CN116660602A - 量子互感器及电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子精密测量技术领域，方案为一种量子互感器，包含前端、后端、绝缘子以及连接于前端与后端之间的传输线路，绝缘子包含用于安装传输线路的绝缘通道；本方案中量子互感器的结构设计中，将激励激光模块与固态自旋量子探头均设在前端，在检测时，激励激光模块跟随固态自旋量子探头移动，二者始终保持在近侧，因而激励激光传输至固态自旋量子探头的过程损耗极小，保证了自旋色心的激发效果，也保证了互感器的检测精度；同时本方案还在前端设有光电池模块，并在后端发射供能激光供其转化电能以为前端的用电模块供电；本方案还介绍了一种运用前述互感器进行电流检测的方案，尤其是高压以及超高压侧的电流检测。

Description

量子互感器及电流检测方法

技术领域

本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及到一种量子互感器及其在电网高压侧使用的电流检测方法。

背景技术

固态自旋色心体系是实现量子精密测量的重要物理体系，以该体系中的金刚石NV色心为例，其在激光的泵浦下表现出较强的荧光，且该荧光强度与外界物理量规律性相关，因而可作为一种新型的传感核心，用于磁场、电场、温度等物理量的测量，固态自旋色心体系除了金刚石NV色心，还有硅空位色心、硼空位色心等。

但是现有基于固态自旋色心构建的量子互感器中，尤其是互感器的前端和后端相隔较远时（如电网高压侧电流检测，固态自旋量子探头在高压侧，激光模块在低压侧），那么激光模块产生的激励激光在光路传输过程会有较高的光损耗和扰动，这会导致固态自旋色心的激发效果变差，导致测量精度降低。

基于此，本发明设计了一种量子互感器及电流检测方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种可以减少激励激光损耗和扰动的量子互感器以及一种该互感器应用于电网高压侧的电流检测方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种量子互感器，包含前端、后端、绝缘件以及连接于前端与后端之间的传输线路，所述绝缘件包含用于安装传输线路的绝缘通道，所述后端包含供能激光模块以及处理单元，所述前端包含前端光路模块、光电池模块、激励激光模块以及若干固态自旋量子探头；

其中，所述供能激光模块用于输出供能激光，所述处理单元用于数据处理及分析；

其中，所述前端光路模块用于前端内各类光信号的调节及传输，所述光电池模块用于将供能激光转化为前端电能并为前端的用电器件供电，所述激励激光模块用于产生激励激光，所述固态自旋量子探头用于感知外界环境并在激励激光的作用下产生反馈荧光。

进一步的，用于从激励激光模块向固态自旋量子探头传输激励激光的光路长度不大于5m。

进一步的，所述供能激光的波长区间为800~1100nm。

进一步的，所述前端还包含微波模块，所述微波模块用于输出作用于固态自旋量子探头的激励微波。

进一步的，所述前端还包含光回收模块，所述光回收模块用于回收前端内的无用光信号并通过光电池模块将其转化为前端电能。

进一步的，所述传输线路包含一光纤，在前端与后端二者之间传输的光信号均通过此光纤进行传输。

进一步的，所述处理单元包含光电探测模块和主机，所述光电探测模块用于采集反馈荧光并转化为电信号输出，所述主机对光电探测模块输出的电信号进行处理分析。

进一步的，所述处理单元包含光接收机以及主机，所述前端还包含光电探测模块以及光发送机，所述光电探测模块用于采集反馈荧光并转化为电信号输出，所述光发送机用于根据光电探测模块输出的电信号生成对应的调制光信号，所述光接收机用于接收并解调调制光信号，所述主机用于对光接收机解调输出的信号进行处理分析。

进一步的，所述固态自旋量子探头具备2n个探测位，且所有探测位均匀分布在一虚拟圆周上。

进一步的，所述前端还包含电磁屏蔽室，位于前端的部分或所有通电设备安装于电磁屏蔽室内，所述固态自旋量子探头位于电磁屏蔽室的外侧。

进一步的，所述前端还包含磁屏蔽环，所述固态自旋量子探头位于磁屏蔽环内侧。

进一步的，所述前端还包含聚磁器，所述固态自旋量子探头位于聚磁器的聚磁气隙内。

进一步的，所述聚磁器上还配设有反馈调节线圈，所述光电池模块包含反馈电源单元，所述反馈调节线圈用于调控聚磁气隙内的磁场强度，所述反馈电源用于为反馈调节线圈供电以产生调节磁场。

