CN115266910A - 基于nv色心量子传感技术的涡流探伤系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子传感技术领域，方案为一种基于NV色心量子传感技术的涡流探伤系统，包括有激光收发处理单元、量子传感器、激励线圈、供电单元、微波线圈和微波单元，本发明将金刚石NV色心精密测量技术与涡流无损探伤技术结合，相比于传统技术，金刚石NV色心的显著性能能够提高涡流无损探伤的精度，实现对细微裂纹缺陷的准确检测，同时本发明根据涡流无损探伤的特点，设计了针对交流磁场的探测方法。
Description
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色心量子传感技术的涡流探伤系统及探测方法。
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、温度等物理量的高精密测量，将NV色心传感技术与无损探伤结合是具备广阔前景的。
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。
然而现有技术中，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NV色心量子传感技术的涡流探伤系统及探测方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明提出了一种基于NV色心量子传感技术的涡流探伤系统及探测方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于NV色心量子传感技术的涡流探伤系统，包括有激光收发处理单元、量子传感器、激励线圈、供电单元、微波线圈和微波单元：
激光收发处理单元，其用于产生激励量子传感器的触发光，同时采集量子传感器产生的反馈荧光并进行处理分析；
微波单元，用于产生调制微波，并通过微波线圈作用于量子传感器；
供电单元，用于向激励线圈提供交变电流以产生交变磁场，所述交变磁场使得待测物品上产生涡流；
量子传感器，其在触发光以及调制微波的作用下感知周围的交变磁场并产生反馈荧光；
其中，所述量子传感器包含传感光纤，所述传感光纤的两端分别为光输入端和光输出端，所述光输出端设置有金刚石NV色心。
如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述激光收发处理单元包含激光器、共轭镜组、双色片、滤波片、光电探测器、主机以及光纤耦合器，所述激光器产生的触发光先经共轭镜组缩束，再经双色片反射后通过光纤耦合器进入传输光纤中，并经传输光纤传入传感光纤中对金刚石NV色心进行触发，金刚石NV色心工作时产生的部分反馈荧光沿原光路返回，反馈荧光直接穿过双色片，并经滤波片过滤杂散光后被光电探测器采集，主机对光电探测器采集的反馈荧光进行处理分析。
如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述激光收发处理单元还包括报警器，所述主机控制连接报警器。
如前所述的量子涡流无损检测系统，还有更进一步的设计：所述量子传感器还包括套设在传感光纤外围的支撑套管，所述激励线圈绕接在支撑套管上。
一种涡流探伤系统的探测方法，包含以下步骤：
S1、测定零磁场共振劈裂值：在零磁场环境下，启动激光收发处理单元和微波单元，绘制量子传感器上金刚石NV色心的ODMR谱，通过计算波峰间距得出零磁场共振劈裂值；
S2、参数设置及启动：设置供电单元的工作参数，以零磁场共振劈裂值作为交流电频率，同时启动激光收发处理单元和微波单元，控制量子传感器靠近待测物品的表面，量子传感器感知周围的交变磁场并及时反馈荧光信号；
S3、分析处理：激光收发处理单元对荧光信号进行处理分析得出裂纹信息。
作为其中一种工作方法，系统工作时，控制微波单元产生以2.87GHz为中心频率的微波扫频信号，对每个探测位进行定点扫频得到对应的ODMR谱，通过ODMR谱上AT劈裂值计算得出对应探测位的磁场幅值信息，进而根据不同探测位的磁场幅值信息判断出裂纹信息。
