CN116660603B - 基于激光供能的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，方案为一种基于激光供能的量子互感器，包含后端、前端、若干个量子探头以及光纤线路，所述光纤线路用于在后端和前端之间传输光信号，所述量子探头包含自旋色心以及微波天线；本方案不仅利用激光信号对高压侧的自旋色心进行激励，同时还将激光信号在高压侧转化为电能为微波模块供电，使得前后端之间无电信号的传输，提高了互感器的使用安全性。

Description

基于激光供能的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，具体涉及到一种基于激光供能的量子互感器及电流检测方法。

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。

近些年利用固态自旋色心进行传感测量的研究逐渐增多，如公开号为CN113804941A的中国专利公开了一种基于金刚石NV色心的光纤电流互感器以及测量方法，该互感器包括三种测量方法，即全光学测量法、非全光学测量法以及结合测量法，其中非全光学测量法利用微波和激光共同对NV色心进行激励（ODMR技术），通过ODMR法进行测量的结果更加精准，但是其实施过程中需要对探测前端的微波天线输送微波信号（电信号），而在实际中经常存在检测前端与后端之间不适宜存在电流线路的情况，如测量电网高压侧的导体内电流时，由于高低压侧的电势差过大，因而在电网高低压侧之间进行电信号的传输存在较大安全隐患。

基于此，本发明设计了一种基于激光供能的量子互感器及电流检测方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明目的在于提出一种量子互感器，其能够通过激光供能的方式为检测前端的微波模块供电，保证检测前后端之间无电信号的传输。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于激光供能的量子互感器，包含后端、前端、绝缘子以及连接于前端与后端之间的光纤线路，所述绝缘子包含用于安装光纤线路的绝缘通道，所述后端包含激光模块、光电探测模块以及主机，所述前端包含量子探头、微波模块、光电池模块以及光路模块；

其中，所述激光模块用于输出激光信号，所述光路模块用于前端内各类光信号的传输，所述光电池模块用于将部分激光信号转化为电能并为微波模块供电，所述微波模块用于产生微波信号，所述量子探头包含自旋色心以及微波天线，所述微波天线用于接收微波信号并产生作用于自旋色心的激励微波，所述自旋色心用于感知待测量并在激励微波和激光信号的双重激励下产生反馈荧光，所述光电探测模块用于接收反馈荧光并将其转化为电信号，所述主机用于分析处理电信号。

进一步的，所述激光模块输出的激光信号分为波长不同的两种激光，其中一种作为激励自旋色心的激励激光，另一种作为光电池模块转化电能的供能激光。

进一步的，所述激光模块输出的激光信号为一种波长的激光，该激光的一部分用于激励自旋色心，另一部分通过光电池模块转化为电能。

进一步的，所述光纤线路为一混合传输光纤，在前端与后端二者之间传输的光信号均通过此混合传输光纤进行传输。

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，所述无用光信号通过光电池模块转化为电能。

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，所述自旋色心位于电磁屏蔽室的外侧。

进一步的，所述量子探头具备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，所述前端还包含磁屏蔽环，所述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，所述量子探头位于聚磁器的聚磁气隙内。

一种电流检测方法，其应用了如前所述的量子互感器，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，将量子探头置于待测通电导体处；

S2、从电网低压侧向电网高压侧传输激光信号；

S3、在电网高压侧，一部分激光信号转化为电能并为微波模块供电以产生微波信号，微波天线接收微波信号并产生激励微波，量子探头感知通电导体产生的磁场并在激励微波和激光信号的双重激励下产生反馈荧光；

S4、在电网低压侧接收反馈荧光并将其转化为电信号，通过对电信号进行分析处理得到待测通电导体内的电流信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方案不仅利用激光信号对高压侧的自旋色心进行激励，同时还将激光信号在高压侧转化为电能为微波模块供电，使得前后端之间无电信号的传输，提高了互感器的使用安全性。

