CN115248248B - 基于激光升温技术的量子涡流无损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，方案为一种基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统及检测方法，包括有激光收发端、线圈控制端以及检测前端：激光收发端，其功能包括产生工作激光、采集检测前端产生的反馈荧光以及处理分析反馈荧光，所述工作激光的一部分用于触发检测前端，另一部分用于升温待测物品以提高其导电性能；本发明将NV色心传感技术与涡流无损检测技术结合以实现对涡流磁场的精密测量，并改进了NV色心传感技术中的激光模块，利用了激光技术对待测物品进行升温以提高其导电性能，从而达到更好的检测效果。

Description

基于激光升温技术的量子涡流无损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激光升温技术的量子涡流无损检测系统及检测方法。

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，因而将NV色心传感技术与无损探伤结合是具备广阔前景的，如公开号为CN113834801A的中国专利就公开了一种金属无损探伤设备、方法及存储介质，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。

在无损探伤领域，涡流检测是其中非常重要的一个检测技术，其是在电磁感应原理的理论基础上建立的，在交变磁场中放置一块导体，导体周边会形成感应电流，这种感应电流催生涡流。当导体在缺陷、尺寸、形状等方面产生变动之后，涡流也会在其影响下出现变化，依靠这种现象即可实现对导体状态与性质的有效检测。涡流检测的一个优点是支持高温检测，当导电性试件处于高温条件下时，其导电性质更加突出，给涡流检测创造了良好的应用环境。

考虑到很多检测环境下，待测物并不处于高温条件，且部分待测物的导电性质也比较一般，进而出现涡流检测结果不佳的问题；同时，现有技术中也缺乏将NV色心精密测量技术与涡流无损探伤技术结合的研究，基于此，本发明设计了一种基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统及检测方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提出了一种基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统及检测方法，其将NV色心精密测量技术与涡流无损探伤技术结合，且利用了NV色心精密测量技术中的激光模块并对其进行了改进，以实现利用激光对待测物进行升温以提高其导电性能的效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，包括有激光收发端、线圈控制端以及检测前端：

激光收发端，其功能包括产生工作激光、采集检测前端产生的反馈荧光以及处理分析反馈荧光，所述工作激光的一部分用于触发检测前端，另一部分用于升温待测物品以提高其导电性能；

所述检测前端包含激励线圈以及传感部，所述激励线圈用于通电产生交变磁场，交变磁场使得待测物品上产生涡流，所述传感部在工作激光的触发下感知周围磁场并产生对应的反馈荧光；

所述线圈控制端包含供电单元，所述供电单元用于向激励线圈提供交变电流以产生交变磁场；

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，另一端为载入端，所述载入端用于载入激光收发端输出的工作激光，所述探测端设置有金刚石NV色心颗粒，所述激励线圈套设在传感光纤靠近探测端的一侧。

如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述工作激光分为触发激光和升温激光，所述触发激光与升温激光波长不同，所述触发激光用于触发传感部，所述升温激光用于升温待测物品。

如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述激光收发端包含第一激光器、双色片、滤波片、数据分析模块、第一光纤、第二激光器、第二光纤以及光纤连接器，所述第一激光器产生触发激光，触发激光经双色片反射并耦合进入第一光纤中，所述第二激光器产生升温激光，升温激光耦合进入第二光纤中，所述第一光纤与第二光纤通过光纤连接器与传感光纤的载入端连接，金刚石NV色心颗粒产生的部分反馈荧光沿原路返回进入第一光纤中，该部分反馈荧光穿透双色片后再经滤波片过滤，最后被数据分析模块采集并分析。

如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述升温激光为红外光，所述触发激光为532nm激光。

如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述传感光纤包含两根单芯光纤，其中一根单芯光纤用于传输触发激光，另一根用于传输升温激光，所述金刚石NV色心颗粒设置在用于传输触发激光的单芯光纤的端部。

如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述传感光纤为双芯光纤，其中一条纤芯用于传输触发激光，另一条纤芯用于传输升温激光，所述金刚石NV色心颗粒设置在用于传输触发激光的纤芯的端部。