作为第二种工作方法，系统工作时，控制微波单元产生设定频率的单频微波，单频微波在每个探测位激发金刚石NV色心，进而得到对应的ODMR谱，再将不同探测位的探测结果制成时域图，根据探测结果的波动判断是否存在裂纹。
更进一步的，确定设定频率时，先控制微波单元产生以2.87GHz为中心频率的微波扫频信号，择一处探测位进行定点扫频得到ODMR谱，确定图谱上斜率最大点所对应的微波频率值，以该微波频率值作为微波单元的设定频率。
作为第三种工作方法，系统工作时，首先控制微波单元产生设定频率的单频微波，单频微波在每个探测位激发金刚石NV色心，进而得到对应的ODMR谱，再将不同探测位的探测结果制成时域图，根据探测结果的波动判断是否存在裂纹，当判断出待测物品上某部位存在裂纹时，移动传感器返回该部位，再控制微波单元产生以2.87GHz为中心频率的微波扫频信号，对该部位再进行定点扫频得到对应的ODMR谱，通过ODMR谱上AT劈裂值计算得出该部位的磁场幅值信息，根据磁场幅值信息判断出裂纹尺寸信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将金刚石NV色心精密测量技术与涡流无损探伤技术结合，相比于传统技术，金刚石NV色心的显著性能能够提高涡流无损探伤的精度，实现对细微裂纹缺陷的准确检测，同时本发明根据涡流无损探伤的特点，设计了针对交流磁场的探测方法。
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为实施例一中涡流探伤系统的示意图；
图2为实施例一中量子传感器的结构示意图；
图3为实施例一中探测方法的流程图；
图4为实施例一中无交流磁场环境下得到的ODMR图谱；
图5为实施例二中施加交流磁场得到的ODMR图谱；
图6为实施例三中提及的时域图。
附图标记如下：
1-激光收发处理单元，2-量子传感器，3-激励线圈，4-供电单元，5-微波线圈，6-微波单元，11-激光器，12-共轭镜组，13-双色片，14-滤波片，15-光电探测器，16-主机，17-光纤耦合器，18-报警器，21-传感光纤，22-金刚石NV色心，23-支撑套管。
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，本实施例提供一种方案：一种基于NV色心量子传感技术的涡流探伤系统，包括有激光收发处理单元1、量子传感器2、激励线圈3、供电单元4、微波线圈5和微波单元6：
激光收发处理单元1，其用于产生激励量子传感器2的触发光，同时采集量子传感器2产生的反馈荧光并进行处理分析；
微波单元6，用于产生调制微波，并通过微波线圈5作用于量子传感器2；
供电单元4，用于向激励线圈3提供交变电流以产生交变磁场，所述交变磁场使得待测物品上产生涡流；
量子传感器2，其在触发光以及调制微波的作用下感知周围的交变磁场并产生反馈荧光；
其中，所述量子传感器2包含传感光纤21，所述传感光纤21的两端分别为光输入端和光输出端，所述光输出端设置有金刚石NV色心22。
在上述方案中，更详细的，所述激光收发处理单元1包含激光器11、共轭镜组12、双色片13、滤波片14、光电探测器15、主机16以及光纤耦合器17，所述激光器11产生的触发光先经共轭镜组12缩束，再经双色片13反射后通过光纤耦合器17进入传输光纤中，并经传输光纤传入传感光纤21中对金刚石NV色心22进行触发，金刚石NV色心22工作时产生的部分反馈荧光沿原光路返回，反馈荧光直接穿过双色片13，并经滤波片14过滤杂散光后被光电探测器15采集，主机16对光电探测器15采集的反馈荧光进行处理分析；其中，所述供电单元4包含交流电源41以及与其连接的变频器42，所述微波单元6由微波源61、微波开关62以及微波放大器63组成。
更进一步的，所述激光收发处理单元还包括报警器18，所述主机16控制连接报警器18，当量子传感器2检测到缺陷时，报警器18会报警提示。