一种电流检测方法，其使用了前述量子互感器，包含以下步骤：

S1、将前端置于电网高压侧，将后端置于电网低压侧；

S2、从电网低压侧向电网高压侧传输供能激光；

S3、供能激光在电网高压侧被转化为高压侧电能，激励激光模块利用此电能通电并产生激励激光；

S4、固态自旋量子探头感知通电导体产生的磁场并在激励激光的作用下产生反馈荧光；

S5、对反馈荧光进行收集及分析计算得到待测量。

进一步的，检测过程中，前端与后端之间无电信号的传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方案中量子互感器的结构设计中，将激励激光模块与固态自旋量子探头均设在前端，在检测时，激励激光模块跟随固态自旋量子探头移动，二者始终保持在近侧，因而激励激光传输至固态自旋量子探头的过程损耗极小，保证了自旋色心的激发效果，也保证了互感器的检测精度；同时本方案还在前端设有光电池模块，并在后端发射供能激光供其转化电能以为前端的用电模块供电；本方案还介绍了一种运用前述互感器进行电流检测的方案，尤其是高压以及超高压侧的电流检测。

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为本发明实施例中量子互感器的一系统示意图；

图2为本发明实施例中传输线路的一结构示意图；

图3为本发明实施例中量子互感器的又一系统示意图；

图4为本发明实施例中光回收模块的一结构示意图；

图5为本发明实施例中量子互感器的一结构示意图；

图6为本发明实施例中聚磁器的一结构示意图；

图7为本发明实施例中聚磁器的又一结构示意图；

图8为本发明实施例中聚磁器与反馈调节线圈的一结构示意图；

图9为本发明实施例中电流检测方法的流程图；

图10为本发明实施例中量子互感器进行电流检测的安装示意图。

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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

量子互感器实施例

如图1所示，本例中量子互感器包含前端1、后端2、绝缘子3以及连接于前端1与后端2之间的传输线路4，后端2包含供能激光模块21以及处理单元22，前端1包含前端光路模块、光电池模块12、激励激光模块13以及若干固态自旋量子探头（本例及后续实施例中，以NV色心探头14作为固态自旋量子探头进行描述，当然实际中，固态自旋量子探头还可以由该体系内其他材料制作而成，如硅空位色心、硼空位色心等）。

本例中，供能激光模块21用于输出供能激光，示例性的，一种具体的设计为：供能激光模块21为一激光源，考虑到光电转化效率的高效性，作为优选，该激光源输出的激光波长区间为800~1100nm，本例选用830nm激光进行供电。

本例中，前端光路模块用于前端内各类光信号的调节及传输（包括获取供能激光），示例性的，如图1所示，前端光路模块包含若干光纤、若干光纤耦合器111以及一双色片112，供能激光通过传输线路接入其中一光纤耦合器111，并通过光纤传输进入光电池单元12，光电池模块12用将供能激光转化为前端电能，并为前端的用电器件供电，即为激励激光模块13供电以产生激励激光（近似532nm的绿光），激励激光透过双色片112后再作用于NV色心探头14，NV色心探头14受激产生随探测因素（磁场、温度、电磁、压力等）变化的反馈荧光（近似637nm的红光），部分反馈荧光和激励激光沿着原光路返回，在双色片112处反馈荧光被筛分出来，通过对反馈荧光进行分析计算可得探测结果。

本例中，如图1所示的NV色心探头14只具备一处探测点位，在另外一些实施例中，NV色心探头14也可对多处点位进行探测，示例性的，若每个NV色心探头14对应一个点位，那需要多个NV色心探头14实现多点探测的功能，若单个NV色心探头14即具备多个探测点位，那么一个NV色心探头14即可实现多点位置探测功能（可参见CN114459512A、CN114459512B等专利中提及的分布式探头，其通过单个传感器实现多点位探测）。

