CN117074761A - 一种基于固态自旋体系的电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固态自旋体系的电流传感器。电流传感器包括四路探头和数据处理单元。每路探头包括：磁敏感单元、微波单元、光学单元、两个光探测单元、锁相放大器。光学单元包括激光发生器、将激光发生器发出的激光分成主路和参考路两路光路激光的透镜组。磁敏感单元包括包含四个主轴方向上的NV色心的金刚石样品。微波单元包括波源、辐射结构、波导结构、波源控制系统。两个光探测单元分别将参考路上的激光、荧光带来的光信号转换成相应的电信号，供锁相放大器进行解调。本发明通过修改微波频率实现四轴闭环测量，并且四轴的方向由金刚石单晶的晶向决定，与由三个TMR磁传感器构成的三轴TMR磁传感器相比有更好的稳定性和正交度。
Description
技术领域
本发明涉及电流测量技术领域中的一种电流传感器，尤其涉及一种基于固态自旋体系的电流传感器。
背景技术
电流是七大基本物理量之一，对电流测量的需求遍布科学研究，生产生活的各个方面，目前的电流传感器按原理主要可以分为两类。第一类是基于电流欧姆定律的分流器，此类传感器可以达到较高的精度和灵敏度，但是此类传感器会引入能量损耗，这使其无法被应用于长期电流监测、束流测量等应用场景。且在小电流测量的场景中，此类传感器存在动态范围不足的问题，使其难以被应用于量值传递等应用场景。
第二类电流传感器是基于对电流所产生的磁场进行测量的电流传感器，它们包括传统互感器、零磁通互感器、光纤式互感器、磁传感器阵列、罗氏线圈等。这些电流传感器各自存在缺陷：传统互感器和罗氏线圈只能用于交流电测量，零磁通互感器具有安装复杂的问题，光纤式互感器的灵敏度较低，复杂的光路结构限制了它的可靠性，使用的保偏光纤和保圆光纤拉高了它的成本。基于磁传感器阵列的电流传感器与前面几种相比具有更好的灵活性，能够实现非接触式的电流测量，但是目前其技术不成熟，导致其对外界干扰的抵抗能力不足，测量大电流时的准确度和测量小电流时的灵敏度均需要提升。有开口的罗氏线圈现在通常被应用于电流互感器的在线校准，但是开口罗氏线圈存在便携性不足，对安装精度需求高以及只能测量交流电流的问题，这使目前在线校准技术只能被应用于交流电，且在校准的过程中需要人工带电操作，具有危险性。开口罗氏线圈的缺陷使得线校准过程中，量值传递的准确度，泛用性，灵活性均有所不足。
综上所述，现有的电流传感器有如下缺陷：第一，在线校准技术无法校准直流电流信号，且带电操作过程存在安全风险。第二，对于小电流的非接触测量灵敏度不足。第三，目前高压直流电的主流电流传感器存在成本高且结构复杂可靠性较低的问题。第四，基于大电阻分流器的小电流测量动态范围不足问题。
如文献一：“Crosstalk Analysis and Current MeasurementCorrection inCircular3D MagneticSensors Arrays”采用三轴TMR磁传感器，实现对电流测量的同时排除安装误差，临边电流等对测量结果产生的影响。该技术采用的三轴隧道磁阻(TMR)磁传感器，无法实现对三轴同时的闭环测量，导致其量程被限制在百安量级，准确度只能控制在1％以内。
再如文献二：“A FluxGate based approach for Ion Beam currentmeasurementin Electron Cyclotron Resonance Ionsources beamline”利用磁通门磁传感器，配合特殊的磁通聚集系统，实现对小电流的测量。磁通门磁传感器存在磁敏感单元尺寸难以小型化的问题，在使用磁通门磁传感器测量小电流的过程中，虽然使用了一种特殊设计的磁通聚集器，但是其仍然无法实现对1微安及以下的电流进行测量。
