CN114994006A - 基于nv色心传感技术的裂纹正交检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子传感技术领域，方案为基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，包括有激发端、采集端以及磁化传感前端：激发端，用于产生激发光，激发光作用于磁化传感前端；所述磁化传感前端包含磁化部和传感部，所述磁化部用于磁化待测铁磁性物品，磁化部包含磁化区间，当待测铁磁性物品上裂纹处于磁化区间时，会在裂纹处产生漏磁场；本系统中磁化传感前端通过提供呈正交的的两个磁化磁场对待测物品进行磁化，这种磁化方式能够有效避免单一方向磁化磁场与裂纹方向夹角过小导致漏磁场难以测量的问题，同时本系统还能够根据前述磁化方式得来的两组测量数据来进行裂纹方向的计算，获得的裂纹信息更多。

Description

基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及量子传感技术领域，具体涉及到一种基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统及裂纹检测方法。

背景技术

金刚石NV色心在激光的泵浦下表现出较强的荧光，并在室温下可观测到其零声子线，因而可作为纳米尺寸的传感器，用于磁场、电场、温度等物理量的测量，其中，利用NV色心进行无损检测的研究也越来越多。

公开号为CN113834801A的中国专利公开了一种金属无损探伤设备、方法及存储介质，该设备包括：NV色心传感器探头，所述NV色心传感器探头设置在待测物体的待测位置上；控制装置，所述控制装置与所述NV色心传感器探头连接，用于向所述NV色心传感器探头提供激励，以使所述NV色心传感器探头产生荧光信号，以及采集所述荧光信号，根据所述荧光信号确定所述待测物体的损伤情况。该设备通过向设置在待测物体测量位置上的NV色心传感器探头提供激励，以使NV色心传感器探头产生荧光信号，采集NV色心传感器探头产生荧光信号，根据NV色心传感器探头产生荧光信号，确定待测物体的损伤情况。该设备具有设备体积小、成本低、可探测待测物体深层缺陷的优点，但是该设备中的磁场生成器只能提供单一方向的磁化场，在实际检测时，如果磁化场方向与裂纹方向趋近平行，那么产生的漏磁场会很小，难以被传感器准确感知，进而影响探测精度。

基于此，本发明设计了一种基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统及裂纹检测方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提出了一种基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统及裂纹检测方法，系统中磁化传感前端通过提供呈正交的的两个磁化磁场对待测物品进行磁化，这种磁化方式能够有效避免单一方向磁化磁场与裂纹方向夹角过小导致漏磁场难以测量的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，包括有激发端、采集端以及磁化传感前端：

激发端，用于产生激发光，激发光作用于磁化传感前端；

所述磁化传感前端包含磁化部和传感部，所述磁化部用于磁化待测铁磁性物品，磁化部包含磁化区间，当待测铁磁性物品上裂纹处于磁化区间时，会在裂纹处产生漏磁场；所述传感部在激发光以及漏磁场的作用下产生应激荧光；

采集部，用于接收应激荧光并对其进行分析处理；

其中，所述磁化部包含两组电磁铁，且两组电磁铁的磁化方向正交；

其中，所述传感部包含传感光纤，所述传感光纤的一端部为探测端，所述探测端的端面设有与纤芯贴合的金刚石NV色心颗粒。

如前所述的裂纹正交检测系统，还有更进一步的设计：所述探测端还设有包覆金刚石NV色心颗粒的透明凸起，所述透明凸起的表面镀有反射膜。

如前所述的裂纹正交检测系统，还有更进一步的设计：所述电磁铁包含U型铁芯以及绕制在其上的线圈，U型铁芯顶部设有光纤通孔，两个正交设置的U型铁芯的顶部之间通过一非铁磁性板连接。

如前所述的裂纹正交检测系统，还有更进一步的设计：所述U型铁芯的两端部设有弹性伸缩触头。

如前所述的裂纹正交检测系统，还有更进一步的设计：所述激发端包括532nm激光器、共轭镜组、双色片以及光纤耦合器，所述采集部包括滤波片、光电探测器以及主机，所述532nm激光器产生激发光经过共轭镜组后射向双色片，经双色片反射后的激发光通过光纤耦合器进入传感光纤中，最后作用于金刚石NV色心颗粒，金刚石NV色心颗粒受激产生应激荧光，部分应激荧光沿原光路返回，返回的应激荧光穿过双色片后再经滤波片过滤后被光电探测器接收，光电探测器将荧光信号传递至主机进行分析处理。

如前所述的裂纹正交检测系统，还有更进一步的设计：所述采集端还包括微波源、射频传输线以及铜线圈，所述主机控制微波源产生调制微波，调制微波通过射频传输线传输至设在金刚石NV色心颗粒外围的铜线圈上。