本例中，绝缘子3包含用于安装传输线路4的绝缘通道，绝缘子可以使得前、后端之间的线路连接更安全可靠，绝缘子3可为陶瓷材质、玻璃绝缘子或复合绝缘子等。

如图1所示实施例中，反馈荧光是直接传回后端的，因而处理单元包含光电探测模块和主机，光电探测模块用于采集反馈荧光并转化为电信号输出，主机对光电探测模块输出的电信号进行处理分析，示例性的，一种具体的方式为，光电探测模块包含光电二极管（优选雪崩二极管），通过其采集反馈荧光并转化为电信号，或者光电探测模块还包含锁相放大器，通过锁相处理光电二极管输出的电信号，以达到提升检测精度的功能。

如图1所示实施例中，传输线路4分为2路光纤线路，其中一路用于传输供能激光，另一路用于传输反馈荧光，考虑简化光路，作为一些改进设计，传输线路4为一根光纤，在前端1与后端2二者之间传输的光信号均通过此光纤进行传输，示例性的，如附图2所示，光纤的两端各设有三端口的环形器，通过环形器实现供能激光和反馈荧光在同一光纤的传输，且两者工作互不干扰，此为环形器的常见功能，其接线如图2所示，此处不再赘述。

在一些图示未示出的实施例中，反馈荧光也可是在前端1内转化为电信号再传输回，对应的，前端1内还包含光电探测模块（光电二极管或者光电二极管与锁相组合），那么作为适应性设计，传输线路4应包含电线线路和光纤线路，电线线路用于传输光电探测模块输出的电信号，光纤线路用于传输供能激光。

考虑到反馈荧光（637nm）不适合远距离传输，因而在另外一些设计中，将反馈荧光转化为通信波段的调制光信号后再传输回后端2，示例性的，如附图3所示，处理单元22包含光接收机221以及主机222，前端1还包含光电探测模块15以及光发送机16，二者均由光电池模块12供电，光电探测模块15用于采集反馈荧光并转化为电信号输出，光发送机16用于根据光电探测模块15输出的电信号生成对应的调制光信号，光接收机221用于接收并解调调制光信号，主机222用于对光接收机221解调输出的信号进行处理分析。

在本方案中提及的光电探测模块，其输出的电信号存在多种可能性，可以是光电二极管直接采集光输出的一次电信号，还可以是通过锁相放大等设备对一次电信号进行处理过的二次电信号，还可以是通过处理器中程序对一次电信号或二次电信号进行分析计算过后的三次电信号。

在以调制光信号进行传送的方案中，同样可以使用通过单一光纤传输两种光信号的结构设计，一种示例性的传输线路设计与附图2一致，此处不再赘述。

作为一些改进设计，基于背景技术中提出的光损耗问题，在一些实施例中，将用于从激励激光模块向NV色心探头传输激励激光的光路长度设计成不大于5m，对此光路长度进行了限制，避免冗长光路设计造成的光损耗。

作为一些改进设计，在一些图示未示出的实施例中，前端1还包含微波模块，可由光电池模块12供电，微波模块用于输出作用于NV色心探头14的激励微波，此例运用了微波和激光共同对NV色心探头进行激励，通过此种方法的测量结果更为准确（具体参见NV色心的ODMR探测法，此处不作赘述）。

作为一些改进设计，考虑到前端1存在较多的光信号浪费，在一些实施例中，前端1还包含光回收模块，光回收模块用于回收前端内的无用光信号并通过光电池模块将其转化为前端电能，示例性的，考虑到NV色心探头（为便于解释，此处NV色心探头为一含NV色心的金刚石颗粒，且其设在一光纤端部）处容易有较多的光损耗，如附图4所示，所示光回收模块包含设在设在金刚石颗粒近处的聚集镜组和光纤耦合器，聚集镜组能够收集并汇聚金刚石粒处散射出的光信号以作为回收激光，并将该回收激光通过光纤耦合器耦合进入光纤，并传输至光电池模块用以转化为前端电能。

