CN114720553A - 一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置 - Google Patents

一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置 Download PDF

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Abstract

一种基于光纤耦合金刚石‑氮空位色心的管道漏磁检测装置，光发生器通过光纤A连通固定于塑料圆盘上的磁光转换部件；导磁体贯穿塑料圆盘，两端固定永磁体；光纤B后放置凸透镜A、滤光片、凸透镜B、光电转换器件；光电转换器件、微波发生器件与锁相放大器相连；微波发生器件依次与微波放大器件和铜线相连接。磁光转换部件将带有漏磁场信息的光波信号通过光纤B传输出管道外，滤光片滤除多余绿光，通过凸透镜A、B将光聚焦于光电转换部件，光电转换部件将光信号转化为电信号，分析电信号获取漏磁场信息，从而获得对应的被测管道内壁的缺陷尺寸及位置。本发明具有灵敏度高、适用范围广、空间分辨率高、可实现分布式测量等优点。

Description

一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心磁场传感的管道漏磁检测装置。
背景技术
管道运输是如今输送石油、天然气等能源的重要方式，而管道经长时间使用后会产生孔洞裂纹等缺陷，造成能源的损失，因此对于管道缺陷的检测变得日益重要。目前用于管道缺陷检测的主要技术中，漏磁检测技术由于具有较高的自动化程度且检测精度高、检测成本低等优点被广泛应用。其原理是先使用永磁体先对管道进行磁化，管道缺陷位置处会形成漏磁场，通过磁敏传感器采集漏磁场信号分析后得出缺陷的信息。
目前用于漏磁检测的磁敏传感器以各种电类磁敏传感器为主，使用时必须接电且器件整体体积较大不适合远距离传输。并且电类磁敏传感器是将磁场信号转换为电信号进行传输，所以其传输过程易受电磁干扰。
也有部分漏磁检测使用了光纤磁敏传感器，原理是通过磁光转换部件将漏磁信号经物理过程转化为光波信号并通过光纤进行传输。相对于传统电类磁敏传感器，其主要优势在于灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体型小、抗酸碱腐蚀、使用时间长、可实时在线分布式永久性检测等。
目前常见的光纤磁敏传感器主要基于法拉第效应、磁流体以及磁致伸缩效应。但在实际测量中，基于法拉第效应的磁传感器灵敏度很低；基于磁流体的磁场传感器，利用磁流体折射率可调的特点来实现磁场传感，但由于磁流体的液体属性，在实际应用中难以封装和集成，且无法应用于高温环境；基于磁致伸缩效应的光纤磁场传感器，利用磁致伸缩材料在磁化时产生应变而实现磁场传感，但磁制伸缩材料的形变量也会受温度影响，因此实际应用中需考虑温度补偿问题，并且无法在高温环境下使用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置，利用NV色心来测量磁场，具有高灵敏度高空间分辨率以及测量磁场时不会受温度干扰的特点。可用于漏磁检测当中，以解决现有漏磁检测装置灵敏度不高、空间分辨率不高、响应速度慢、测量过程受温度干扰等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置，包括光发生器1，其特征在于，光发生器1通过光纤A15连通磁光转换部件2，磁光转换部件2固定于塑料圆盘14上；导磁体11贯穿塑料圆盘14，两端各固定一个永磁体12；光纤B16尾纤出射端固定后，在光纤B16后依次平行等高的放置凸透镜A3、滤光片4、凸透镜B5和光电转换器件6；光电转换器件6与锁相放大器7相连；微波发生器件8的微波信号输出端口依次与微波放大器件9和前端被绕成铜环18的铜线10相连接，同时微波发生器件8的参考信号输出端口与锁相放大器7的参考信号输入端口相连。
所述的导磁体11和两个永磁体12组成磁化部件，两个永磁体12同极性相对放置，中间由导磁体11连接，以形成均匀的集磁面用于对管道进行磁场扫描。
所述的光发生器1发出的光波信号为532nm激光沿光纤A15向磁光转换部件2输送光波信号。
