CN115327203B - 基于双向光补偿技术的量子电流互感器 - Google Patents

基于双向光补偿技术的量子电流互感器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于双向光补偿技术的量子电流互感器，包括环形腔、多个量子探头、前端激光源、后端激光源和量子处理系统；多个量子探头安装在环形腔内且多个量子探头呈圆周分布，多个量子探头通过激光光纤依次串联，处于串联光路两端的两个量子探头通过激发光纤分别与处于环形腔外的前端激光源、后端激光源连接；量子处理系统通过多个采集光纤分别与多个量子探头连接。本发明通过激发光纤将多个量子探头串联，通过前端激光源、后端激光源即可实现对多个量子探头的激发，简化了设备结构，降低了生产成本，且前端激光源、后端激光源的设计，能够进行光强补偿，使得多个金刚石NV色心处接触的光强保持一致，进而保证了探测结果的精度。

Description

基于双向光补偿技术的量子电流互感器
技术领域
本发明涉及电流互感器技术领域，尤其涉及一种基于双向光补偿技术的量子电流互感器。
背景技术
在众多量子体系中，固态自旋由于其能够工作于室温大气环境且具有高灵敏度等优点，近些年来得到广泛研究。同时，固态自旋体系由于物理载体的结构稳定性，在鲁棒性等方面有较大潜力。氮-空位色心(NV色心)是金刚石中的一种点缺陷，它属于固态自旋中的一种，也是其中最为广泛研究的一种，NV色心用于磁测量理论上预测灵敏度可达飞特斯拉量级。
近年来，利用金刚石NV色心作为磁场测量组件，设计电流传感器的研究逐渐增多，如专利号CN201910265975.X的发明专利公开了一种基于量子精密测量的高电压电流互感器，属于电流的精密测量技术领域，该方案通过多个金刚石NV色心传感器实现对通电导体周围磁场的多点测量，进而通过处理多个磁场信息计算出通电导体内电流大小，但是该种测量方式需要多个激发光路单元配合使用，这使得电流互感器的设计成本较高，且光路设计复杂，不利于设备整体的小型化、集成化设计。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于双向光补偿技术的量子电流互感器。
本发明提出的一种基于双向光补偿技术的量子电流互感器，包括环形腔、多个量子探头、前端激光源、后端激光源和量子处理系统；
多个量子探头安装在环形腔内且多个量子探头呈圆周分布，多个量子探头通过激光光纤依次串联，处于串联光路两端的两个量子探头通过激发光纤分别与处于环形腔外的前端激光源、后端激光源连接；
量子处理系统通过多个采集光纤分别与多个量子探头连接。
优选的，前端激光源、后端激光源的光强一致。
优选的，还包括外壳，外壳呈圆环结构并提供所述环形腔，多个量子探头所在圆周与外壳同心设置，外壳内壁设置有可耐高温的除湿层；环形腔设置有磁屏蔽环，多个量子探头均位于磁屏蔽环内。
优选的，量子探头包括安装架、旋转抛物面聚光罩、光收集器和内含系综NV色心的金刚石粒，安装架安装在外壳内壁上，旋转抛物面聚光罩、光收集器均安装在安装架上且光收集器位于旋转抛物面聚光罩的出光口一侧，光收集器背向旋转抛物面聚光罩一侧设置有与采集光纤连接的采集光路接口；安装架上位于旋转抛物面聚光罩两侧位置均设置有与激发光纤连接的激发光路接口，激发光路接口密封贯穿旋转抛物面聚光罩并伸入到旋转抛物面聚光罩内，金刚石粒设在旋转抛物面聚光罩的焦点处并通过支撑件安装在旋转抛物面聚光罩上。
优选的，旋转抛物面聚光罩的出光口处设置有玻璃防尘罩。
优选的，激发光路接口包括密封贯穿旋转抛物面聚光罩并伸入到旋转抛物面聚光罩内的圆管，圆管靠近金刚石粒一端安装有第一透镜且第一透镜的焦点与旋转抛物面聚光罩的焦点重合，圆管远离金刚石粒一端设置有与激发光纤连接的光纤接头。