又如文献三：“Current sensor based on diamond nitrogen-vacancy colorcenter”利用NV色心系综磁力计，配合特殊的磁通聚集系统，对五股长为10m的导线进行测量，实现对1A-10A量级电流的测量。该磁通聚集系统的无法得到优于其他体系的电流传感器的灵敏度，并且该工作没有体现出对外界干扰的抵抗能力，且其结构灵活性不足，这使其难以被应用于实际场景。
发明内容
一方面为了解决当前在线校准技术的不足；另一方面为了解决非接触式小电流传感器的挑战，本发明提供一种基于固态自旋体系的电流传感器。
本发明采用以下技术方案实现：一种基于固态自旋体系的电流传感器，其包括：
四路探头，其布置在待测对象四周，用于对所述待测对象进行四轴磁测量以得到十六个共振微波频率；每路探头包括：磁敏感单元、微波单元、光学单元、两个光探测单元、锁相放大器；光学单元包括激光发生器、用于将激光发生器发出的激光分成主路和参考路两路光路激光的透镜组；磁敏感单元包括包含四个主轴方向上的NV色心的金刚石样品；微波单元包括波源、辐射结构、波导结构、波源控制系统；磁敏感单元安放在辐射结构的中心，所述波源控制系统控制波源调制出四路微波对所述金刚石样品的四个主轴方向上的NV色心进行分别操控，在所述四路微波保持与相应的主轴方向上的NV色心处于共振状态下，在主路上的激光照射下相应NV色心发出荧光；波导结构用于收集所述荧光，两个光探测单元分别用于将所述参考路上的激光、所述荧光带来的光信号转换成相应的电信号；锁相放大器用于对两路电信号进行解调，并对解调结果进行PID处理，得到四个主轴方向上的NV色心的四个共振微波频率；所述波源控制系统还用于根据所述微波频率在调制所述四路微波的同时实现对所述微波频率的闭环负反馈；
数据处理单元，其用于对十六个共振微波频率进行反解得到所述待测对象的电流大小。
作为上述方案的进一步改进，所述四路探头排布成阵列，所述待测对象从所述阵列中间穿过。
作为上述方案的进一步改进，激光发生器为激光二极管或激光器。
作为上述方案的进一步改进，透镜组包括分光透镜、聚焦透镜；分光透镜分光所述激光形成所述主路和所述参考路光路激光；聚焦透镜将所述主路的激光聚焦到磁敏感单元上。
进一步地，透镜组还包括两个半波片，两个半波片均位于所述主路上且分别位于分光透镜的前、后方。
作为上述方案的进一步改进，所述光学单元还包括位于所述主路上且位于波导结构和光探测单元二之间的滤光片。
作为上述方案的进一步改进，每个光探测单元采用激光二极管。
作为上述方案的进一步改进，所述微波单元还包括功率放大器，波源调制出的四路微波经由功率放大器功率放大后才对所述金刚石样品的四个主轴方向上的NV色心进行操控。
本发明还提供另一种基于固态自旋体系的电流传感器，其包括：
增益单元，其为聚磁环，用于在待测对象以线圈的形式环绕环状增益单元上时或以直导线/束流形式从所述增益单元中穿过时，实现对所述待测对象的高灵敏度电流测量；
探头，其夹持在所述增益单元中，所述探头包括：磁敏感单元、微波单元、光学单元、波导结构、两个光探测单元、锁相放大器；磁敏感单元包括包含四个主轴方向上的NV色心的金刚石样品；光学单元包括激光发生器、用于将激光发生器发出的激光分成主路和参考路两路光路激光的透镜组；微波单元包括波源、辐射结构、波源控制系统；磁敏感单元安放在辐射结构的中心，所述波源控制系统控制波源调制出至少一路微波对所述金刚石样品的至少一个主轴方向上的NV色心进行操控，在所述微波保持与相应的主轴方向上的NV色心处于共振状态下，在主路上的激光照射下相应NV色心发出荧光；波导结构用于收集所述荧光；两个光探测单元分别用于将所述参考路上的激光、所述荧光带来的光信号转换成相应的电信号；锁相放大器用于对两路电信号进行解调，并对解调结果进行PID处理，得到至少一个主轴方向上的NV色心的共振微波频率；所述波源控制系统还用于根据所述微波频率在调制所述微波的同时实现对所述微波频率的闭环负反馈；
数据处理单元，其用于对四个共振微波频率进行反解得到所述待测对象的电流大小。
