γ为一固定值的情况下将电流值为-20A～20A的数据点用于拟合电流转换到信号的线性系数，对-20A～20A的数据点拟合得到的斜率，将仿真数据的初始参数带入信号斜率的理论表达式：

按照上述的表达式对信号进行拟合对比。

本发明的优点在于：

1)本发明中以NV色心具有的磁测量的高灵敏度和高频率响应的特性，可以在连续波磁侧环境下进行电流的测定；高灵敏度的磁传感器可以精确测量电网中的电流信号，从而获得高精度的电流幅度、相位信息，对电网的运行管理有重要意义；其次，高频率响应范围的磁传感器可以监控电网中高频冲击信号的分布，在测量电网电流的同时监控电网的安全状态，增强电网的安全性。

2)本发明中根据NV色心的磁测量原理建立了NV色心电流传感器的仿真模型，给出了NV色心对待测电流的响应曲线，在此基础上分析了NV色心电流传感器的灵敏度和动态范围的影响因素，给出NV色心电流传感器的优化方法；分析了NV色心对待测电流的非线性响应现象，以及电流位置波动对信号的影响，并提出了相应的解决方案；为NV色心电流传感器的设计提供了理论指导，为下一步的实际生产与测试提供了参考。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种基于量子电流互感器的测量装置的立体结构图。

图2为本发明的一种基于量子电流互感器的测量装置的剖视结构图。

图3为本发明的一种基于量子电流互感器的测量装置的测量图。

图4为本发明的一种基于量子电流互感器的测量装置的NV色心的电子能级结构图。

图5为本发明的一种基于量子电流互感器的仿真测试方法的五能级系统图。

图6为本发明的一种基于量子电流互感器的仿真测试方法的NV色心电流响应曲线与吸收峰线宽的关系图。

图7为本发明的一种基于量子电流互感器的仿真测试方法的NV色心电流响应曲线与吸收峰对比度的关系图。

图8为本发明的一种基于量子电流互感器的仿真测试方法的NV色心的共振信号中心点邻域斜率仿真图。

图9为本发明的一种基于量子电流互感器的仿真测试方法的NV色心电流响应曲线的非线性拟合图。

图10为本发明的一种基于量子电流互感器的仿真测试方法的NV色心信号强度与电流距离的关系图。

图11为本发明的一种基于量子电流互感器的仿真测试方法的NV色心信号波动幅度与电流中心位置的关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示的一种基于量子电力互感器的测量装置，包括量子传感器1和量子测量模块2；且量子传感器1与量子测量模块2之间通过光纤相连形成回路。

量子传感器1包括导电杆11、环形壳体12、屏蔽单元13和连接架14；导电杆11穿过环形壳体12的中心位置与环形壳体12同轴设置，环形壳体12的截面呈一对关于导电杆11轴线对称的U型结构，环形壳体12的U型结构形成容纳屏蔽单元的容纳腔；环形壳体12的U型结构上表面设置有环形的盖板121，且环形壳体12的中心上、下两端面均设置有挡板122，挡板122的边缘连接在环形壳体的内壁上，挡板122的中心设置有容纳导电杆11穿过的通孔。

连接架14包括连接板141和抱箍142，抱箍142具有一对且分别夹紧在环形壳体12上、下两端的导电杆11上，连接板141具有一对且分别与两个抱箍142对应相连，连接板141的一端连接在抱箍142上，连接板141的另一端开有螺栓孔可实现量子传感器1的固定安装。

屏蔽单元13包括屏蔽环131、底板132和铁心压块133；屏蔽环131呈环形柱状结构设置在环形壳体12的U型结构内，底板132呈环形结构且设置在屏蔽环131的底端，底板132与环形壳体12的内壁连接；铁心压块133设置在屏蔽环131的顶端，且铁心压块133通过螺栓锁紧连接在底板132上，实现铁心压块133压紧在屏蔽环的顶端；环形壳体12上设置有电缆接头123，环形壳体12内设置有NV探头。

量子测量模块2包括光源模块21、光电转换模块22、A/D模块23、数据处理模块24、数据输出模块25和微波模块26；光源模块21通过光纤向量子传感器1内传递光源，光电转换模块22通过光纤采集量子传感器1内的光源，将光信号转换成电信号；A/D模块23的一端连接在光电转换模块22上，将电信号转换成数字信号，A/D模块23的另一端连接在数据处理模块24上对采集的数据进行处理；数据处理模块24的另一端连接在数据输出模块25上，实现将完成处理的数据进行输出；微波模块26与数据处理模块25进行数据交互，通过微波模块26输入的微波频率数据。