如前所述的裂纹正交检测系统，还有更进一步的设计：所述采集部还包括线圈电源和通断开关，两组电磁铁的引线通过通断开关与线圈电源连接，所述线圈电源通过主机控制使得电磁铁产生指定频率、幅度的磁化磁场。

同时，本发明还提供一种应用前述裂纹正交检测系统的裂纹检测方法，具体包含以下步骤：

S1、提供待测铁磁性物品；

S2、启动系统，并控制磁化传感前端沿着待测铁磁性物品表面移动；

S3、两组电磁铁交替启动，形成呈正交的两种磁场，当磁化区间经过待测铁磁性物品上的裂纹时，在两种磁场的分别作用下会产生对应强度的两种漏磁场；

S4、传感部感应两种漏磁场，并由采集部分析计算两种漏磁场强度，根据磁场信息得出裂纹信息。

优选的，在前述方法中，所述裂纹信息包括裂纹大小，判断裂纹大小时，采集部先进行数据比较，取漏磁场强度较大的一组进行裂纹大小计算。

优选的，在前述方法中，所述裂纹信息包括裂纹方向，检测时，使得磁化传感前端 中任意一个电磁铁的磁化方向与磁化传感前端的移动方向平行，以磁化传感前端移动方向 为基准方向，启动磁化方向与基准方向平行的电磁铁，此时裂纹处产生的漏磁场强度为

，再关闭前述电磁铁并启动另一组电磁铁，此时裂纹处产生的漏磁场强度为

，将

、

分别代入如下公式：

其中，

为磁化方向与基准方向平行的电磁铁工作时产生的磁场强度，

为 磁化方向与基准方向垂直的电磁铁工作时产生的磁场强度，

为裂纹方向与基准方 向的夹角，

为漏磁比例系数；

联立上面两个公式即可计算出裂纹方与基准方向的夹角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本系统中磁化传感前端通过提供呈正交的的两个磁化磁场对待测物品进行磁化，这种磁化方式能够有效避免单一方向磁化磁场与裂纹方向夹角过小导致漏磁场难以测量的问题，同时本系统还能够根据前述磁化方式得来的两组测量数据来进行裂纹方向的计算，获得的裂纹信息更多。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例一中裂纹正交检测系统的结构示意图；

图2为实施例一中磁化传感前端的结构示意图；

图3为实施例一中传感部的结构示意图；

图4为钢板裂纹检测的原理示意图；

图5为实施例一中U型铁芯的优化改进结构示意图；

图6为实施例三中的裂纹检测方法流程图；

图7为实施例三中的夹具与磁化传感前端组装示意图；

图8为磁化方向与基准方向平行时的钢板裂纹漏磁场分析图；

图9为磁化方向与基准方向垂直时的钢板裂纹漏磁场分析图。

附图标记如下：

1-532nm激光器，2-共轭镜组，3-双色片，4-光纤耦合器，5-传感光纤，6-磁化传感前端，7-滤波片，8-光电探测器，9-主机，10-微波源，11-射频传输线，12-线圈电源，13-通断开关，51-金刚石NV色心颗粒，52-铜线圈，61-U型铁芯，62-线圈，63-非铁磁性板，64-光纤通孔，141-L型板，142-夹板，143-锁定螺母，611-延伸横边，612-T型触头杆，613-凸环，614-弹簧。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参见附图1，本实施例提供一种基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，包括有激发端、采集端以及磁化传感前端6：

本例中，激发端包括532nm激光器1、共轭镜组2、双色片3以及光纤耦合器4，采集部包括滤波片7、光电探测器8以及主机9，532nm激光器1产生激发光经过共轭镜组2后射向双色片3，经双色片3反射后的激发光通过光纤耦合器4进入传感光纤中，最后作用于磁化传感前端6内的金刚石NV色心颗粒，金刚石NV色心颗粒受激产生应激荧光，部分应激荧光沿原光路返回，返回的应激荧光穿过双色片3后再经滤波片7过滤后被光电探测器8接收，光电探测器8将荧光信号传递至主机9进行分析处理；

磁化传感前端6包含磁化部和传感部，磁化部用于磁化待测铁磁性物品，磁化部包含磁化区间，当待测铁磁性物品上裂纹处于磁化区间时，会在裂纹处产生漏磁场；传感部在激发光以及漏磁场的作用下产生应激荧光；