作为上述方案的进一步改进，激光发生器为激光二极管或激光器。
作为上述方案的进一步改进，透镜组包括分光透镜、聚焦透镜；分光透镜分光所述激光形成所述主路和所述参考路光路激光；聚焦透镜将所述主路的激光聚焦到磁敏感单元上。
进一步地，透镜组还包括两个半波片，两个半波片均位于所述主路上且分别位于分光透镜的前、后方。
作为上述方案的进一步改进，所述光学单元还包括位于所述主路上且位于波导结构和光探测单元二之间的滤光片。
作为上述方案的进一步改进，每个光探测单元采用激光二极管。
作为上述方案的进一步改进，所述微波单元还包括功率放大器，波源调制出的四路微波经由功率放大器功率放大后才对所述金刚石样品的四个主轴方向上的NV色心进行操控。
本发明还提供又一种基于固态自旋体系的电流传感器，其包括：
增益单元，其为聚磁环，用于在待测对象以线圈的形式环绕环状增益单元上时或以直导线/束流形式从所述增益单元中穿过时，实现对所述待测对象的高灵敏度电流测量；
探头，其夹持在所述增益单元中，所述探头包括：磁敏感单元、光学单元、两个光探测单元、波导结构、数据采集单元；磁敏感单元包括包含四个主轴方向上的NV色心的金刚石样品；光学单元包括激光发生器、用于将激光发生器发出的激光分成主路和参考路两路光路激光的透镜组，所述主路上的激光照射在四个主轴方向上的NV色心，使相应NV色心发出荧光；波导结构用于收集所述荧光；两个光探测单元分别用于将所述参考路上的激光、所述荧光带来的光信号转换成相应的电信号；数据采集单元包括数据采集卡，数据采集卡用于根据两路电信号进行差分处理；
数据处理单元，其用于对差分处理后的两路电信号进行反解得到所述待测对象的电流大小。
作为上述方案的进一步改进，激光发生器为激光二极管或激光器。
作为上述方案的进一步改进，透镜组包括分光透镜、聚焦透镜；分光透镜分光所述激光形成所述主路和所述参考路光路激光；聚焦透镜将所述主路的激光聚焦到磁敏感单元上。
进一步地，透镜组还包括两个半波片，两个半波片均位于所述主路上且分别位于分光透镜的前、后方。
作为上述方案的进一步改进，所述光学单元还包括位于所述主路上且位于波导结构和光探测单元二之间的滤光片。
作为上述方案的进一步改进，每个光探测单元采用激光二极管。
与背景技术的三个文献的现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
(1)相对于文献一：与该技术相比，本发明可以通过修改微波频率的方法实现四轴闭环测量，并且四轴的方向由金刚石单晶的晶向决定，与由三个TMR磁传感器构成的三轴TMR磁传感器相比有更好的稳定性和正交度，综上所述，基于金刚石NV色心体系可以搭建出有更大量程且准确度更高的非接触式电流传感器，被用于互感器在线校准等工作中。
(2)相对于文献二：与该技术相比，金刚石NV色心体系的载体为金刚石单晶，可以加工到远小于其他磁传感器的尺寸，因此能够被用来实现对更小的电流的非接触式测量。未来金刚石磁传感器能够实现高度集成化，借以实现低能耗且简洁的电流传感器，有望被应用于高压电流的在线监测。
(3)相对于文献三：与该技术相比，本发明采用多个矢量磁力计的结构来抑制安装误差，临边电流，外磁场干扰等环境因素对测量结果的影响。通过采用不同的聚磁环结构并改用线圈施加待测电流，使电流传感器能够实现远高于基于现有其他体系的电流传感灵敏度。如果采用全光磁力计搭建电流传感器，则可搭建出低能耗且结构较简单的电流传感器，有望被应用于高压电流的在线监测。
因此，本发明的基于以NV色心为代表的基于固态自旋体系的新型非接触式电流传感器，一方面可以解决当前在线校准技术的不足；另一方面也能解决非接触式小电流传感器的挑战。
与现有技术相比，本发明的基于固态自旋体系的电流传感器具备如下有益效果：
(1)非接触式测量：本发明在进行电流的过程中，传感器与待测电流无需接触，可以搭建出更利于拆装的电流传感器，也能在小电流测量领域应用于对离子束电流等无法使用电阻测量的情形。