如图4所示NV色心是金刚石中的一种点缺陷，由一个氮原子和一个空位取代金刚石中两个相邻的碳原子所组成；NV色心点缺陷在自然生成的金刚石中广泛存在，而且可以通过高温高压方法、化学气相沉积法和电子辐射方法制备含有大量NV色心的金刚石；NV色心具有C_3v对称性，其中空穴与氮原子的连线所在的方向被称为NV色心的主轴方向；金刚石中碳原子的晶胞结构有四种不同取向的共价键，因此对含有多个NV色心的NV系综金刚石样品，测量到的NV色心也有四种不同的主轴方向，彼此的夹角约为109°28′；NV色心的电子自旋为1，因此电子能级分为总自旋为0的单态与总自旋为1的三重态；根据自旋方向与磁场方向的夹角，三重态又进一步分为自旋平行于磁场的1态、自旋垂直于磁场的0态、自旋反平行于磁场的-1态。在没有外磁场的情况下，自旋分量为1和-1的电子能量相同，处于简并态；而当NV色心的主轴方向上出现外磁场时，自旋分量为1和-1的电子会获得附加能量，破坏能级简并，如图4所示；当NV色心被微波照射时，如果微波频率满足NV色心的共振条件，那么微波会改变NV色心电子能级上的电子分布，使NV色心会进入共振状态；NV色心的共振频率ω_MW与沿NV色心主轴方向的磁场强度分量B∥满足下面的表达式：

ω_MW＝Dgs±γ_NV·B∥

上面的表达式中，参数E gs＝2.87GHz，被称为NV色心的零场劈裂；参数γ_NV＝2.8MHz/G，被称为NV色心的旋磁比；这说明，只要确定NV色心的微波共振频率，就可以计算出NV色心主轴方向的磁场强度；NV色心的零声子线是637nm，因此532nm波长的激光可以激发NV色心电子，同时放出波长在600nm到800nm之间的荧光；当NV色心与微波发生共振时，部分荧光光子会以声子的形式消耗掉，导致NV色心的荧光强度会降低，据此可以判断NV色心的共振频率，从而计算出外磁场强度。

一种基于量子电流互感器的仿真测试方法，具体测量方法如下：

S1：设定待测电流：设定通过导电杆的电流为50Hz的交流电，该电流为稳恒电流；因此在导电杆周围产生的磁场满足下面的表达式：

上面的表达式中，I是电流的幅度，ω是电流的频率，d是导线到NV色心样品的距离；

S2：偏共振强度的计算：NV色心的共振频率ω_MW与沿NV色心主轴方向的磁场强度分量B∥满足下面的表达式：ω_MW＝Dgs±γ_NV·B∥

上面的表达式中，参数Egs＝2.87GHz，被称为NV色心的零场劈裂；参数γ_NV＝2.8MHz/G；根据S1中的表达式与S2中的表达式计算出NV色心的共振频率ω_MW；

S3：NV色心荧光强度的计算：如图5所示，NV色心的荧光来源于激发态向基态的跃迁，荧光强度可以写成下面的表达式：

参数ρe0e0指激发态0态的电子密度，参数ρe1e1指激发态±1态的电子密度；Γ₀为激发态电子放出光子回到基态的速率；Γ_s为自旋单态电子落入自选三重态基态的速率；Γ_p为激光的输送速率；未考虑荧光收集效率与光电探测器的转换系数，将电子密度的稳态解带入荧光强度的表达式，并引入近似条件Γ₀～Γ_s＞＞Γ_p，可以得到荧光强度与偏共振的如下关系：

上面的表达式中，C是NV色心的CW谱对比度，γ是NV色心的CW谱吸收峰宽度，满足下面的表达式：

其中Ω为微波的Rabi频率；为了提升磁测量灵敏度，实际使用中会对微波进行频率调制，这会使微波的频率呈现正，弦振荡的形式，使偏共振附加上随时间震荡的正弦信号；此时荧光强度满足下面的表达式：

上面的表达式中，D是调制信号的调制深度，ω是调制信号的调制频率，k是调制信号向微波频率的转换系数；将荧光强度在Δ＝0的邻域内进行泰勒展开，并假设γ＞＞kE，可以得到下面的近似结果