优选的，光收集器包括安装在安装架上的筒体，筒体靠近旋转抛物面聚光罩一端具有开口且筒体远离旋转抛物面聚光罩一端设置有采集光路接口，筒体内设置有第二透镜、第三透镜且第二透镜、第三透镜组成对旋转抛物面聚光罩反射的荧光进行缩束处理的共轭透镜组。
优选的，支撑件包括安装杆，安装杆贯穿旋转抛物面聚光罩底端并与旋转抛物面聚光罩转动连接，安装杆位于旋转抛物面聚光罩内一端安装所述金刚石粒，安装杆位于旋转抛物面聚光罩外一端连接有自锁式旋转调节件；自锁式旋转调节件包括套壳、蜗轮和蜗杆，套壳固定在旋转抛物面聚光罩底部并罩设在安装杆外，蜗轮设置在套壳内并固定在安装杆上，蜗杆转动设置在套壳内并与蜗轮啮合，套壳上转动设置有与蜗杆连接的转轮。
优选的，任意相邻两个量子探头之间的激发光纤上均设置有用于过滤激发光纤中反射荧光的光过滤件；优选的，光过滤件包括安装在环形腔内壁的笼式镜座，笼式镜座两侧通过光纤耦合器与激发光纤连接，笼式镜座内在两个光纤耦合器之间位置倾斜设置有可使触发绿光通过的双色片，笼式镜座上位于双色片两侧位置均设置有吸光片且吸光片用于吸收双色片的反射光。
优选的，金刚石粒外围绕有微波发生铜线，旋转抛物面聚光罩上固定有两个微波线接头，微波发生铜线两端分别与两个微波线接头连接，量子处理系统通过微波天线与两个微波线接头连接。
与现有技术相比，本发明提出的基于双向光补偿技术的量子电流互感器的有益效果是：
1、本发明通过激发光纤将多个量子探头串联，通过前端激光源、后端激光源即可实现对多个量子探头的激发，简化了设备结构，降低了生产成本，且前端激光源、后端激光源的设计，能够进行光强补偿，使得多个金刚石NV色心处接触的光强保持一致，进而保证了探测结果的精度；
2、本发明通过设计的旋转抛物面聚光罩，能够高效收集金刚石NV色心产生的反射荧光，并通过设计的共轭透镜组对反射荧光进行缩束处理，使得反射荧光能够被汇聚进入采集光纤内，从而实现提高对荧光高效收集的功能；
3、本发明通过设计对焦的两组第一透镜，能够将激发光汇聚在金刚石粒位置，使得荧光的激发效率得到提升。
附图说明
图1为本发明提出的基于双向光补偿技术的量子电流互感器的结构示意图；
图2为图1中A处放大图；
图3为图1中B处放大图；
图4为提出的基于双向光补偿技术的量子电流互感器中量子探头的一种结构示意图；
图5为提出的基于双向光补偿技术的量子电流互感器中量子探头的另一种结构示意图；
图6为本发明实施例中ODMR法的检测结果图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
实施例一
参照图1-图4，本发明提出基于双向光补偿技术的量子电流互感器，包括外壳8、多个量子探头2、前端激光源3、后端激光源4和量子处理系统5；
外壳8呈圆环结构并提供环形腔1，外壳8内侧需经过防尘防潮设计，可优选在外壳8内壁设置有可耐高温的除湿层。
多个量子探头2安装在环形腔1内且多个量子探头2呈圆周均匀分布，多个量子探头2所在圆周与外壳8同心设置。量子探头2的数量不少于4个，且数量为偶数个。多个量子探头2通过激光光纤依次串联，处于串联光路两端的两个量子探头2通过激发光纤6分别与处于环形腔1外的前端激光源3、后端激光源4连接；
量子处理系统5通过多个采集光纤7分别与多个量子探头2连接，量子处理系统5用于接收并处理采集的反射数据，得出被测通电导体a内的电流大小。
考虑到触发光强度经过相邻的金刚石NV色心会逐级减弱，本实施例在激发光纤6的一端连接前端激光源3，另一端连接后端激光源4，所有的量子探头2依次串接在激发光纤6上，工作时，两束触发激光从激发光纤6的两端同时入射，这样经过叠加处理后，能够有效补偿触发光的强度，使得每个量子探头2金刚石样品处接收的触发光强度近乎一致，保证了每个探头检测的一致性，这样不仅降低了系统校准难度，还进一步提升了测量精度；优选的是，前端激光源5与后端激光源6为光强大小一致的532nm激光源，这样选择更有利于保证每个金刚石样品处的光照强度一致。