(2)高灵敏度：在本发明使用聚磁环的方案中，因为可以实现尺寸更小的敏感单元，所以和其他磁传感器相比能使用气隙更小的聚磁环，可以减小磁通损失，漏磁以及开口杂散场的影响，能够实现更高的电流测量灵敏度，可以被应用于小微离子束流的测量以及量子电流的量值传递等应用。
(3)低成本：本发明的低成本方案通过利用固态自旋的光学特性，取消了通常固态自旋磁测量方法所需的微波器件，同时和光纤式互感器相比，本发明不需要使用昂贵的保偏光纤和保圆光纤，成本低廉，维护费用低。
相比之下，根据现有的技术并不能轻易得到本发明的技术方案，因为本发明的具体特征包括：本发明利用了金刚石单晶稳定的晶格结构以及基于塞曼效应的磁测量方法的特点开发出的多轴闭环磁传感器搭建电流传感器，可以同时实现易于拆装和较大的动态范围。同时，利用金刚石单晶可以实现小型化磁敏感单元的特点，配合特别设计的聚磁环，可以实现对小电流的高灵敏度测量，实现对一微安以下的电流的非接触式测量。通过全光磁测量的方法减小了微波等模块的供能需求，有望解决目前的光纤式互感器可靠性低且成本高昂的问题。
附图说明
图1为本发明的实施例1提供的基于固态自旋体系的电流传感器的应用场景示意图。
图2为图1中电流传感器使用的频率调制原理图。
图3为本发明的实施例2提供的基于固态自旋体系的电流传感器的应用场景示意图。
图4为本发明的实施例3提供的基于固态自旋体系的电流传感器的应用场景示意图。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，其为本发明的实施例1提供的基于固态自旋体系的电流传感器的应用场景示意图。电流传感器可以用于对微安量级及以下的小电流进行非接触测量，电流传感器包括：四路探头20、数据处理单元(其安装在上位机11上，在其他实施例中，也可以安装在手机、平板电脑、iPAD等智能终端上)。
四路探头20布置在待测对象100的四周，用于对待测对象100进行四轴磁测量以得到十六个共振微波频率。测量时，四路探头20可以排布成阵列，待测对象100从阵列中间穿过。当然也可以四路探头20位于待测对象100的同一侧，如图1中虚线表示的待测对象。
每路探头包括磁敏感单元1、微波单元、光学单元、两个光探测单元(如光探测单元一5、光探测单元二6)、锁相放大器10，还可包括功率放大器。
磁敏感单元1包括包含四个主轴方向上的NV色心的金刚石样品。NV色心指金刚石氮-空位色心(Nitrogen-VacancyCenter，NVCenter)，是金刚石中的一种点缺陷，其基态能级对磁场敏感性使其被应用于磁场测量领域。同时，它具有能在室温大气环境下工作的优势。并且因为金刚石晶格结构的稳定性，该体系在鲁棒性等方面具有潜力。
可以利用镀膜工艺给敏感单元1增加表面处理结构，表面处理结构可以是金属膜例如金膜、银膜、或者铝膜，可以再结合一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝保护膜进一步保护表面处理结构的稳定性。
金刚石NV色心体系作为一个固态自旋体系，具有稳定的晶格结构，和其他的磁传感器相比可以在矢量磁测量时得到更好的正交度以及较高的灵敏度。并且，与其他基于多个磁传感器的矢量磁传感器不同，其测量的磁场方向是源自于晶体中固定的四个晶向，有更好的稳定性。通过对多个点矢量场的分析，可以把电流产生的磁场与外磁场及安装误差等因素解耦，从而实现对电流更加精确的测量。同时它基于塞曼分裂的磁测量原理，使其能够通过调整微波频率的方式实现对电流的闭环测量。同时，因为该体系还能够实现更小的磁敏感单元，在使用磁芯的情况下减少开口对磁通聚集的负面影响，实现更高的放大倍数和电流测量灵敏度。同时，基于金刚石NV色心的全光磁测量技术可以进一步降低微波场、偏置场施加所需的高功耗，且结构更简单，因此是有潜力被应用于高压电流的在线监测的。