所述的磁光转换部件2为光纤耦合NV色心磁传感器，包括一个管状荧光收集瓶20、两根105/125um的多模的光纤A15、光纤B16、一个尺寸为300um的NV色心颗粒17、一根由50um铜丝绕制的铜环18；所述的管状荧光收集瓶20为一个高30mm，底部为一面尺寸为10mm焦距为15mm的凹面反射镜19的管状玻璃瓶，其侧壁内部镀有高反射率材料；所述的两根光纤为芯径为105um的光纤，两根光纤被放置在管状荧光收集瓶20中，将其固定在端面恰好位于瓶底部凹面反射镜19的焦点位置，其中一根光纤A15的端面事先粘有所述NV色心颗粒17，并将这根光纤A15与光发生器1相连，另一个光纤B16收集荧光传输出管道外；铜环18放置在NV色心颗粒17周围。
所述的凸透镜A3与光纤B16尾纤端面的距离等于凸透镜A3的焦距，凸透镜B5距离光电转换器件6的距离等于凸透镜B5的焦距。
本发明的有益效果是：
1）使用光纤耦合NV色心磁传感器作为磁光转换部件，利用NV色心电子自旋独特的能级结构和光学性质，实现将磁场信号转换为荧光信号。区别于传统的光纤磁传感器通过物理过程进行间接磁光换能的方式，具有更高的测量灵敏度并且测量过程不会受温度干扰。
2）泵浦光和收集到的荧光信号都会通过光纤进行传输，具有传输速度快，传输过程不易受外界影响的优点，因此具有更广的适用范围。
3）该传感器具有体积小、空间分辨率高、可实现分布式、实时在线、永久性监测。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明磁光转换部件结构示意图；
其中，1为光发生器；2为磁光转换部件；3为凸透镜A；4为滤光片；5为凸透镜B；6为光电转换器件；7为锁相放大器；8为微波发生器件；9为微波放大器件；10为铜线；11为导磁体；12为永磁体；13为被测管道；14为塑料圆盘；15为光纤A；16为光纤B；17为NV色心颗粒；18为铜环；19为凹面反射镜；20为管状荧光收集瓶。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进一步叙述。
如图1所示，一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置，包括光发生器1，其特征在于，光发生器1通过光纤A15连通磁光转换部件2，磁光转换部件2固定于塑料圆盘14上；导磁体11贯穿塑料圆盘14，两端各固定一个永磁体12；光纤B16尾纤出射端固定后，在光纤B16后依次平行等高的放置凸透镜A3、滤光片4、凸透镜B5和光电转换器件6；光电转换器件6与锁相放大器7相连；微波发生器件8的微波信号输出端口依次与微波放大器件9和前端被绕成铜环18的铜线10相连接，同时微波发生器件8的参考信号输出端口与锁相放大器7的参考信号输入端口相连。
所述的导磁体11和两个永磁体12组成磁化部件，两个永磁体12同极性相对放置，中间由导磁体11连接，以形成均匀的集磁面用于对被测管道13进行磁场扫描。
所述的光发生器1发出的光波信号为532nm激光沿光纤A15向磁光转换部件2输送光波信号，磁化部件对被测管道13进行磁化，当被测管道13不存在缺陷时磁力线在被测管道13内形成闭合环路，而在被测管道13有缺陷时会在缺陷处形成漏磁场；磁光转换部件2伸入被测管道13中对被测管道13各处进行检测，可将缺陷位置的漏磁场信号转换为荧光信号，并通过光纤B16将带有漏磁场信息的荧光信号传输出被测管道13外。
如图2所示，所述的磁光转换部件2为光纤耦合NV色心磁传感器，包括一个管状荧光收集瓶20、两根105/125um的光纤A15、光纤B16、一个尺寸为300um的NV色心颗粒17、一根由50um铜丝绕制的铜环18；所述的管状荧光收集瓶20为一个高30mm，底部为一面尺寸为10mm焦距为15mm的凹面反射镜19的管状玻璃瓶，其侧壁内部镀有高反射率材料；所述的两根光纤为芯径为105um的光纤，两根光纤一端被对齐放置在管状荧光收集瓶20中，将其固定在端面恰好位于瓶底部凹面反射镜19的焦点位置，其中光纤A15的端面事先粘有所述NV色心颗粒17。两根光纤的另一端被置于管状荧光收集瓶20外，其中光纤A15的另一端与光发生器1相连，光纤B16的另一端伸出被测管道13外固定后，在其尾纤后端依次平行等高的放置凸透镜A3,滤光片4，凸透镜B5和光电转换器件6，需要指出的是，凸透镜A3与光纤B16尾纤端面的距离等于凸透镜A3的焦距，凸透镜B5距离光电转换器件6的距离等于凸透镜B5的焦距；铜环18放置在NV色心颗粒17周围。