在本实施例中，更进一步的，为了提高检测精度，有必要屏蔽磁场环境干扰，如图1所示，环形腔1设置有磁屏蔽环9，多个量子探头2均位于磁屏蔽环9内。
在本实施例中，如图2、图4所示，量子探头2包括安装架21、旋转抛物面聚光罩22、光收集器23和内含系综NV色心的金刚石粒24。安装架21安装在外壳8内壁上，旋转抛物面聚光罩22、光收集器23均安装在安装架21上且光收集器23位于旋转抛物面聚光罩22的出光口一侧，光收集器23背向旋转抛物面聚光罩22一侧设置有与采集光纤7连接的采集光路接口25。安装架21上位于旋转抛物面聚光罩22两侧位置均设置有与激发光纤6连接的激发光路接口26，激发光路接口26密封贯穿旋转抛物面聚光罩22并伸入到旋转抛物面聚光罩22内，金刚石粒24设在旋转抛物面聚光罩22的焦点处并通过支撑件28安装在旋转抛物面聚光罩22上。旋转抛物面聚光罩22能够高效收集金刚石NV色心产生的反射荧光。
其中，支撑件28为一固定在旋转抛物面聚光罩22内的细杆，细杆顶端位于旋转抛物面聚光罩22焦点处，加工时，通过粘结等技术将金刚石粒24固定于细杆顶端即可。
更进一步的，如图4所示，旋转抛物面聚光罩22的出光口处设置有玻璃防尘罩27，玻璃防尘罩27能够避免灰尘进入旋转抛物面聚光罩22内，保证了NV色心自身以及周边环境的洁净度。
更进一步的，如图4所示，激发光路接口26包括密封贯穿旋转抛物面聚光罩22并伸入到旋转抛物面聚光罩22内的圆管261，圆管261靠近金刚石粒24一端安装有第一透镜262且第一透镜262的焦点与旋转抛物面聚光罩22的焦点重合，圆管261远离金刚石粒24一端设置有与激发光纤6连接的光纤接头263。通过在金刚石粒24的两侧设置第一透镜262，能够将两侧传输的触发激光聚集照射在金刚石粒24上，使得照射在金刚石粒24的光强更高，最终使得NV色心发射的荧光更多，从而有效提高了检测精度，并且也让剩余的绿光能够耦合至下一根光纤，从而激发另一个金刚石样品。
具体地，如图2所示，光收集器23包括安装在安装架21上的筒体231，筒体231靠近旋转抛物面聚光罩22一端具有开口且筒体231远离旋转抛物面聚光罩22一端设置有采集光路接口25，筒体231内设置有第二透镜232、第三透镜233且第二透镜232、第三透镜233组成对旋转抛物面聚光罩22反射的荧光进行缩束处理的共轭透镜组。使用时，通过共轭透镜组对旋转抛物面聚光罩22反射出的荧光进行缩束处理，使得反射荧光缩束之后进入采集光纤7中进行传输，从而实现提高对荧光高效收集的功能。
更进一步的，考虑NV色心产生红色反射荧光会随着激发光纤6进入相邻的NV色心处，为避免临近NV色心之间反射光相互干扰，如图1所示，在任意相邻两个量子探头2之间的激发光纤6上均设置有用于过滤激发光纤6中反射荧光的光过滤件10。
优选的，如图3所示，光过滤件10包括安装在环形腔1内壁的笼式镜座101，笼式镜座101两侧通过光纤耦合器与激发光纤6连接，笼式镜座101内在两个光纤耦合器之间位置倾斜设置有可使触发绿光通过且不可通过反射红光的双色片102，笼式镜座101上位于双色片102两侧位置均设置有吸光片103且吸光片103用于吸收双色片102的反射光。具体工作时，触发绿光直接透过双色片102进行传输，而微量的反射红光则会被双色片102反射至上下侧的吸光片103进行阻断吸收，从而高效隔绝了临近NV色心之间反射光的相互干扰。应知道，该结构仅为光过滤结构其中一种，而实际上采用双色片、滤波片等达到实现过滤激发光纤6中通过的反射荧光的结构设计，均包含于本方案所指光过滤结构。
本实施例原理如下：
通电直导体a在其周围会产生环形磁场，根据毕奥-萨伐尔定律，可以知道该磁场大小与负载电流之间为线性关系，因此通过测量导体a周围磁场大小，即可推算出负载电流的大小