可以预知的是，前述实施例中的量子互感器可以是电力互感器、温度互感器、磁场互感器、压力互感器等。

考虑到前端1的用电器件会产生干扰信号（电、磁场等），其能够对实际测量环境造成干扰，导致测量精度降低，基于此，作为一些改进设计，在前端对一些用电器件做电磁屏蔽，示例性的，如附图5所示，前端1还包含电磁屏蔽室17，位于前端1的部分或所有通电设备安装于电磁屏蔽室17内，NV色心探头14位于电磁屏蔽室17的外侧，此种结构设计可以有效解决前述干扰问题，作为一些改进设计，电磁屏蔽室17应做防潮防尘设计，且结构设计应避免尖端放电现象的发生（如曲面拐角的设计等）；此设计更进一步的，为便于NV色心探头14的安装，还应在电磁屏蔽室17外设计一安装架18，示例性的，如图5所示，安装架18为一次环，环内孔为检测通道，电磁屏蔽室17设在一次环底端，绝缘子3设在电磁屏蔽室17底端以起到绝缘以及支撑作用。

在一些实施例中，将NV色心探头14设置为2n个探测位，且所有探测位均匀分布在一虚拟圆周上，此种设计在对通电导体进行电流测量时会得到偶数个探测数据，然后利用环路积分法处理这些数据，可以有效降噪，提高检测精度，示例性的，如附图5所示，一次环内含4组NV色心探头14（均为单探测点位的探头结构），4组探头均匀分布在一圆周上，该圆周与一次环同心，且相邻探头之间的虚拟圆弧对应的圆心角大小相等（当然，也包含圆心角近似相等的情况），当然，图5未示出的，可以设计特定支架实现探头的定位安装。

考虑到实际检测时，常有因外界磁场干扰导致检测精度降低的问题，此处提出两种解决方案，具体如下：

其一、在前端1设计磁屏蔽环191，NV色心探头14位于磁屏蔽环191内侧，磁屏蔽环191能够屏蔽外界磁场对检测量的干扰，提高检测精度，示例性的，参见附图5，磁屏蔽环191同心安装于一次环内。

其二、在前端1设计聚磁器192，NV色心探头14位于聚磁器192的聚磁气隙内，聚磁器192用于放大待测磁场，减小外界干扰磁场在测量结果中占比（可忽略），从而起到抗干扰的效果，示例性的，针对单个NV色心探头14的情况，如附图6所示，聚磁器192为一C型聚磁环，其含一缺口（聚磁气隙）；针对多个量子探头情况，聚磁器192包含若干弧形部分，当所有弧形部分呈环形分布时，其存在与NV色心探头14数量相等且位置一致的缺口（聚磁气隙），如附图7所示为4组NV色心探头时的聚磁器结构设计。

另，考虑到聚磁器有一定聚磁饱和区间，在待测磁场较大的情境下，很容易导致聚磁饱和的问题出现，当磁场超过阈值，就无法实现准确探测，基于此问题，作为一些优选设计：聚磁器192上还配设有反馈调节线圈193，反馈调节线圈193用于调控聚磁气隙内的磁场强度，光电池模块12包含反馈电源单元，反馈电源单元与反馈调节线圈193电性连接，反馈电源单元含电源部分和控制部分，其能够可控的为反馈调节线圈193供电，控制部分根据测量数据调控反馈电流大小并在聚磁气隙内的磁场强度满足调控要求时输出特征值（作为一种优选搭配设计，可以将光电探测模块设计在前端，光电探测模块输出的电信号作为控制部分的调控依据），特征值作为探测数据进行处理分析（特征值为电信号，可以直接传回，也可以通过前述光发送机转化为电信号传回），如附图8所示为在C型聚磁环上设计反馈调节线圈193的示意图。

检测方法实施例

本例提出一种电流检测方法，其使用了前述实施例中的量子互感器，如附图9所示，包含以下步骤：

S1、将前端置于电网高压侧，将后端置于电网低压侧；

S2、从电网低压侧向电网高压侧传输供能激光；

S3、供能激光在电网高压侧被转化为高压侧电能，激励激光模块利用此电能通电并产生激励激光；

S4、固态自旋量子探头感知通电导体产生的磁场并在激励激光的作用下产生反馈荧光；

S5、对反馈荧光进行收集及分析计算得到待测量。

为便于理解，以附图10为例进行详述，一次环及电磁屏蔽室17的组合结构即为前端，将其置于电网高压侧，并通过绝缘子3进行支撑，通电导体5穿过一次环的内孔，后端2中的供能激光器发出830nm的供能激光，并通过传输线路4传输至电磁屏蔽室17，在其内，供能激光被光电池模块转化为电能，激励激光器通电产生532nm的激励激光，NV色心探头感知通电导体5产生的磁场并在激励激光的作用下产生反馈荧光，对反馈荧光进行计算处理可以得到通电导体内的电流大小。