光发生器1输出的532nm激光经过光纤A15传输后激发其端面的NV色心颗粒17发出荧光，荧光经过管状荧光收集瓶20的内表面和底部凹面镜19反射后进入光纤B16，经光纤B16传输后从其另一端出射，经过凸透镜A3将尾纤出射的发散光束准直为平行光，然后通过滤光片4滤除反射回来多余的绿光，再通过凸透镜B5将荧光聚焦在光电转换器件6的有效接受面积上。光电转换器件6将荧光强度转换为电信号，电信号传给锁相放大器7进行分析。微波发生器件8依次连接微波放大器件9和铜线10，通过铜线10前端的铜环18向NV色心颗粒17施加扫频微波。
所述磁光转换部件2被放置在被测管道13中，当被测管道13某处存在缺陷而产生漏磁场时，所述的磁光转换部件2会将磁场变化转换为光波信号的变化。随后通过光纤B16将带有漏磁场信息的光波信号传输出被测管道13外，所述光电转换部件6将荧光信号收集后转化为电信号供锁相放大器7进行分析，通过漏磁场信号反演出被测管道13的缺陷信息。
本发明的基于光纤耦合NV色心磁传感器的管道漏磁检测装置的工作原理是：首先由磁化部件将铁磁性材质的被测管道13进行磁化，随后通过磁光转换部件2采集被测管道13各个位置处的漏磁场信号，将漏磁场信号转换为荧光信号并传输给光电转换部件6。光电转换部件6将携带漏磁场信号的光波信号转换为电信号供上位分析设备分析，最终通过对电信号的分析得出被测管道13各点处的缺陷情况。
所述光纤耦合NV色心磁敏传感器，其工作原理是：利用NV色心电子自旋具有的特殊能级结构以及光学性质，NV色心的基态和激发态都具有 ms=0 和 ms=±1 的三重态。当位于基态 ms=0态的电子被 532 nm 的激光激发时会跃迁到 ms=0 的激发态，然后辐射跃迁回基态的 ms=0 态并发出 600-800 nm 的荧光。而位于基态 ms=±1态的电子被激光激发时会跃迁到 ms=±1 的激发态，其中有一部分电子会直接跃迁回基态的 ms=±1态并产生红色荧光，而另外一部分电子会先弛豫到亚稳态，然后通过无辐射跃迁的方式回到基态的 ms=0态，此过程不发出红色荧光。当有微波场作用在NV色心颗粒17上时，NV色心会吸收微波能量引起基态三重态能级间的跃迁，从而引起荧光强度的变化。当我们对NV色心施加光泵浦的同时施加连续扫频的微波时，荧光强度会随微波频率变化，得到连续被光探测磁共振谱。由于 NV 色心基态的 ms=0 态与 ms=±1 的能级差为 2.87 GHz，当我们使用 2.87 GHz 频率附近的微波作用在 NV 色心上时，ms=0 态上的部分电子会被调控到 ms=±1 态上，因此2.87 GHz 附近的荧光强度会变弱，呈现出“谷”状。当我们向具有 NV 色心的金刚石样品施加磁场时，NV 色心基态的 ms=±1态会由于塞曼效应劈裂为 ms=﹢1 和 ms=-1 态。因此展现在光探测磁共振谱上的图像变成了以 2.87 GHz 对称的两个特征峰。利用这一特性，我们可以通过光探测磁共振谱上特征峰的产生和变化来探测微弱的磁场。
本实例中，上位分析设备包括锁相放大器7和计算机，光电探测器输出的电信号经由锁相放大器7处理放大后传入计算机，用计算机对不同的缺陷信号进行处理和判断，得出被测管道13缺陷的位置和尺寸。
需要指出的是，在实际测量需要中，磁化部件、磁光转换部件2、光发生器1、光电探测器及微波发生器件8和微波放大器件9也可全设置在被测管道13外，磁化部件在被测管道13外部沿被测管道13轴线方向对被测管道13进行磁化，磁化形成的磁力线在被测管道13外壁与磁化部件之间同样形成闭合回路，也能达到同样的测量目的。
本发明的基于光纤耦合NV色心磁场传感的管道漏磁检测装置的工作过程是：将该装置置于被测管道13端口向被测管道13内部推进，磁化部件将被测管道13内部局部磁化至深度饱和，当管内外表面有裂纹、坑点、孔洞时，就会产生漏磁场。光发生器1发出光波信号，经光纤A15传至磁光转换部件2，激发光纤A15端面的NV色心颗粒17发出荧光，荧光经过磁光转换部件2反射后有光纤B16收集并传至光电探测器6转化为电信号。将光电转换器件6发出的电信号传输至锁相发大器7，在漏磁场的作用下荧光信号会发生变化，进而通过分析电信号变化得出被测管道13缺陷的尺寸和位置特性。

