CN115494284B - 基于环路积分技术的量子电流互感器及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流传感技术领域，方案为一种基于环路积分技术的量子电流互感器，包括外壳、量子传感光纤、支撑件、激光激发及采集处理单元以及传输光纤；本发明中的互感器中由于金刚石NV色心微粒数量众多且沿环路密集分布，基于环路积分的原理，其能够很好抵消外界磁场的干扰，且能够提高设备容错性，准确测量通电导体周围的磁场强度，提升互感器的电流测量精度。

Description

基于环路积分技术的量子电流互感器及数据处理方法

技术领域

本发明涉及电流传感技术领域，具体涉及到一种基于环路积分技术的量子电流互感器及数据处理方法。

背景技术

近年来，利用金刚石NV色心作为传感单元的研究不在少数，其中，利用其进行负载电流的测量是现今热门的一个研究方向。由于金刚石NV色心反射荧光的强度与外界磁场的大小和方向均有关，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NV色心反射的荧光强度估算出外界磁场的大小，进而计算出通电导体内电流大小。

公开号为CN110174542A的中国专利中提到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。上述技术运用4n个金刚石NV色心均布于导体周边作为独立传感单元测量通电导体周围不同处的磁场大小，再求平均磁场并通过毕奥萨伐尔定律计算出通电导体内电流的数值，但是该装置每个传感单元均单独配置光路，这导致传感单元的数量有限，进而影响测量精度，尤其当通电导体处于偏心位置时，其对于通电导体周围的磁场测量准确度较差，且对于外界磁场的消除效果同样较差。

基于此，本发明设计了一种基于环路积分技术的量子电流互感器及数据处理方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提出了一种基于环路积分技术的量子电流互感器及数据处理方法，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下基础方案：一种基于环路积分技术的量子电流互感器，包括外壳、量子传感光纤、支撑件、激光激发及采集处理单元以及传输光纤；

所述外壳中部有一通孔，所述通孔作为通电导体通道，所述量子传感光纤通过支撑件形成环形将通电导体通道包围，所述激光激发及采集处理单元通过传输光纤与量子传感光纤连接；

其中，所述量子传感光纤包含载体光纤，所述载体光纤内连续均匀分布有金刚石NV色心微粒。

如前所述的基础方案，还有更进一步的设计：所述传输光纤为一分二光分路器，所述一分二光分路器的总线与激光激发及采集处理单元连接，所述一分二光分路器的两个分线分别与量子传感光纤的两端连接。

如前所述的基础方案，还有更进一步的设计：所述量子传感光纤的一端与传输光纤连接，另一端的端面设有反光结构。

如前所述的基础方案，还有更进一步的设计：每厘米长度的载体光纤内的金刚石NV色心微粒的数量不低于100粒，且所述金刚石NV色心微粒的尺寸不大于500nm。

如前所述的基础方案，还有更进一步的设计：所述激光激发及采集处理单元包含532nm激光源、共轭透镜、双色片、滤波片、光电探测器以及处理器，所述532nm激光源启动产生触发激光，触发激光经共轭透镜汇聚后射向双色片，双色片对触发激光进行反射并通过光纤耦合器将触发激光引入传输光纤中，金刚石NV色心微粒在触发激光的刺激下产生反馈荧光，反馈荧光沿原路返回后直接穿透双色片，再经滤波片过滤后被光电探测器生成反馈电压，处理器对反馈电压进行后续处理。

如前所述的基础方案，还有更进一步的设计：所述量子传感光纤绕成的环形的圈数不低于n圈，其中，n为大于1的整数。

如前所述的基础方案，还有更进一步的设计：所述支撑件为圆筒体，所述支撑件的侧面上设有两个光纤端面定位件，两个光纤端面定位件对传输光纤的两端进行定位，使得传输光纤的两端处于同一平面，且该平面经过支撑件的中心轴。