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为实施例一中量子互感器的结构示意图；

图2为实施例一中量子探头的结构示意图；

图3为实施例一中前端附近组成结构的示意图；

图4为实施例一中示例性系统设计图；

图5为实施例二中第一种示例性系统设计图；

图6为实施例二中第二种示例性系统设计图；

图7为实施例三中多量子探头的分布示意图；

图8为实施例三中前端的光路设计图；

图9为实施例四中光回收模块的示意图；

图10为实施例五中单量子探头的聚磁器结构示意图；

图11为实施例五中多量子探头的聚磁器结构示意图；

图12为实施例六中检测方法的流程图；

图13为实施例六中利用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。

以下实施例中，以NV色心作为自旋色心进行描述，但其并不限制自旋色心可以是其他色心，如硅空位色心、硼空位色心等。

实施例一

本实施例公开了一种基于激光供能的量子互感器，如附图1所示，包含一种基于激光供能的量子互感器，包含后端1、前端、绝缘子7以及连接于前端与后端之间的光纤线路4，绝缘子7包含用于安装光纤线路4的绝缘通道，后端1包含激光模块11、光电探测模块12以及主机13，前端包含量子探头3和功能单元2，功能单元2包含微波模块21、光电池模块22以及光路模块23。

在本例中，激光模块11用于输出激光信号，且本例中激光信号为一种波长的激光，该激光的一部分用于激励NV色心，另一部分通过光电池模块转化为电能，示例性的，一些实现方式中，激光模块11为一532nm激光器，其输出的波长为532nm的激光信号既用于激励NV色心又用于转化电能。

在本例中，光路模块23用于前端2内各类光信号的传输，示例性的，一些实现方式中，光路模块23包含光纤接头、若干光纤、镜片等，其能够实现激光的接入或接出以及各类光信号的传输调节。

在本例中，光电池模块22用于将部分激光信号转化为电能并为微波模块供电，示例性的，一些实现方式中，光电池模块22至少由光电池以及DC-DC变换器组成，并至少为微波模块21供电（如若前端还有其他检测用电器件，光电池模块也应为其供电，如散热器件等）。

在本例中，微波模块21用于产生微波信号，示例性的，一种具体的方式中，微波模块21包含微波源、微波放大器以及微波开关。

在本例中，量子探头3包含NV色心以及微波天线，微波天线用于接收微波信号并产生作用于NV色心的激励微波，NV色心用于感知待测量并在激励微波和激光信号的双重激励下产生反馈荧光，示例性的，一种具体的方式中，如附图2所示，制作量子探头时，将含有NV色心的金刚石粒设在一传感光纤的一侧端部中间，再微波天线（还可以是其它能够释放微波的输出结构，如微带天线等）设在NV色心附近。

在本例中，光电探测模块12用于接收反馈荧光并将其转化为电信号，主机13用于分析处理电信号以得到待测量（当然，也可利用主机13对激光模块11进行启动调节等控制）。

为便于理解，示例性的，此处提出一种量子互感器的系统设计，其主要应用于电流检测，如附图4所示，后端1包含第一激光器111、光电探测模块12以及主机13，光电探测模块12包含光电二极管121、滤波片122以及近端双色片123，前端2包含微波模块21、光电池模块22以及光路模块23，光路模块23包含若干光纤耦合器231以及一个一分二分光器232，光纤线路4为一混合传输光纤（优选为多模光纤），其通过一光纤耦合器231与一分二分光器232的总线连接，一分二分光器232的一分线连通量子探头3，另一分线连通光电池模块22；

具体工作时，第一激光器111产生532nm的激光信号，该激光信号穿过近端双色片123进入混合传输光纤进行传输，532nm的激光信号通过一分二分光器232进行分光（分光比例不定，可以根据需求选择不同分光比例的分光器），其中一束532nm激光对NV色心进行激励（在一些图示未示出的方案中，可以在激励激光的光路中设计一光强调节器，其用于将激励NV色心的激光强度调制合适区间，以避免光强过强导致NV色心升温产生温漂的问题，也可避免光强过弱导致自旋极化不充分的问题），另一束激光在光电池模块22处转化为电能，并为微波模块21供电，微波模块21产生微波信号并通过微波天线输出微波对NV色心进行同步激励，NV色心感知待测通电导体产生的磁场，并在激励下产生反馈荧光，反馈荧光沿着原光路返回，在近端双色片123处经反射照射滤波片122，经其滤除杂散光后被光电二极管12采集转化为电信号，主机13对电信号进行分析并得到电流值。