参见附图2，磁化部包含两组电磁铁，电磁铁包含U型铁芯61（图2中为横截面是矩形的铁芯，实际可优选为横截面为圆形的铁芯）以及绕制在其上的线圈62，U型铁芯61顶部设有光纤通孔64，两个正交设置的U型铁芯61的顶部之间通过一非铁磁性板63连接，非铁磁性板63可以是塑料板，也可是木制板，其使得两个电磁铁的磁路相互隔绝；采集部还包括线圈电源12和通断开关13，两组电磁铁的引线通过通断开关13与线圈电源12连接，线圈电源12通过主机9控制使得电磁铁产生指定频率、幅度的磁化磁场；

其中，如附图3所示，传感部包含传感光纤5，传感光纤5的一端部为探测端，探测端的端面设有与纤芯贴合的金刚石NV色心颗粒51，作为更进一步的改进，为提高传感光纤5对应激荧光的采集效果，本例中，传感光纤5的探测端还设有包覆金刚石NV色心颗粒的透明凸起53（可采用光学胶，将其滴在探测端面上，待其自然凝固成型即可），透明凸起53的表面镀有反射膜54，其能够提高应激荧光的反射效果，使得沿传感光纤5返回的荧光总量得以增加，进而提升检测精度。

检测原理：以检测钢板裂纹为例，参见附图4，电磁铁通电产生的磁场会将磁化区间的钢板进行磁化，当此区间存在裂纹时，裂纹处会产生漏磁场，该磁场可以被传感光纤前端的金刚石NV色心颗粒51感知并做出反应（荧光变化），基于此原理，可以探寻出钢板是否存在裂纹，且可以根据定量定性的数据试验，粗步估算出裂纹的尺寸大小。

考虑到在检测时，如果电磁铁的两端与钢板表面不贴合存在缝隙的话，在该缝隙处会泄漏部分磁场，该部分磁场会对裂纹处的漏磁场产生压迫作用（磁压迫），进而使得传感部难以探测漏磁场，基于上述问题，有必要对电磁铁的结构进行优化，以使得其在钢板表面行进的过程中实现自调节，实现与钢板的充分接触，具体结构改进如下，参见附图5，U型铁芯61的两端部均设有一延伸横边611，延伸横边611中贯穿设有一T型触头杆612（其底部四面打磨为弧面，可起到降低阻力的效果），T型触头杆612的下侧设有一凸环613，凸环613上部与延伸横边611底面之间套设有弹簧614，基于此结构，在实际检测时，预先使得T型触头杆612与钢板之间存在一定挤压力，使得弹簧614收缩部分，这样在检测行进时，遇到钢板表面凹凸不平的地方时，T型触头杆612能够在弹簧614的作用下实现自动调节，以保证与钢板表面的良好接触；同时上述结构设计还能够保证良好磁传导功能。

实施例二

基于实施例一，本例提供一种基于ODMR技术的探测方法，其能够获得更佳的检测效果（具体原理可见公开号为CN113804941A的中国专利），为了实现上述目的，实施例二做以下结构改进：采集端还包括微波源10、射频传输线11以及铜线圈52，主机9控制微波源10产生调制微波，调制微波通过射频传输线11传输至设在金刚石NV色心颗粒51外围的铜线圈52上。

实施例三

本实施例提供了一种运用了前述系统的裂纹检测方法。

参见附图6，本例中裂纹检测方式如下：

S1、提供待测铁磁性物品；

S2、启动系统，并控制磁化传感前端沿着待测铁磁性物品表面移动；

S3、两组电磁铁交替启动，形成呈正交的两种磁场，当磁化区间经过待测铁磁性物品上的裂纹时，在两种磁场的分别作用下会产生对应强度的两种漏磁场；

S4、传感部感应两种漏磁场，并由采集部分析计算两种漏磁场强度，根据磁场信息得出裂纹信息。

在上述方法中，以钢板为例，对其进行裂纹检测；且本例中设有一种针对磁化传感前端6设计的夹具，如附图7所示，其结构包含L型板141，其横板上有连接孔，其竖板一侧设有一对用于夹持U型铁芯61的夹板142，夹板142上设有锁定螺母143，通过该夹具可将磁化传感前端6与外部移动设备进行连接，通过外部移动设备可带动磁化传感前端6沿着钢板表面稳定移动。

得出数据后，当只需判断裂纹大小时，采集部先进行数据比较（包含数据比较模块），取漏磁场强度较大的一组进行裂纹大小计算；

如果裂纹检测需求包含裂纹走向判断时，则在检测时，使得磁化传感前端6中任意 一个电磁铁的磁化方向与磁化传感前端6的移动方向平行，以磁化传感前端6移动方向为基 准方向，启动磁化方向与基准方向平行的电磁铁，待测铁磁性物品上的裂纹处在基准方向 进行磁化产生的漏磁场强度为