如前所述的基础方案，还有更进一步的设计：所述金刚石NV色心微粒均匀分布在载体光纤的纤芯内部或，所述载体光纤的包层表面设置有反光层。

如前所述的基础方案，还有更进一步的设计：所述金刚石NV色心微粒均匀分布在载体光纤的纤芯外侧的倏逝波透射区间内。

一种量子电流互感器的数据处理方法，包括以下步骤：

S1、获取环路反馈信号：先建立互感器模拟平台，给实验导体通电，再通过532nm激光激发量子传感光纤上任意位置的金刚石NV色心微粒，金刚石NV色心微粒在激光以及外界磁场的作用下产生对应强度的反馈荧光；

S2、环路信号综合处理：通过单个光电探测器对所有金刚石NV色心微粒产生的反馈荧光进行统一收集，并产生反馈电压；

S3、生成标定曲线：将反馈电压与实验导体内的电流进行数据对应，并经批量化测试，得出反馈电压与电流的标定曲线；

S4、数据处理：实际检测得到反馈电压时，即可根据该标定曲线得出待测通电导体内的电流大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中的互感器中由于金刚石NV色心微粒数量众多且沿环路密集分布，基于环路积分的原理，其能够很好抵消外界磁场的干扰，且能够提高设备容错性，准确测量通电导体周围的磁场强度，提升互感器的电流测量精度；

2、本发明中金刚石NV色心微粒全分布在一根光纤中，通过单一光路即可激发所有金刚石NV色心微粒，并得到综合的环路反馈信号，通过环路反馈信号即可得到准确度高的电流测量数据，该种设计优化了信号采集方式，能够在狭小空间内增设大量的传感单元。

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为实施例一中量子电流互感器的示意图；

图2为实施例一中量子传感光纤的示意图；

图3为实施例一中金刚石NV色心颗粒位于纤芯内的示意图；

图4为实施例一中金刚石NV色心颗粒位于纤芯外的示意图；

图5为实施例一中支撑件的示意图；

图6为实施例一中量子传感光纤绕一圈的示意图；

图7为实施例一中量子传感光纤绕二圈的示意图；

图8为实施例二中量子传感光纤端部的结构示意图；

图9为实施例三中量子电流互感器的示意图；

图10为实施例四中量子电流互感器的数据处理方法的流程图；

图11为实施例四中反馈电压与电流的标定曲线的示意图。

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环路积分技术的量子电流互感器，包括外壳1、量子传感光纤2、支撑件3、激光激发及采集处理单元4以及传输光纤5；外壳1中部有一通孔，通孔作为通电导体通道7，量子传感光纤2通过支撑件3形成环形将通电导体通道7包围，激光激发及采集处理单元4通过传输光纤5与量子传感光纤2连接。

具体的，激光激发及采集处理单元4包含532nm激光源41、共轭透镜42、双色片43、滤波片44、光电探测器45以及处理器46，532nm激光源41启动产生触发激光，触发激光经共轭透镜42汇聚后射向双色片43，双色片43对触发激光进行反射并通过光纤耦合器将触发激光引入传输光纤5中，金刚石NV色心微粒21在触发激光的刺激下产生反馈荧光，反馈荧光沿原路返回后直接穿透双色片43，再经滤波片44过滤后被光电探测器45生成反馈电压，处理器对反馈电压进行后续处理。

其中，参见附图2，量子传感光纤2包含载体光纤，载体光纤内连续均匀分布有金刚石NV色心微粒21；

具体的，金刚石NV色心微粒21可以均匀分布在载体光纤的纤芯内部（如附图3所示，此种结构设计能够使得金刚石NV色心微粒21受到的激发光强度较高，金刚石NV色心微粒21的激发效果提升，从而提高采集检测精度）或均匀分布在载体光纤的纤芯外侧的倏逝波透射区间内（如附图4所示，通过纤芯内溢散的倏逝波可以对金刚石NV色心微粒21进行激发，此种激发方式能够减少激光的损耗，使得金刚石NV色心微粒21受光均匀）；

更进一步的，当金刚石NV色心微粒21均匀分布在载体光纤的纤芯内部时，载体光纤的包层表面设置有反光层（如附图3所示，反光层能够减少光纤光传输的损耗，提高激光传输效率，从而提高采集检测精度）。