另，可以预知的是，前述实施例中的量子互感器还可以是温度互感器、磁场互感器、压力互感器等。

考虑到前端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，在一些另外的实施例中，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，NV色心位于电磁屏蔽室的外侧，示例性的，一种具体的方式中，如图3所示，量子互感器还包含一次环6和电磁屏蔽室5，功能单元2安装于电磁屏蔽室5内，量子探头3安装于一次环6内，一次环6的内孔为待检测通道，使用时，需将待测物置于其内。

注意的是，为避免尖端放电等问题，电磁屏蔽室5的各个转角处应做成光滑曲面，还应做好防水防尘设计。

在本例中，量子互感器包含绝缘子7，绝缘子内设用于安装光纤线路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，作为一种优选，绝缘子7为固体，其材质可为陶瓷、玻璃或复合材料等，示例性的，一种安装方式为，如图1所示直接设在一次环6和电磁屏蔽室5的底端，除了绝缘作用，其还起到支撑一次环6和电磁屏蔽室5的作用。

实施例二

本例与实施例一有以下不同：激光模块11输出的激光信号分为波长不同的两种激光，其中一种作为激励NV色心的激励激光，另一种作为光电池模块转化电能的供能激光，示例性的，一些可实现方式中，激光模块包含第一激光器111和第二激光器112，第一激光器111用于输出波长为532nm的激光信号，此激光信号用于激励NV色心，第二激光器112输出的激光信号的波长取值区间为300nm~1100nm，本例优选为850nm，此激光信号用于转化为电能。

为便于理解，示例性的，此处提出一种量子互感器的系统设计，其主要应用于电流检测，其特点在于供能激光和激励激光沿着不同光纤进行传输，具体的，如附图5所示，后端1包含第一激光器111、第二激光器112、光电探测模块12以及主机13，光电探测模块12包含光电二极管121、滤波片122以及近端双色片123，前端2包含微波模块21、光电池模块22以及光路模块23，光路模块23包含若干光纤耦合器231，光纤线路4包含第一光纤41和第二光纤42，第一光纤41的远端通过光纤耦合器231连通量子探头3，第二光纤42的远端通过光纤耦合器231连通光电池模块22；

具体工作时，第一激光器111产生532nm激光，该激光信号穿过近端双色片123进入第一光纤41进行传输，532nm激光对NV色心进行激励，第二激光器112输出的850nm激光通过第二光纤42进行传输并在光电池模块22处转化为电能，该电能为微波模块21供电，微波模块21产生微波信号并通过微波天线输出微波对NV色心进行同步激励，NV色心感知待测通电导体产生的磁场并在激励下产生反馈荧光，反馈荧光沿着第一光纤41返回，在近端双色片123处经反射照射滤波片122，再经其滤除杂散光后被光电二极管12采集转化为电信号，主机13对电信号进行分析并得到电流值。

示例性的，此处提出一种量子互感器的另一系统设计，其特点在于供能激光和激励激光沿着同一光纤进行传输，具体的，如附图6所示，后端1包含第一激光器111、第二激光器112、光电探测模块12以及主机13，光电探测模块12包含光电二极管121以及滤波片122，前端2包含微波模块21、光电池模块22以及光路模块23，光路模块23包含若干光纤耦合器231以及远端双色片233，光纤线路4为一混合传输光纤，该混合传输光纤靠近后端1的一端连接有近端环形器44（三接口环形器），近端环形器44的另外两个接口分别连接光电探测模块12和一合波器43，混合传输光纤靠近前端2的一端连接有远端环形器45，远端环形器45的另外两个接口分别连接远端双色片233的反射接口和一分波器46的主线，该分波器46的另外俩分线接口分别连接远端双色片233的透射接口和光电池模块22；

具体工作时，第一激光器111产生532nm激光以及第二激光器112输出的850nm激光在合波器43处进行合束，合束后的激光通过近端环形器44进入光纤线路4进行传输，合束后的激光经过远端环形器45导入分波器46处重新分开，分开后的532nm激光穿过远端双色片233后激励NV色心，850nm激光在光电池模块22处转化为电能，该电能为微波模块21供电，微波模块21产生微波信号并通过微波天线输出微波对NV色心进行同步激励，NV色心感知待测通电导体产生的磁场并在激励下产生反馈荧光，反馈荧光原路返回，在远端双色片233处经反射后进入远端环形器45，反馈荧光经远端环形器45导入光纤线路4进行传输，并通过近端环形器44导入光电探测模块12，滤波片122滤除其杂散光后由光电二极管12采集转化为电信号，主机13对电信号进行分析并得到电流值。