将结果保留到一阶项，并与调制信号相乘，再通过截止频率远低于ω的低通滤波，从而实现信号的解调；解调后的信号满足下面的表达式：

根据上述公式计算出NV色心荧光强度；

S4：荧光信号的处理：根据锁相放大器解调信号的物理过程来处理荧光信号，得出不同待测电流下的NV色心传感器的输出信号；NV色心传感器的共振峰对比度设置为0.1，电流到传感器的距离为20cm，产生的磁场与NV色心的主轴方向夹角为80度，调制信号的频率设置为20kHz，调制信号幅度为2V，调制信号的转换系数为0.1MHz/V；对不同的共振峰宽度γ，仿真结果如图6所示；从仿真结果可以看出，NV色心对待测电流幅度的响应曲线类似于微分谱，当电流产生的磁场沿偏置场的反方向增加时，信号强度随电流幅度的变化先增加后减小；反之，当电流产生的磁场与偏置磁场同方向时，信号强度随电流幅度的增加先减小后增加；显然，NV色心传感器的动态范围就是输出信号两侧极值点之间的区域，而传感器的电流测量灵敏度主要取决于曲线的斜率；将NV色心的吸收峰宽度固定为2MHz，改变吸收峰的对比度，那么NV色心输出信号随电流强度变化的曲线仿真结果如图7所示；从上面两组仿真结果可以看出，降低吸收峰线宽、提升吸收峰对比度可以提升NV色心的电流测量灵敏度，但降低吸收蜂线宽会减小NV色心的电流测量动态范围；根据理论计算的结果，提升激光功率与微波功率可以增加NV色心的吸收峰对比度，同时增加NV色心的吸收峰线宽，设计基于NV色心的电流传感器时需要对这两项参数进行优化；除此以外，金刚石自身的参数也会对设备性能产生影响，比如横向弛豫速率γ₂限制了NV色心吸收峰的最小线宽，因此也要考虑金刚石样品对设备性能的影响；

S5：NV色心的电流测量误差分析：选取共振峰宽度γ为一固定值γ＝2MHz的情况下将电流值为-20A～20A的数据点用于拟合电流转换到信号的线性系数，拟合结果如图8所示；对-20A～20A的数据点拟合得到的斜率为4.533×10^-5V/A，从数据对比中可以看出，在-100A～100A的范围内非线性效应较弱，电流测量灵敏度较高，而超出这一范围后灵敏度逐渐下降，将仿真数据的初始参数带入信号斜率的理论表达式，得出的共振点理论斜率为4.86×10^-5V/A，在量级上基本相同；对-20A～20A的数据点拟合得到的斜率，将仿真数据的初始参数带入信号斜率的理论表达式：

按照上述的表达式对信号进行拟合对比，如图9所示；从图中可以看出，非线性拟合的结果与原始数据在-160A～160A的范围内比较接近，但整体上存在明显的系统偏差，在极值点周围偏差最大，因此最好使用查找表加线性插值的方法确定电流到传感器信号的转换系数，或在非线性拟合函数表达式的基础上进行修改，找到更合适的拟合函数形式；

除了NV色心响应曲线的非线性以外，另一个需要考虑的因素是电流到传感器的距离误差；由于交流电的趋肤效应，电流到传感器的距离可能不同于导线中心到传感器的距离；此外，在使用聚磁环收集待测磁场的情况下，聚磁环中心与导线的偏离也会导致类似的结果。仍然以γ＝2MHz的仿真结果为例分析距离造成的误差，在不同电流强度下输出信号随距离的变化如图10所示；可以看出，随着电流到金刚石距离的增加，NV色心的输出信号先增加后减小，这可以从NV色心吸收峰的形状上来理解。当外加磁场从无限大降低到0时，NV色心的共振频率也从无限远的位置沿电流响应曲线移动到共振频率点上，因此表现出先增加后降低的特性；考虑不同距离上电流位置波动对NV色心传感器输出信号的影响时，可以用测量两个距离相近、幅度相同的电流获得的输出信号的差值来描述信号随电流位置的波动，以此为基础的仿真结果如图11所示；从图11中可以看出，待测电流到金刚石的距离越小，电流位置波动产生的噪声越大，而且对不同的待测电流距离，存在一个特定的电流幅度值，在这个电流幅度下电流位置波动引发的噪声最大；增加电流到金刚石的距离可以降低电流位置波动引发的噪声，但同时也会降低信号的幅度与灵敏度。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于量子电流互感器的测量装置，其特征在于：包括量子传感器和量子测量模块；且量子传感器与量子测量模块之间通过光纤相连形成回路；