如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述激励传感前端还包括套设在传感光纤上的支撑套管，所述激励线圈绕接在支撑套管上，所述支撑套管的外围设置有磁屏蔽筒。

如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述线圈控制端还包含微波源，所述探测端外围设有微波线圈，所述微波源用于产生调制微波并传输至微波线圈。

一种前述量子涡流无损检测系统的检测方法，包含以下步骤：

S1、激光升温：启动激光收发端以产生工作激光，工作激光对待测物品表面照射一段时间，以使得待测物品温度升高从而提高导电性能；

S2、涡流激发：启动供电部，向激励线圈中提供交变电流，进而形成交变磁场，交变磁场使得待测物品产生涡流；

S3、数据采集：金刚石NV色心颗粒在工作激光的触发下，对待测物品周围磁场产生反应并产生反馈荧光，部分反馈荧光沿原光路返回后被采集；

S4、数据分析处理：激光收发端对采集的反馈荧光进行分析处理。

更进一步的，S1中，工作激光使得待测物品升温至居里点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将NV色心传感技术与涡流无损检测技术结合以实现对涡流磁场的精密测量，并改进了NV色心传感技术中的激光模块，利用了激光技术对待测物品进行升温以提高其导电性能，从而达到更好的检测效果。

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为实施例一中量子涡流无损检测系统的示意图；

图2为实施例一中检测前端的结构示意图；

图3为图2中A处放大示意图；

图4为实施例二中传感光纤的结构示意图；

图5为实施例二中传感光纤的结构示意图；

图6为实施例三中传感光纤的结构示意图；

图7为实施例四中的检测方法流程图；

图8为实施例四中激光升温及检测的原理示意图。

附图标记如下：

1-激光收发端，2-线圈控制端，3-检测前端，11-第一激光器，12-双色片，13-滤波片，14-数据分析模块，15-第一光纤，16-第二激光器，17-第二光纤，18-光纤连接器，21-供电单元，22-微波源，31-传感光纤，32-金刚石NV色心颗粒，33-支撑套管，34-激励线圈，35-磁屏蔽筒，36-微波线圈，311-包层，312-纤芯。

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和2，本实施例提供一种方案：一种基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，包括有激光收发端1、线圈控制端2以及检测前端3：

激光收发端1，其功能包括产生工作激光、采集检测前端3产生的反馈荧光以及处理分析反馈荧光，工作激光的一部分用于触发检测前端3，另一部分用于升温待测物品以提高其导电性能；

检测前端3包含激励线圈34以及传感部，激励线圈34用于通电产生交变磁场，交变磁场使得待测物品上产生涡流，传感部在工作激光的触发下感知周围磁场并产生对应的反馈荧光；

线圈控制端2包含供电单元21，供电单元21用于向激励线圈34提供交变电流以产生交变磁场；

其中，传感部包含传感光纤31，传感光纤31的一端部为探测端，另一端为载入端，载入端用于载入激光收发端1输出的工作激光，探测端设置有金刚石NV色心颗粒32，激励线圈34套设在传感光纤31靠近探测端的一侧。

作为前述方案的改进，此处提供一种基于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，本例中线圈控制端2还包含微波源22，探测端外围设有微波线圈36，参见附图3，微波源22用于产生调制微波并传输至微波线圈36。

工作原理：通过工作激光对待测物品进行升温加热，进而有效提高了待测物品的导电性能，再通过激励线圈34提供交变电流以形成交变磁场，交变磁场使得导电性能提高的待测物品上形成涡流，该涡流会产生涡流磁场，而金刚石NV色心颗粒32在涡流磁场以及工作激光的触发下，能够产生对应的反馈荧光，部分该反馈荧光会沿着原光路返回并被激光收发端1采集，进而进行后续分析处理，得出探测结果。

实施例二

基于实施例一方案，本例中工作激光为光强较高的单一光，如532nm激光，该激光的一部分用于触发检测前端3的金刚石NV色心颗粒32，另一部分用于升温待测物品以提高其导电性能；