Claims (5)

1.一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置，包括光发生器（1），其特征在于，光发生器（1）通过光纤A（15）连通磁光转换部件（2），磁光转换部件（2）固定于塑料圆盘（14）上；导磁体（11）贯穿塑料圆盘（14），两端各固定一个永磁体（12）；光纤B（16）尾纤出射端固定后，在光纤B（16）后依次平行等高的放置凸透镜A（3）、滤光片（4）、凸透镜B（5）和光电转换器件（6）；光电转换器件（6）与锁相放大器（7）相连；微波发生器件（8）的微波信号输出端口依次与微波放大器件（9）和前端被绕成铜环（18）的铜线（10）相连接，同时微波发生器件（8）的参考信号输出端口与锁相放大器（7）的参考信号输入端口相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置，其特征在于，所述的导磁体（11）和两个永磁体（12）组成磁化部件，两个永磁体（12）同极性相对放置，中间由导磁体（11）连接，以形成均匀的集磁面用于对管道进行磁场扫描。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置，其特征在于，所述的光发生器（1）发出的光波信号为532nm激光沿光纤A（15）向磁光转换部件（2）输送光波信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置，其特征在于，所述的磁光转换部件（2）为光纤耦合NV色心磁传感器，包括一个管状荧光收集瓶（20）、两根105/125um的多模的光纤A（15）、光纤B（16）、一个尺寸为300um的NV色心颗粒（17）、一根由50um铜丝绕制的铜环（18）；所述的管状荧光收集瓶（20）为一个高30mm，底部为一面尺寸为10mm焦距为15mm的凹面反射镜（19）的管状玻璃瓶，其侧壁内部镀有高反射率材料；所述的两根光纤为芯径为105um的光纤，两根光纤被放置在管状荧光收集瓶（20）中，将其固定在端面恰好位于瓶底部凹面反射镜（19）的焦点位置，其中一根光纤A（15）的端面事先粘有所述NV色心颗粒（17），并将这根光纤A（15）与光发生器（1）相连，另一个光纤B（16）收集荧光传输出管道外；铜环（18）放置在NV色心颗粒（17）周围。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤耦合金刚石-氮空位色心的管道漏磁检测装置，其特征在于，所述的凸透镜A（3）与光纤B（16）尾纤端面的距离等于凸透镜A（3）的焦距，凸透镜B（5）距离光电转换器件（6）的距离等于凸透镜B（5）的焦距。
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