所述量子传感器包括导电杆、环形壳体、屏蔽单元和连接架；所述导电杆穿过环形壳体的中心位置与环形壳体同轴设置，所述环形壳体的截面呈一对关于导电杆轴线对称的U型结构，环形壳体的U型结构形成容纳屏蔽单元的容纳腔；所述环形壳体的U型结构上表面设置有环形的盖板，且环形壳体的中心上、下两端面均设置有挡板，挡板的边缘连接在环形壳体的内壁上，挡板的中心设置有容纳导电杆穿过的通孔；

所述连接架包括连接板和抱箍，所述抱箍具有一对且分别夹紧在环形壳体上、下两端的导电杆上，所述连接板具有一对且分别与两个抱箍对应相连，所述连接板的一端连接在抱箍上，连接板的另一端开有螺栓孔可实现量子传感器的固定安装；

所述屏蔽单元包括屏蔽环、底板和铁心压块；所述屏蔽环呈环形柱状结构设置在环形壳体的U型结构内，所述底板呈环形结构且设置在屏蔽环的底端，底板与环形壳体的内壁连接；所述铁心压块设置在屏蔽环的顶端，且铁心压块通过螺栓锁紧连接在底板上，实现铁心压块压紧在屏蔽环的顶端；所述环形壳体上设置有电缆接头，所述环形壳体内设置有NV探头；

所述量子测量模块包括光源模块、光电转换模块、A/D模块、数据处理模块、数据输出模块和微波模块；所述光源模块通过光纤向量子传感器内传递光源，所述光电转换模块通过光纤采集量子传感器内的光源，将光信号转换成电信号；所述A/D模块的一端连接在光电转换模块上，将电信号转换成数字信号，所述A/D模块的另一端连接在数据处理模块上对采集的数据进行处理；所述数据处理模块的另一端连接在数据输出模块上，实现将完成处理的数据进行输出；所述微波模块与数据处理模块进行数据交互，通过微波模块输入的微波频率数据。

2.一种基于量子电流互感器的仿真测试方法，其特征在于：具体测量方法如下：

S1：设定待测电流：设定通过导电杆的电流为50Hz的交流电，该电流为稳恒电流；因此在导电杆周围产生的磁场满足下面的表达式：

上面的表达式中，I是电流的幅度，ω是电流的频率，d是导线到NV色心样品的距离；

S2：偏共振强度的计算：NV色心的共振频率ω_MW与沿NV色心主轴方向的磁场强度分量B∥满足下面的表达式：ω_MW＝Dgs±γ_NV·B∥

上面的表达式中，参数Egs＝2.87GHz，被称为NV色心的零场劈裂；参数γ_NV＝2.8MHz/G；根据S1中的表达式与S2中的表达式计算出NV色心的共振频率ω_MW；

S3：NV色心荧光强度的计算：NV色心的荧光来源于激发态向基态的跃迁，荧光强度可以写成下面的表达式：

参数ρe0e0指激发态0态的电子密度，参数ρe1e1指激发态±1态的电子密度；Γ₀为激发态电子放出光子回到基态的速率；Γ_s为自旋单态电子落入自选三重态基态的速率；Γ_p为激光的输送速率；未考虑荧光收集效率与光电探测器的转换系数，将电子密度的稳态解带入荧光强度的表达式，并引入近似条件Γ₀～Γ_s＞＞Γ_p，可以得到荧光强度与偏共振的如下关系：

上面的表达式中，C是NV色心的CW谱对比度，γ是NV色心的CW谱吸收峰宽度，满足下面的表达式：

其中Ω为微波的Rabi频率；为了提升磁测量灵敏度，实际使用中会对微波进行频率调制，这会使微波的频率呈现正，弦振荡的形式，使偏共振附加上随时间震荡的正弦信号；此时荧光强度满足下面的表达式：

上面的表达式中，D是调制信号的调制深度，ω是调制信号的调制频率，k是调制信号向微波频率的转换系数；将荧光强度在Δ＝0的邻域内进行泰勒展开，并假设γ＞＞kE，可以得到下面的近似结果

将结果保留到一阶项，并与调制信号相乘，再通过截止频率远低于ω的低通滤波，从而实现信号的解调；解调后的信号满足下面的表达式：

根据上述公式计算出NV色心荧光强度；

S4：荧光信号的处理：根据锁相放大器解调信号的物理过程来处理荧光信号，得出不同待测电流下的NV色心传感器的输出信号；

S5：NV色心的电流测量误差分析：选取共振峰宽度γ为一固定值的情况下将电流值为-20A～20A的数据点用于拟合电流转换到信号的线性系数，对-20A～20A的数据点拟合得到的斜率，将仿真数据的初始参数带入信号斜率的理论表达式：

按照上述的表达式对信号进行拟合对比。

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