针对量子传感光纤2，更进一步的改进如下：每厘米长度的载体光纤内的金刚石NV色心微粒21的数量不低于100粒（基于环路积分技术可知，待测通电导体6周围环路上的金刚石NV色心微粒21分布越密集，数据处理时对外界磁场的消除能力越强，且环路积分得到的磁场数据十分准确，最终得到较高精度的电流数据），且金刚石NV色心微粒21的尺寸不大于500nm（金刚石NV色心微粒尺寸越小对于光纤内激光传输阻碍效果越小，因而需要限制其尺寸，避免量子传感光纤的光传输损耗过大，影响采集探测结果）。

在本例中，量子传感光纤2绕成的环形的圈数不低于n圈，其中，n为大于1的整数（圈数越多，等同于金刚石NV色心微粒21在待测通电导体6周围环路上的数量越多，能进一步提高检测精度），在缠绕量子传感光纤2时，需注意其形成的圈数为整数圈（若量子传感光纤2形成非整数圈，则金刚石NV色心微粒21存在分布不均的问题，这会降低测量精度）。

为便于量子传感光纤2绕成整数圈，参见附图5，本例中支撑件3为圆筒体，支撑件3的侧面上设有两个光纤端面定位件31，两个光纤端面定位件对传输光纤5的两端进行定位，使得传输光纤5的两端处于同一平面，且该平面经过支撑件3的中心轴；附图6和附图7分别为量子传感光纤2被绕成1圈和2圈时的状态。

实施例二

基于实施例一，本例具有以下改进：量子传感光纤2的一端与传输光纤5连接，另一端的端面设有反光结构23，具体参见附图8。

相应的，在本例中，支撑件3上的两个光纤端面定位件，一个为光纤法兰，另一个为能够固定住光纤的常见结构即可，也可以是光纤法兰，量子传感光纤2的一端为FC接头，通过其与光纤法兰连接，光纤法兰的另一侧与传输光纤5连接。

本例中，传输光纤5即为普通光纤，激光激发及采集处理单元4产生的532nm激光从传输光纤5传输进入量子传感光纤2中，然后量子传感光纤2内产生的反馈荧光沿原路返回至激光激发及采集处理单元4中，为提高荧光采集效果，在传输光纤5的另一端设有反光结构23，该反光结构23为反光镜等具有反射光功能的结构，用于将荧光反射回激光激发及采集处理单元4中，从而提高对反馈荧光的采集效果。

实施例三

基于实施例一，本例具有以下改进：参见附图9，传输光纤5为一分二光分路器，一分二光分路器的总线与激光激发及采集处理单元4连接，一分二光分路器的两个分线分别与量子传感光纤2的两端连接。

相应的，在本例中，支撑件3上的两个光纤端面定位件均为光纤法兰，量子传感光纤2的两端通过光纤法兰与一分二光分路器连接。

与实施例二相比，本例中激发光经一分二光分路器作用后，从量子传感光纤2的两端同时进入，这样的好处是使得单个金刚石NV色心颗粒21受到的激发光强度趋于一致，且对于产生的反馈荧光的收集更加高效，相比于实施例二的检测效果更佳。

实施例四

参见附图10，一种量子电流互感器的数据处理方法，包括以下步骤：

S1、获取环路反馈信号：先建立互感器模拟平台，给实验导体通电，再通过532nm激光激发量子传感光纤上任意位置的金刚石NV色心微粒，金刚石NV色心微粒在激光以及外界磁场的作用下产生对应强度的反馈荧光；

S2、环路信号综合处理：通过单个光电探测器对所有金刚石NV色心微粒产生的反馈荧光进行统一收集，并产生反馈电压；

S3、生成标定曲线：将反馈电压与实验导体内的电流进行数据对应，并经批量化测试，得出反馈电压与电流的标定曲线，参见附图11，其为标定曲线的示意图；

S4、数据处理：实际检测得到反馈电压时，即可根据该标定曲线得出待测通电导体内的电流大小。

相较于现有技术，本例中环形的量子传感光纤中所有金刚石NV色心颗粒产生的荧光，均通过一个光电探测器进行综合收集，该种量子传感光纤产生的综合荧光具备环路积分的优点，具备较高的可信度，因而可直接采集综合荧光并进行后续测算，得到电流数值的准确度极高，且系统结构也得到了简化。