当NV色心外围存在磁场时，且若磁场方向与NV色心的轴向不平行，外界磁场会改变NV色心能级的本征态，继而改变能级之间的跃迁速率，并最终改变电子在不同能级上的布局，且根据荧光发射强度与能级状态的依赖性，可以得出NV色心反射荧光的强度与外界磁场的大小和方向有关：若令外界磁场与NV色心轴向的夹角保持不变，那么NV色心反射的荧光强度会随着磁场强度变化而规律性改变，基于稳态的能级跃迁方程，得出二者之间的变化关系，此时即可通过测量荧光强度估算出外界磁场的大小，进而计算出通电导体a内电流大小,此为一种全光学法探测磁场的方式，并未使用微波。
实施例二
本发明提出基于双向光补偿技术的量子电流互感器，与实施例一不同之处在于，如图5示，金刚石粒24外还围绕有微波发生铜线241，旋转抛物面聚光罩22上固定有两个微波线接头242，微波发生铜线241两端分别与两个微波线接头242连接；量子处理系统7包含微波激发单元，微波激发单元通过微波天线与两个微波线接头242连接，从而依次串联所有的微波发生铜线241。
基于此种探头，配套使用的是ODMR检测法，其具体检测原理如下：
无磁场环境时，在连续微波信号的扫描之下，NV色心的基态电子首先从基态的Ms＝0跃迁到基态的Ms＝±1，由于是无磁场环境，所以此时Ms＝±1是简并的二重态，在频率为2.87GHz时就会发生跃迁，连续波谱只会在2.87GHz的这一点会产生一个波峰。当处于有磁场的环境时，由于磁场的作用，此时的简并二重态的两种状态就会发生分离，之间的能量差为2γB，以2.87GHz为中心对称分布，所以在连续波谱的作用之下，就会出现两个波峰，且这两个波峰是相对于2.87GHz对称分布的。所以在测量的时候只需要知道两个波峰之间的距离，由于γ是一个已知量，即可以得到磁场B的大小。
实施例三
实际上由于金刚石NV色心具备四个轴向，因而在ODMR法测量时往往会得到多个波峰的情况，这使得电流测量的过程复杂化，为了实现简化测量过程的目的，在设置金刚石粒24时，会经过特意调制，使得金刚石NV色心的某一晶向与通电导体周围的磁场平行，此时由于磁场方向与四个轴向之间的夹角大小一致，在ODMR法检测的图谱中只会产生两个波峰，如附图6所示，这样会使得后续测量计算过程更简便。
为了实现前述目的，本实施例中设计了另一种金刚石粒24的支撑件28，参照图4，支撑件28包括安装杆281，安装杆281贯穿旋转抛物面聚光罩22底端并与旋转抛物面聚光罩22转动连接，安装杆281位于旋转抛物面聚光罩22内一端安装所述金刚石粒24，安装杆281位于旋转抛物面聚光罩22外一端连接有自锁式旋转调节件，支撑件28可以实现金刚石粒24的转动调节，相比实施例一中固定式的细杆设计，其更具可操作性，能满足多种检测需求。
进一步的，参照图5，自锁式旋转调节件包括套壳282、蜗轮283和蜗杆284，套壳282固定在旋转抛物面聚光罩22底部并罩设在安装杆281外，蜗轮283设置在套壳282内并固定在安装杆281上，蜗杆284转动设置在套壳282内并与蜗轮283啮合，套壳282上转动设置有与蜗杆284连接的转轮285。使用时，由于蜗轮283与蜗杆284配合具备自锁特性，在调节好金刚石粒24角度后，即保持位置状态固定，保证了角度调节后的稳定性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于双向光补偿技术的量子电流互感器，其特征在于，包括环形腔(1)、多个量子探头(2)、前端激光源(3)、后端激光源(4)和量子处理系统(5)；
多个量子探头(2)安装在环形腔(1)内且多个量子探头(2)呈圆周分布，多个量子探头(2)通过激光光纤依次串联，处于串联光路一端的量子探头(2)通过激发光纤(6)与处于环形腔(1)外的前端激光源(3)连接，处于串联光路另一端的量子探头(2)通过激发光纤(6)与处于环形腔(1)外的后端激光源(4)连接；
量子处理系统(5)通过多个采集光纤(7)分别与多个量子探头(2)连接；
其中，前端激光源(3)和后端激光源(4)的光强一致；