考虑到电网高低压侧之间的电势差极大，不适宜在电网高压侧之间有电信号的传输，否则容易出现安全问题，基于此，在一些设计中，对前述电流检测方法中运用的电流互感器作进一步限定，即前端与后端之间无电信号的传输，示例性的，一种限制性的结构设计为，在前端不设计光电探测模块，反馈荧光直接通过光纤返回后端后进行处理；示例性的，另外一种限制性的结构设计为，在前端设计光电探测模块以及光发送机，反馈荧光通过光-电-光的转化过程最终以通信波段的光信号传输至低压侧进行处理。

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 (15)

1.一种量子互感器，包含前端、后端、绝缘子以及连接于前端与后端之间的传输线路，所述绝缘子包含用于安装传输线路的绝缘通道，其特征在于，所述后端包含供能激光模块以及处理单元，所述前端包含前端光路模块、光电池模块、激励激光模块以及若干固态自旋量子探头；

其中，所述供能激光模块用于输出供能激光，所述处理单元用于数据处理及分析；

其中，所述前端光路模块用于前端内各类光信号的调节及传输，所述光电池模块用于将供能激光转化为前端电能并为前端的用电器件供电，所述激励激光模块用于产生激励激光，所述固态自旋量子探头用于感知外界环境并在激励激光的作用下产生反馈荧光。

2.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，用于从激励激光模块向固态自旋量子探头传输激励激光的光路长度不大于5m。

3.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述供能激光的波长区间为800~1100nm。

4.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述前端还包含微波模块，所述微波模块用于输出作用于固态自旋量子探头的激励微波。

5.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述前端还包含光回收模块，所述光回收模块用于回收前端内的无用光信号并通过光电池模块将其转化为前端电能。

6.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述传输线路包含一光纤，在前端与后端二者之间传输的光信号均通过此光纤进行传输。

7.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述处理单元包含光电探测模块和主机，所述光电探测模块用于采集反馈荧光并转化为电信号输出，所述主机对光电探测模块输出的电信号进行处理分析。

8.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述处理单元包含光接收机以及主机，所述前端还包含光电探测模块以及光发送机，所述光电探测模块用于采集反馈荧光并转化为电信号输出，所述光发送机用于根据光电探测模块输出的电信号生成对应的调制光信号，所述光接收机用于接收并解调调制光信号，所述主机用于对光接收机解调输出的信号进行处理分析。

9.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述固态自旋量子探头具备2n个探测位，且所有探测位均匀分布在一虚拟圆周上。

10.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述前端还包含电磁屏蔽室，位于前端的部分或所有通电设备安装于电磁屏蔽室内，所述固态自旋量子探头位于电磁屏蔽室的外侧。

11.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述前端还包含磁屏蔽环，所述固态自旋量子探头位于磁屏蔽环内侧。

12.根据权利要求1所述的量子互感器，其特征在于，所述前端还包含聚磁器，所述固态自旋量子探头位于聚磁器的聚磁气隙内。

13.根据权利要求12所述的量子互感器，其特征在于，所述聚磁器上还配设有反馈调节线圈，所述光电池模块包含反馈电源单元，所述反馈调节线圈用于调控聚磁气隙内的磁场强度，所述反馈电源用于为反馈调节线圈供电以产生调节磁场。

14.一种电流检测方法，其特征在于，应用了如权利要求1-13任一项所述的量子互感器，包含以下步骤：

S1、将前端置于电网高压侧，将后端置于电网低压侧；

S2、从电网低压侧向电网高压侧传输供能激光；

S3、供能激光在电网高压侧被转化为高压侧电能，激励激光模块利用此电能通电并产生激励激光；

S4、固态自旋量子探头感知通电导体产生的磁场并在激励激光的作用下产生反馈荧光；

S5、对反馈荧光进行收集及分析计算得到待测量。

15.根据权利要求14所述的一种电流检测方法，其特征在于，检测过程中，前端与后端之间无电信号的传输。