光学单元包括激光发生器7、用于将激光发生器7发出的激光分成主路和参考路两路光路激光的透镜组8。激光发生器7可以是激光二极管或激光器，提供激发NV色心所需要的激光。透镜组8可包括分光透镜81、聚焦透镜82，还可包括两个半波片80。分光透镜81分光所述激光形成所述主路和所述参考路光路激光，聚焦透镜82将所述主路的激光聚焦到磁敏感单元1上。磁敏感单元1安放在辐射结构2的中心，两个半波片80均位于所述主路上且分别位于分光透镜81的前、后方。
微波单元包括波源9、辐射结构2、波导结构3、波源控制系统。安放在辐射结构2中心的磁敏感单元1，由波源9产生的四路微波信号分别操控四个主轴方向的NV色心。磁敏感单元1中的电子自旋在基态与激发态之间跃迁，发出强度与体系自旋布居度相关的荧光信号。在其他实施例中，微波单元可包括含振荡器、辐射结构单元、可选的数字信号合成单元、可选的功率放大单元；同时，可采用微波频率闭环测量的方法增加可测量电流的动态范围。
所述波源控制系统控制波源9调制出四路微波对所述金刚石样品的四个主轴方向上的NV色心进行分别操控(激发基态能级处于±1态上的电子，增加测量的对比度和环境适应性)，在所述四路微波保持与相应的主轴方向上的NV色心处于共振状态下，在主路上的激光照射下相应NV色心发出荧光。波导结构3用于收集所述荧光，波导结构3可以是抛物面透镜。
滤光片4位于所述主路上且位于波导结构3和光探测单元二6之间，用于波导结构3收集的荧光进行过滤，过滤掉光噪声。两个光探测单元分别用于将所述参考路上的激光、所述荧光带来的光信号转换成相应的电信号，可以采用光电二极管。光电二极管可以把荧光信号转化为电信号，通过施加偏置电压可以使其能够输出更大的饱和电流。
锁相放大器10用于对两路电信号进行解调，并对解调结果进行PID处理，得到四个主轴方向上的NV色心的四个共振微波频率。所述波源控制系统还用于根据所述微波频率在调制所述四路微波的同时实现对所述微波频率的闭环负反馈。在其他实施例中，锁相放大器10可集成波源控制系统，可以在调制四路微波的同时实现对微波频率的闭环负反馈。一路探头产生四个共振微波频率，电流传感器有四路探头，因此共计产生十六个共振微波频率。
数据处理单元用于对十六个共振微波频率进行反解得到所述待测对象的电流大小。数据处理单元可采用神经网络来优化，如上位机11可使用训练后的神经网络对传感器测得数据进行解析，可以提高电流测量的准确度以及对外界干扰的抵抗能力。本发明可以采用光纤光激发、荧光采集和供能以完成电流传感器和上位机11隔离；同时还可以通过激发光调制或者磁场调制的方法，能够提高传感器的灵敏度以及抗干扰能力。
本实施例相对于其他类型的电流传感器而言，可以在保证非接触式测量，易于安装的同时实现对电流的闭环测量，拥有更大的动态范围与准确度。与经典的测量方法相比，量子精密测量利用量子系统对环境的敏感性实现对物理量的精确测量，在灵敏度等指标上具有突出优势。
金刚石样品石晶向为[110]，NV色心为一个氮原子和一个临近的空位组成，当NV色心带一个负电荷时，它的基态能级会形成一个三重态。其三重态的基态3E与第一激发态3A之间的能极差为1.945eV，对应零声子线是637nm。所以当用一束能量大于或等于1.945eV的激发光激发NV色心时，NV色心会电子被激发到激发态，而后电子会有极大概率退激发回到基态上，进而发出荧光光子，形成荧光。退激发的过程存在两种路径，第一种是直接辐射跃迁回到基态，并发出荧光光子，另一种的通过两个亚稳态经无辐射跃迁回基态。电子由这两种路径回基态的概率与其电子的状态有关，当电子处在激发态ms＝±1态上时，它会有更大的概率通过无辐射跃迁回到基态的ms＝0态，因此可以通过荧光的强度来判断此时电子在基态各能级的布居度。当给NV色心施加一个连续不断的共振微波时，电子在各能级的布居度会达到一个平衡值，此时电子从ms＝±1到ms＝0态的跃迁速率与ms＝0态到ms＝±1态的跃迁速率相同，布居度趋于稳定。