量子探头(2)包括旋转抛物面聚光罩(22)、光收集器(23)和内含系综NV色心的金刚石粒(24)，光收集器(23)位于旋转抛物面聚光罩(22)的出光口一侧，光收集器(23)背向旋转抛物面聚光罩(22)一侧设置有与采集光纤(7)连接的采集光路接口(25)；旋转抛物面聚光罩(22)两侧位置均设置有与激发光纤(6)连接的激发光路接口(26)，激发光路接口(26)密封贯穿旋转抛物面聚光罩(22)并伸入到旋转抛物面聚光罩(22)内，金刚石粒(24)设在旋转抛物面聚光罩(22)的焦点处。
2.根据权利要求1所述的基于双向光补偿技术的量子电流互感器，其特征在于，还包括外壳(8)，外壳(8)呈圆环结构并提供所述环形腔(1)，多个量子探头(2)所在圆周与外壳(8)同心设置，外壳(8)内壁设置有可耐高温的除湿层；环形腔(1)设置有磁屏蔽环(9)，多个量子探头(2)均位于磁屏蔽环(9)内。
3.根据权利要求1或2所述的基于双向光补偿技术的量子电流互感器，其特征在于，量子探头(2)还包括安装架(21)，安装架(21)安装在外壳(8)内壁上，旋转抛物面聚光罩(22)和光收集器(23)均安装在安装架(21)上，激发光路接口(26)设置在安装架(21)上且位于旋转抛物面聚光罩(22)两侧的位置，金刚石粒(24)通过支撑件(28)安装在旋转抛物面聚光罩(22)上。
4.根据权利要求3所述的基于双向光补偿技术的量子电流互感器，其特征在于，旋转抛物面聚光罩(22)的出光口处设置有玻璃防尘罩(27)。
5.根据权利要求3所述的基于双向光补偿技术的量子电流互感器，其特征在于，激发光路接口(26)包括密封贯穿旋转抛物面聚光罩(22)并伸入到旋转抛物面聚光罩(22)内的圆管(261)，圆管(261)靠近金刚石粒(24)一端安装有第一透镜(262)且第一透镜(262)的焦点与旋转抛物面聚光罩(22)的焦点重合，圆管(261)远离金刚石粒(24)一端设置有与激发光纤(6)连接的光纤接头(263)。
6.根据权利要求3所述的基于双向光补偿技术的量子电流互感器，其特征在于，光收集器(23)包括安装在安装架(21)上的筒体(231)，筒体(231)靠近旋转抛物面聚光罩(22)一端具有开口且筒体(231)远离旋转抛物面聚光罩(22)一端设置有采集光路接口(25)，筒体(231)内设置有第二透镜(232)和第三透镜(233)且第二透镜(232)和第三透镜(233)组成对旋转抛物面聚光罩(22)反射的荧光进行缩束处理的共轭透镜组。
7.根据权利要求3所述的基于双向光补偿技术的量子电流互感器，其特征在于，支撑件(28)包括安装杆(281)，安装杆(281)贯穿旋转抛物面聚光罩(22)底端并与旋转抛物面聚光罩(22)转动连接，安装杆(281)位于旋转抛物面聚光罩(22)内的一端安装所述金刚石粒(24)，安装杆(281)位于旋转抛物面聚光罩(22)外的一端连接有自锁式旋转调节件；自锁式旋转调节件包括套壳(282)、蜗轮(283)和蜗杆(284)，套壳(282)固定在旋转抛物面聚光罩(22)底部并罩设在安装杆(281)外，蜗轮(283)设置在套壳(282)内并固定在安装杆(281)上，蜗杆(284)转动设置在套壳(282)内并与蜗轮(283)啮合，套壳(282)上转动设置有与蜗杆(284)连接的转轮(285)。
8.根据权利要求3所述的基于双向光补偿技术的量子电流互感器，其特征在于，任意相邻两个量子探头(2)之间的激发光纤(6)上均设置有用于过滤激发光纤(6)中反射荧光的光过滤件(10)。
9.根据权利要求3所述的基于双向光补偿技术的量子电流互感器，其特征在于，金刚石粒(24)外围绕有微波发生铜线(241)，旋转抛物面聚光罩(22)上固定有两个微波线接头(242)，微波发生铜线(241)两端分别与两个微波线接头(242)连接，量子处理系统(5)通过微波天线与两个微波线接头(242)连接。
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