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 (6)

1.一种基于环路积分技术的量子电流互感器，其特征在于，包括外壳（1）、量子传感光纤（2）、支撑件（3）、激光激发及采集处理单元（4）以及传输光纤（5）；所述外壳（1）中部有一通孔，所述通孔作为通电导体通道（7），所述量子传感光纤（2）通过支撑件（3）形成环形将通电导体通道（7）包围，所述激光激发及采集处理单元（4）通过传输光纤（5）与量子传感光纤（2）连接；

其中，所述量子传感光纤（2）包含载体光纤，所述载体光纤内连续均匀分布有金刚石NV色心微粒（21）；所述传输光纤（5）为一分二光分路器，所述一分二光分路器的总线与激光激发及采集处理单元（4）连接，所述一分二光分路器的两个分线分别与量子传感光纤（2）的两端连接，使用时，触发激光经一分二光分路器作用后，从量子传感光纤（2）的两端同时进入，使得单个金刚石NV色心颗粒（21）受到的激发光强度趋于一致；

其中，每厘米长度的载体光纤内的金刚石NV色心微粒（21）的数量不低于100粒，且所述金刚石NV色心微粒（21）的尺寸不大于500nm；

其中，所述激光激发及采集处理单元（4）包含532nm激光源（41）、共轭透镜（42）、双色片（43）、滤波片（44）、光电探测器（45）以及处理器（46），所述532nm激光源（41）启动产生触发激光，触发激光经共轭透镜（42）汇聚后射向双色片（43），双色片（43）对触发激光进行反射并通过光纤耦合器将触发激光引入传输光纤（5）中，金刚石NV色心微粒（21）在触发激光的刺激下产生反馈荧光，反馈荧光沿原路返回后直接穿透双色片（43），再经滤波片（44）过滤后被光电探测器（45）采集，量子传感光纤（2）中所有金刚石NV色心颗粒（21）产生的综合荧光被光电探测器（45）统一收集，激光激发及采集处理单元（4）对综合荧光进行后续测算。

2.根据权利要求1所述的一种基于环路积分技术的量子电流互感器，其特征在于：所述量子传感光纤（2）绕成的环形的圈数不低于n圈，其中，n为大于1的整数。

3.根据权利要求1所述的一种基于环路积分技术的量子电流互感器，其特征在于：所述支撑件（3）为圆筒体，所述支撑件（3）的侧面上设有两个光纤端面定位件（31），两个光纤端面定位件（31）对传输光纤（5）的两端进行定位，使得传输光纤（5）的两端处于同一平面，且该平面经过支撑件（3）的中心轴。

4.根据权利要求1所述的一种基于环路积分技术的量子电流互感器，其特征在于：所述金刚石NV色心微粒（21）均匀分布在载体光纤的纤芯内部，所述载体光纤的包层表面设置有反光层。

5.根据权利要求1所述的一种基于环路积分技术的量子电流互感器，其特征在于：所述金刚石NV色心微粒（21）均匀分布在载体光纤的纤芯外侧的倏逝波透射区间内。

6.一种如权利要求1所述的量子电流互感器的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取环路反馈信号：先建立互感器模拟平台，给实验导体通电，再通过532nm激光激发量子传感光纤上任意位置的金刚石NV色心微粒，金刚石NV色心微粒在激光以及外界磁场的作用下产生对应强度的反馈荧光；

S2、环路信号综合处理：通过单个光电探测器对所有金刚石NV色心微粒产生的综合荧光进行统一收集，并基于该综合荧光产生反馈电压；

S3、生成标定曲线：将反馈电压与实验导体内的电流进行数据对应，并经批量化测试，得出反馈电压与电流的标定曲线；

S4、数据处理：实际检测得到反馈电压时，即可根据该标定曲线得出待测通电导体内的电流大小。