更进一步的，如附图2所示，所述量子传感器2还包括套设在传感光纤21外围的支撑套管23，所述激励线圈3绕接在支撑套管23上，其方便激励线圈3的固定，且能够使得金刚石NV色心22位于激励线圈3的中心位置。
如附图3所示，下面介绍前述系统的探测方法：
S1、测定零磁场共振劈裂值：在零磁场环境下，启动激光收发处理单元1和微波单元6，绘制量子传感器2上金刚石NV色心22的ODMR谱，如附图4所示，通过计算波峰间距得出零磁场共振劈裂值∆f；
S2、参数设置及启动：设置供电单元4的工作参数，以零磁场共振劈裂值∆f作为交流电频率，同时启动激光收发处理单元1和微波单元6，控制量子传感器2靠近待测物品的表面，量子传感器2感知周围的交变磁场并及时反馈荧光信号；
S3、分析处理：激光收发处理单元1对荧光信号进行处理分析得出裂纹信息。
待测物品上出现裂纹时，会对涡流产生的磁场造成影响，进而造成磁场波动，通过磁场波动可检测出裂纹。
实施例二
基于实施例一中提及的探测方法，本实施例提供了一种扫频探测法来检测裂纹，具体操作如下：系统工作时，控制微波单元6产生以2.87GHz为中心频率的微波扫频信号，对每个探测位进行定点扫频得到对应的ODMR谱，如附图5所示，通过ODMR谱上AT劈裂值∆t计算得出对应探测位的磁场幅值信息（经过实验发现，AT劈裂值∆t与交流磁场的幅值呈规律性单调关系，通过定量实验，可以计算出交流磁场幅值大小），进而根据不同探测位的磁场幅值信息判断出裂纹信息。
此种探测方法优点是能够准确测出每个探测位的磁场信息，工作人员可以根据磁场信息，判断出是否存在裂纹，且能够进一步判断出裂纹尺寸信息，但同样存在缺点，即检测速度较慢，需要在每个探测位实现微波的扫频过程。
实施例三
基于实施例一中提及的探测方法，本实施例提供了一种单一频率探测法来进行裂纹探测，其不同于实施例二的扫频探测法，使用了单频微波进行探测，具体操作如下：系统工作时，控制微波单元6产生设定频率的单频微波，单频微波在每个探测位激发金刚石NV色心22，进而得到对应的ODMR谱（此种ODMR谱上只有单一的一个点），再将不同探测位的探测结果制成时域图，如附图6所示，根据探测结果的波动判断是否存在裂纹。
单一频率探测法的优点是能够实现快速探测，提高检测效率，但其缺点是只能判断是否存在裂纹，而不能测量裂纹的尺寸信息。
更进一步的，为提高单频微波作用下，不同磁场下探测结果的差异性，本例在确定设定频率时，先控制微波单元产生以2.87GHz为中心频率的微波扫频信号，择一处探测位进行定点扫频得到ODMR谱，确定图谱上斜率最大点所对应的微波频率值，以该微波频率值作为微波单元的设定频率（具体参考附图5中标注）。
实施例四
考虑前述扫频探测法和单一频率探测法，本实施例结合二者优缺点提出一种结合式探测方法，具体步骤如下：系统工作时，首先控制微波单元6产生设定频率的单频微波，单频微波在每个探测位刺激金刚石NV色心22，进而得到对应的ODMR谱，再将不同探测位的探测结果制成时域图，再根据探测结果的波动判断是否存在裂纹，当判断出待测物品上某部位存在裂纹时，移动量子传感器2返回该部位，再控制微波单元6产生以2.87GHz为中心频率的微波扫频信号，对该部位再进行定点扫频得到对应的ODMR谱，通过ODMR谱上AT劈裂值计算得出该部位的磁场峰值信息，根据磁场峰值信息判断出裂纹尺寸信息。
此种结合式探测方法综合了扫频探测法和单一频率探测法的优点，能够实现快速定位裂纹位置的功能，且能够对裂纹尺寸等信息进行测量。
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 (9)
1.基于NV色心量子传感技术的涡流探伤系统，其特征在于，包括有激光收发处理单元（1）、量子传感器（2）、激励线圈（3）、供电单元（4）、微波线圈（5）和微波单元（6）：
激光收发处理单元（1），其用于产生激励量子传感器（2）的触发光，同时采集量子传感器（2）产生的反馈荧光并进行处理分析；
微波单元（6），用于产生调制微波，并通过微波线圈（5）作用于量子传感器（2）；