实施例三

本例提出一种量子互感器，其运用了多个量子探头进行电流测量，作为改进，要求量子探头具备2n个探测位，且所有探测位均匀分布在一虚拟圆周上，示例性的，如附图7所示，使用的量子探头包含4个NV色心（每个NV色心对应一个探测位），4个NV色心均分布在一虚拟圆周上（当然，也包含近似在一虚拟圆周的情况），在一些示例中，该虚拟圆周与前述一次环6同心，相邻NV色心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），此种布局方式适用于使用环路积分法进行数据计算的情况。

关于多个量子探头，需要对其进行光路设计，示例性的，本例此处提出一种前端的光路设计，如附图8所示，前端包含微波模块21、光电池模块22以及光路模块，光路模块包含多个光纤耦合器231以及多路分光器234，该多路分光器234能分出的光路数量与量子探头3的数量一致，微波模块21包含一微波分束器，其能分束的数量也与量子探头3的数量一致，具体使用时，经光纤线路4传输来的供能激光经一光纤耦合器231连接光电池模块22的输入端，激励激光经另一光纤耦合器231连接多路分光器234，多路分光器234将激励激光均分（或近似均分）为多束后分别连接量子探头3，对其进行激励，同样的，微波信号也在微波分束器处被分为多束，并对每个量子探头3内的微波天线进行刺激以产生微波，NV色心在微波和激光信号的双重激励下产生反馈荧光，多路反馈荧光汇聚后沿着原光路传输至低压侧（也可对每路反馈荧光单独采集）。

关于多个量子探头的安装，可参见附图3，在一次环6内设有一支撑架10，其结构可为圆环状并与一次环同心设置，多个量子探头通过支撑架10进行固定安装。

实施例四

基于前述实施例，本实施作进一步改进，本例中量子互感器还包含光回收模块，光回收模块用于回收量子传感前端内的无用光信号，并通过光电池模块将无用光信号转化为电能。

考虑到前端内部主要的光损耗实在量子探头3处，因而主要考虑回收量子探头3处浪费的光信号，示例性的，本例此处提出一种前端的光回收模块的设计，如附图9所示，光回收模块设在量子探头的近处，光回收模块包含聚焦镜组和光纤耦合器，聚焦镜组用于收集量子探头处产生的反射荧光并将其汇聚成束，该成束的激光成为回收激光，通过光纤耦合器将该回收激光耦合进入一光纤内进行传输，回收激光通过光纤导入光电池模块用以发电。

本例光回收模块的设计能够减少光能的损耗，尤其是多探头的量子互感器，因为探头数量的增加，导致较多光能被浪费，光回收模块的设计能很好改善此问题。

实施例五

考虑到将量子互感器用于磁场检测时，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、在前端设计磁屏蔽环9，量子探头3位于磁屏蔽环9内侧，该设计可以有效减少外界磁场对测量结果的影响，提高测量精确度，示例性的，参见附图3，磁屏蔽环9同心安装于一次环6内。

其二、在前端设计聚磁器14，量子探头3位于聚磁器14的聚磁气隙内，针对单个量子探头的情况，示例性，一种具体的结构设计为，如附图10所示，聚磁器14为一C型环，其含一缺口（聚磁气隙）；针对多个量子探头情况，示例性，一种具体的结构设计为，聚磁器14包含若干弧形部分，当所有弧形部分呈环形分布时，其存在与量子探头数量相等且位置一致的缺口（聚磁气隙），如附图11所示为4组量子探头3时的聚磁器14结构设计。

本例作如此改进的原因在于，聚磁器能够放大通电导体产生的磁场，而不放大外界干扰磁场，因而测得的混合磁场中外界干扰磁场的占比极小，基本可忽略，从而实现提高设备检测精度的效果。

实施例六

如附图12所示，本例介绍一种电流检测方法，其应用了如前所述的量子互感器，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，将量子探头置于待测通电导体处；

S2、从电网低压侧向电网高压侧传输激光信号 ，示例性的，一种具体的方式为，此激光信号仅为532nm激光，另外一种示例中，激光信号分为532nm和850nm两种波长的激光；