本例中，工作激光采用单一光，其优点是系统中光路的搭建较为简单，缺点是单一光对于金刚石NV色心颗粒32的触发效率以及对待测物品的升温效果，不能同时达到最佳效果，如本例中532nm激光对于NV色心的激发效果好，但是对于待测物品的升温效果就比较差，如果采用高功率的激光器，则耗能较多。

在本实施例中，作为一种选择，传感光纤31为单芯光纤，金刚石NV色心颗粒32直接粘结在传感光纤31的端面中部即处于纤芯的覆盖范围，注意的是，金刚石NV色心颗粒32尺寸小于纤芯横截面积，因而一部分工作激光直接绕过金刚石NV色心颗粒32与待测物品接触，这样能够有效保证激光升温待测物的效果。

作为另外一种选择，如附图4所示，传感光纤31同样为单芯光纤，传感光纤31的探测端为去除涂覆层的裸光纤，金刚石NV色心颗粒32分布于裸光纤的侧面，注意的是，金刚石NV色心颗粒32所在区域具备一定的光损耗，为实现该目的，可以将裸光纤的包层311去除一部分或全部去除只留纤芯312，此种结构，金刚石NV色心颗粒32不会阻碍工作激光的输出，有利于工作激光对待测物品的高效升温。

参见附图5，作为第三种选择，传感光纤31为双芯光纤，金刚石NV色心颗粒32设置于探测端的端面上且与其中一纤芯312贴触，此种结构中，其中一个纤芯用于传输光来激发金刚石NV色心颗粒32，另一个纤芯用于传输光来升温待测物品，此种结构设计，既能够保证金刚石NV色心颗粒32被有效激发，又能够保证较好的激光升温效果。

实施例三

基于实施例一方案，本例中工作激光分为触发激光优选为532nm激光和升温激光红外光，触发激光与升温激光波长不同，触发激光用于触发传感部，升温激光用于升温待测物品。

本例中，如附图1所示，激光收发端1包含第一激光器11、双色片12、滤波片13、数据分析模块14、第一光纤15、第二激光器16、第二光纤17以及光纤连接器18，第一激光器11产生532nm激光，532nm激光经双色片12反射并耦合进入第一光纤15中，第二激光器16产生红外光，红外光耦合进入第二光纤17中，第一光纤15与第二光纤17通过光纤连接器18与传感光纤31的载入端连接，金刚石NV色心颗粒32产生的部分反馈荧光沿原路返回进入第一光纤15中，该部分反馈荧光穿透双色片12后再经滤波片13过滤，最后被数据分析模块14采集并分析。

参见附图6，在本例中，作为一种优选，传感光纤31是两根单芯光纤组成，其中一根光纤与第一光纤15连接，另一个光纤与第二光纤17连接，触发激光与升温激光分开进行传输，这种结构设计简单，触发激光与升温激光互不干扰，能够达到较高的检测效果。

参见附图5，作为第二种选择，传感光纤31为双芯光纤，金刚石NV色心颗粒32设置于探测端的端面上且与其中一纤芯312贴触，此种结构中，其中一个纤芯用于传输触发激光来激发金刚石NV色心颗粒32，另一个纤芯用于传输升温激光来升温待测物品，此种结构设计，同样能够保证金刚石NV色心颗粒32被有效激发，又能够保证较好的激光升温效果。

实施例四

如图7所示，本例提供一种应用前述检测系统的检测方法，包含以下步骤：

S1、激光升温：启动激光收发端以产生工作激光，工作激光对待测物品表面照射一段时间，以使得待测物品温度升高从而提高导电性能；

S2、涡流激发：启动供电部，向激励线圈中提供交变电流，进而形成交变磁场，交变磁场使得待测物品产生涡流；

S3、数据采集：金刚石NV色心颗粒在工作激光的触发下，对待测物品上周围磁场产生反应并产生反馈荧光，部分反馈荧光沿原光路返回后被采集；

S4、数据分析处理：激光收发端对采集的反馈荧光进行分析处理。

实际检测时，检测前端3往往是持续移动的，这种情况下，激光升温的原理如附图8所示，待测物品为一平板，检测时，激光的加热区为近似圆形，金刚石NV色心颗粒为加热区的中心，所以当检测前端3移动时，金刚石NV色心颗粒前侧的移动轨迹已经被加热区覆盖一段时间了，因而金刚石NV色心颗粒测量的区域均能够达到较好的升温效果控制检测前端3的移动速度即可实现。