，如附图8所示；再关闭前述电磁铁并启动另一个电磁铁， 在另一方向进行磁化产生的漏磁场强度为

，如附图9所示，将

、

分别代入如下公式：

其中，

为磁化方向与基准方向平行的电磁铁工作时产生的磁场强度，

为 磁化方向与基准方向垂直的电磁铁工作时产生的磁场强度，

为裂纹方向与基准方 向的夹角，

为漏磁比例系数；

联立上面两个公式即可计算出裂纹方与基准方向的夹角。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，包括有激发端、采集端以及磁化传感前端，其特征在于：

激发端，用于产生激发光，激发光作用于磁化传感前端；

所述磁化传感前端包含磁化部和传感部，所述磁化部用于磁化待测铁磁性物品，磁化部包含磁化区间，当待测铁磁性物品上裂纹处于磁化区间时，会在裂纹处产生漏磁场；所述传感部在激发光以及漏磁场的作用下产生应激荧光；

采集部，用于接收应激荧光并对其进行分析处理；

其中，所述磁化部包含两组电磁铁，且两组电磁铁的磁化方向正交；

其中，所述传感部包含传感光纤，所述传感光纤的一端部为探测端，所述探测端的端面设有与纤芯贴合的金刚石NV色心颗粒。

2.根据权利要求1所述的基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，其特征在于：所述探测端还设有包覆金刚石NV色心颗粒的透明凸起，所述透明凸起的表面镀有反射膜。

3.根据权利要求1所述的基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，其特征在于：所述电磁铁包含U型铁芯以及绕制在其上的线圈，U型铁芯顶部设有光纤通孔，两个正交设置的U型铁芯的顶部之间通过一非铁磁性板连接。

4.根据权利要求3所述的基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，其特征在于：所述U型铁芯的两端部设有弹性伸缩触头。

5.根据权利要求1所述的基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，其特征在于：所述激发端包括532nm激光器、共轭镜组、双色片以及光纤耦合器，所述采集部包括滤波片、光电探测器以及主机，所述532nm激光器产生激发光经过共轭镜组后射向双色片，经双色片反射后的激发光通过光纤耦合器进入传感光纤中，最后作用于金刚石NV色心颗粒，金刚石NV色心颗粒受激产生应激荧光，部分应激荧光沿原光路返回，返回的应激荧光穿过双色片后再经滤波片过滤后被光电探测器接收，光电探测器将荧光信号传递至主机进行分析处理。

6.根据权利要求5所述的基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，其特征在于：所述采集端还包括微波源、射频传输线以及铜线圈，所述主机控制微波源产生调制微波，调制微波通过射频传输线传输至设在金刚石NV色心颗粒外围的铜线圈上。

7.根据权利要求5所述的基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，其特征在于：所述采集部还包括线圈电源和通断开关，两组电磁铁的引线通过通断开关与线圈电源连接，所述线圈电源通过主机控制使得电磁铁产生指定频率、幅度的磁化磁场。

8.一种应用如权利要求1所述裂纹正交检测系统的裂纹检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、提供待测铁磁性物品；

S2、启动系统，并控制磁化传感前端沿着待测铁磁性物品表面移动；

S3、两组电磁铁交替启动，形成呈正交的两种磁场，当磁化区间经过待测铁磁性物品上的裂纹时，在两种磁场的分别作用下会产生对应强度的两种漏磁场；

S4、传感部感应两种漏磁场，并由采集部分析计算两种漏磁场强度，根据磁场信息得出裂纹信息。

9.根据权利要求8所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述裂纹信息包括裂纹大小，判断裂纹大小时，采集部先进行数据比较，取漏磁场强度较大的一组进行裂纹大小计算。

10.根据权利要求8所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述裂纹信息包括裂纹方向，检 测时，使得磁化传感前端6中任意一个电磁铁的磁化方向与磁化传感前端6的移动方向平 行，以磁化传感前端6移动方向为基准方向，启动磁化方向与基准方向平行的电磁铁，此时 裂纹处产生的漏磁场强度为

，再关闭前述电磁铁并启动另一组电磁铁，此时裂纹处产生 的漏磁场强度为

，将

、

分别代入如下公式：

其中，

为磁化方向与基准方向平行的电磁铁工作时产生的磁场强度，

为磁化 方向与基准方向垂直的电磁铁工作时产生的磁场强度，

为裂纹方向与基准方向的 夹角，

为漏磁比例系数；

联立上面两个公式即可计算出裂纹方与基准方向的夹角。

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