供电单元（4），用于向激励线圈（3）提供交变电流以产生交变磁场，所述交变磁场使得待测物品上产生涡流；
量子传感器（2），其在触发光以及调制微波的作用下感知周围的交变磁场并产生反馈荧光；
其中，所述量子传感器（2）包含传感光纤（21），所述传感光纤（21）的两端分别为光输入端和光输出端，所述光输出端设置有金刚石NV色心（22）。
2.根据权利要求1所述的基于NV色心量子传感技术的涡流探伤系统，其特征在于：所述激光收发处理单元（1）包含激光器（11）、共轭镜组（12）、双色片（13）、滤波片（14）、光电探测器（15）、主机（16）以及光纤耦合器（17），所述激光器（11）产生的触发光先经共轭镜组（12）缩束，再经双色片（13）反射后通过光纤耦合器（17）进入传输光纤中，并经传输光纤传入传感光纤（21）中对金刚石NV色心（22）进行触发，金刚石NV色心（22）工作时产生的部分反馈荧光沿原光路返回，反馈荧光直接穿过双色片（13），并经滤波片（14）过滤杂散光后被光电探测器（15）采集，主机（16）对光电探测器（15）采集的反馈荧光进行处理分析。
3.根据权利要求2所述的基于NV色心量子传感技术的涡流探伤系统，其特征在于：所述激光收发处理单元还包括报警器（18），所述主机（16）控制连接报警器（18）。
4.根据权利要求1所述的基于NV色心量子传感技术的涡流探伤系统，其特征在于：所述量子传感器（2）还包括套设在传感光纤（21）外围的支撑套管（23），所述激励线圈（3）绕接在支撑套管（23）上。
5.一种探测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的涡流探伤系统，包含以下步骤：
S1、测定零磁场共振劈裂值：在零磁场环境下，启动激光收发处理单元和微波单元，绘制量子传感器上金刚石NV色心的ODMR谱，通过计算波峰间距得出零磁场共振劈裂值；
S2、参数设置及启动：设置供电单元的工作参数，以零磁场共振劈裂值作为交流电频率，同时启动激光收发处理单元和微波单元，控制量子传感器靠近待测物品的表面，量子传感器感知周围的交变磁场并及时反馈荧光信号；
S3、分析处理：激光收发处理单元对荧光信号进行处理分析得出裂纹信息。
6.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，系统工作时，控制微波单元产生以2.87GHz为中心频率的微波扫频信号，对每个探测位进行定点扫频得到对应的ODMR谱，通过ODMR谱上AT劈裂值计算得出对应探测位的磁场幅值信息，进而根据不同探测位的磁场幅值信息判断出裂纹信息。
7.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，系统工作时，控制微波单元产生设定频率的单频微波，单频微波在每个探测位激发金刚石NV色心，进而得到对应的ODMR谱，再将不同探测位的探测结果制成时域图，根据探测结果的波动判断是否存在裂纹。
8.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于，确定设定频率时，先控制微波单元产生以2.87GHz为中心频率的微波扫频信号，择一处探测位进行定点扫频得到ODMR谱，确定图谱上斜率最大点所对应的微波频率值，以该微波频率值作为微波单元的设定频率。
9.根据权利要求5所述的探测方法，其特征在于，系统工作时，首先控制微波单元产生设定频率的单频微波，单频微波在每个探测位激发金刚石NV色心，进而得到对应的ODMR谱，再将不同探测位的探测结果制成时域图，根据探测结果的波动判断是否存在裂纹，当判断出待测物品上某部位存在裂纹时，移动量子传感器返回该部位，再控制微波单元产生以2.87GHz为中心频率的微波扫频信号，对该部位再进行定点扫频得到对应的ODMR谱，通过ODMR谱上AT劈裂值计算得出该部位的磁场幅值信息，根据磁场幅值信息判断出裂纹尺寸信息。
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