更进一步的，S1中，工作激光使得待测物品升温至居里点，将温度提高到居里点以上后，钢材能够免受磁导率带来的影响，即使是非磁性金属材料也可以通过涡流检测技术进行精准探伤。

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.基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，其特征在于，包括有激光收发端、线圈控制端以及检测前端：

激光收发端，其功能包括产生工作激光、采集检测前端产生的反馈荧光以及处理分析反馈荧光，所述工作激光的一部分用于触发检测前端，另一部分用于升温待测物品以提高其导电性能；

所述检测前端包含激励线圈以及传感部，所述激励线圈用于通电产生交变磁场，交变磁场使得待测物品上产生涡流，所述传感部在工作激光的触发下感知周围磁场并产生对应的反馈荧光；

所述线圈控制端包含供电单元，所述供电单元用于向激励线圈提供交变电流以产生交变磁场；

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，另一端为载入端，所述载入端用于载入激光收发端输出的工作激光，所述探测端设置有金刚石NV色心颗粒，所述激励线圈套设在传感光纤靠近探测端的一侧。

2.根据权利要求1所述的基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，其特征在于：所述工作激光分为触发激光和升温激光，所述触发激光与升温激光波长不同，所述触发激光用于触发传感部，所述升温激光用于升温待测物品。

3.根据权利要求2所述的基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，其特征在于：所述激光收发端包含第一激光器、双色片、滤波片、数据分析模块、第一光纤、第二激光器、第二光纤以及光纤连接器，所述第一激光器产生触发激光，触发激光经双色片反射并耦合进入第一光纤中，所述第二激光器产生升温激光，升温激光耦合进入第二光纤中，所述第一光纤与第二光纤通过光纤连接器与传感光纤的载入端连接，金刚石NV色心颗粒产生的部分反馈荧光沿原路返回进入第一光纤中，该部分反馈荧光穿透双色片后再经滤波片过滤，最后被数据分析模块采集并分析。

4.根据权利要求2所述的基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，其特征在于：所述升温激光为红外光，所述触发激光为532nm激光。

5.根据权利要求2所述的基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，其特征在于：所述传感光纤包含两根单芯光纤，其中一根单芯光纤用于传输触发激光，另一根用于触发升温激光，所述金刚石NV色心颗粒设置在用于传输触发激光的单芯光纤的端部。

6.根据权利要求2所述的基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，其特征在于：所述传感光纤为双芯光纤，其中一条纤芯用于传输触发激光，另一条纤芯用于触发升温激光，所述金刚石NV色心颗粒设置在用于传输触发激光的纤芯的端部。

7.根据权利要求1所述的基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，其特征在于：所述传感部还包括套设在传感光纤上的支撑套管，所述激励线圈绕接在支撑套管上，所述支撑套管的外围设置有磁屏蔽筒。

8.根据权利要求1所述的基于激光升温技术的量子涡流无损检测系统，其特征在于：所述线圈控制端还包含微波源，所述探测端外围设有微波线圈，所述微波源用于产生调制微波并传输至微波线圈。

9.一种应用如权利要求1所述检测系统的检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、激光升温：启动激光收发端以产生工作激光，工作激光对待测物品表面照射一段时间，以使得待测物品温度升高从而提高导电性能；

S2、涡流激发：启动供电单元，向激励线圈中提供交变电流，进而形成交变磁场，交变磁场使得待测物品产生涡流；

S3、数据采集：金刚石NV色心颗粒在工作激光的触发下，对待测物品周围磁场产生反应并产生反馈荧光，部分反馈荧光沿原光路返回后被采集；

S4、数据分析处理：激光收发端对采集的反馈荧光进行分析处理。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，S1中，工作激光使得待测物品升温至居里点。

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