S3、在电网高压侧，一部分激光信号转化为电能并为微波模块供电以产生微波信号，微波天线接收微波信号并产生激励微波，量子探头感知通电导体产生的磁场并在激励微波和激光信号的双重激励下产生反馈荧光，示例性的，一种具体的方式为，使得532nm激光既激励NV色心以产生反射荧光，又转化为电能为微波模块供电，另外一种示例中，利用532nm激光激励NV色心，利用850nm激光转化电能为微波模块供电；

S4、在电网低压侧接收反馈荧光并将其转化为电信号，通过对电信号进行分析处理得到待测通电导体内的电流信息，示例性的，一种具体的方式为，利用电信号绘制ODMR谱线，通过谱线中特征点的数值可进行磁场计算，再利用毕奥萨伐尔定律利用即可求解电流大小。

便于理解，以附图13为例进行详述，一次环6及电磁屏蔽室5的组合结构即为前端，将其置于电网高压侧，通过绝缘子7进行绝缘和支撑，通电导体8穿过一次环6的内孔，后端1中的激光模块1发出532nm激励激光以及850nm供能激光，并通过光纤线路4传输至电磁屏蔽室5，在其内，850nm的供能激光被光电池模块转化为电能使用，量子探头3感知通电导体8产生的磁场并在激励下（微波与激光的双重激励）产生反馈荧光，反馈荧光沿着光纤线路4传输至后端1被光电二极管收集转化为电信号，再通过主机对电信号进行分析计算可以得到通电导体8外侧磁场大小，进而通过磁场大小计算出通电导体8内电流大小。

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)

1.一种基于激光供能的量子互感器，其特征在于，包含后端、前端、绝缘子以及连接于前端与后端之间的光纤线路，所述绝缘子包含用于安装光纤线路的绝缘通道，所述后端包含激光模块、光电探测模块以及主机，所述前端包含量子探头、微波模块、光电池模块以及光路模块，工作时，所述前端安装于电网高压侧，所述后端安装于电网低压侧；

其中，所述激光模块用于输出激光信号，所述光路模块用于前端内各类光信号的传输，所述光电池模块用于将部分激光信号转化为电能并为微波模块供电，所述微波模块用于产生微波信号，所述量子探头包含自旋色心以及微波天线，所述微波天线用于接收微波信号并产生作用于自旋色心的激励微波，所述自旋色心用于感知待测量并在激励微波和激光信号的双重激励下产生反馈荧光，所述光电探测模块用于接收反馈荧光并将其转化为电信号，所述主机用于分析处理电信号，

其中，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，所述自旋色心位于电磁屏蔽室的外侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光供能的量子互感器，其特征在于，所述激光模块输出的激光信号分为波长不同的两种激光，其中一种作为激励自旋色心的激励激光，另一种作为光电池模块转化电能的供能激光。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光供能的量子互感器，其特征在于，所述激光模块输出的激光信号为一种波长的激光，该激光的一部分用于激励自旋色心，另一部分通过光电池模块转化为电能。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光供能的量子互感器，其特征在于，所述光纤线路为一混合传输光纤，在前端与后端二者之间传输的光信号均通过此混合传输光纤进行传输。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光供能的量子互感器，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，所述无用光信号通过光电池模块转化为电能。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光供能的量子互感器，其特征在于，所述量子探头具备2n个探测位，且所有探测位均匀分布在一虚拟圆周上。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于激光供能的量子互感器，其特征在于，所述前端还包含磁屏蔽环，所述量子探头位于磁屏蔽环内侧。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于激光供能的量子互感器，其特征在于，所述前端还包含聚磁器，所述量子探头位于聚磁器的聚磁气隙内。

9.一种电流检测方法，其特征在于，应用了如权利要求1-8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，将量子探头置于待测通电导体处；

S2、从电网低压侧向电网高压侧传输激光信号；

S3、在电网高压侧，一部分激光信号转化为电能并为微波模块供电以产生微波信号，微波天线接收微波信号并产生激励微波，量子探头感知通电导体产生的磁场并在激励微波和激光信号的双重激励下产生反馈荧光；

S4、在电网低压侧接收反馈荧光并将其转化为电信号，通过对电信号进行分析处理得到待测通电导体内的电流信息。