若此时的外磁场发生变化，能级的变化会引入的偏共振会打破布居度的平衡，宏观上表现为荧光强度的变化。如图2所示，给微波加上一个频率调制，荧光则会加上一个与调制频率相同的调制信号，将其解调后能够得到的谱为荧光随微波频率变化的一阶微分谱。当操控微波与NV色心完全共振时，解调的结果为零，当存在一个偏共振时，解调的结果会有所变化，根据解调结果实时修改微波频率可以使操控微波总是处于共振状态，从而实现对磁场的闭环测量。由此本发明可以得到四组四个主轴上的十六个共振频率进行数据处理，得到待测电流的大小，同时排除外磁场，临边电流等因素的干扰。
本发明的电流传感器工作过程为：
(1)通过光学单元为所述的敏感单元提供激发光，使磁敏感单元中的电子自旋在基态与激发态之间跃迁，发出强度与体系自旋布居度相关的荧光信号；可选的光学单元的可以是驱动器加LD/LED或者激光器加上透镜组的形式；
(2)将敏感单元置于待测磁场中，保持偏置场、激发光强度、微波频率和微波功率不变；在待测磁场的作用下，敏感单元中自旋体系自旋布居度发生变化，发出的荧光信号参数随之发生变化，则所发出的荧光信号包含了待测磁场的频率以及磁感应强度等信息；
(3)上述包含待测磁场信息的荧光信号经所述探测单元转化成电信号，经模数转换器记录为数字信号，完成一次磁场测量；
(4)将磁场测量结果与电流传感器的参数进行处理，即可得到电流的大小，完成对电流的测量。
本发明的目的在于为解决大电流在线校准问题提出了多轴测磁传感器阵列方案，为解决小电流量值传递问题提出了磁通聚集方案，本发明的电流传感器具备以下几个技术特征：
1.利用金刚石单晶稳定的晶格结构实现的四轴磁测量，再由此种磁力计阵列搭建出能够排除安装误差与临边电流等干扰因素的电流传感器。
2.金刚石NV色心体系的敏感单元易于小型化的特点，结合磁通聚集方法，实现高灵敏度的电流测量。
3.利用多轴测磁的磁传感器阵列，可以更全面的检测各个点位的磁场信息，可以在测量电流大小的同时减小环境对测量结果的影响。
4.通过环状磁芯的磁通聚集效应将电流产生的磁场放大，同时对外磁场起到一定的屏蔽效果，实现对电流的高灵敏度测量。
5.利用金刚石NV色心系综样品的磁敏感光学特性，结合磁通聚集方法，可以搭建出低绝缘和供能需求的全光学电流传感器。
6.通过使用全光学磁测量技术，减少了磁传感器的能耗以及结构的复杂程度，可以用于对高压电流的测量。
本发明基于NV色心的精密测磁技术主要基于激发光来极化NV色心，并通过此时的荧光来读出NV色心基态的布居度，在微波场的操控之下，布居度会随随磁场的变化而变化，从而能得到外磁场的强度。
本发明主要用以下四个原理。
1、四轴矢量磁测量原理：金刚石NV色心磁力计的磁敏感单元是金刚石单晶样品，在一块样品中拥有四个不同的晶向，因此其中会存在四个不同主轴方向的NV色心。通过施加偏置场，可以保证四个主轴方向的NV色心的基态能级的共振频率各不相同。如果此时施加四路不同调制频率的共振微波同时对四个主轴的NV色心进行操控并同时靠荧光读出，就可以同时读出四个主轴方向上的磁场信息，从而实现矢量磁测量。
2、全光磁测量原理：在固态自旋体系中，当一个电子处于激发态时，它有两种方法回到基态。第一种是通过辐射跃迁直接回到基态，并发出荧光光子；第二种是通过无辐射跃迁经由亚稳态回到基态，期间不会发出荧光光子，电子从两条路径回到基态的概率与其能级状态有关，因此可以通过荧光来判断电子的状态。在无微波的状态下，当外磁场为零时，辐射跃迁的过程保持自旋状态不变；在有横向磁场时，自旋态发生交叠，这会导致电子有更大概率通过无辐射跃迁过程回到基态，宏观上体现为荧光强度下降。因此，在无微波情况下有横场分量时荧光下降，可以在磁场方向一定时测量磁场大小的变化。
3、磁通聚集原理：在电流测量的过程中，常用到高磁导率材料，如铁、钴、镍及其合金，或者铁氧体，制造的聚磁环使电流产生的待测磁场被放大。对基于磁传感器的电流传感器而言，增加聚磁环还能起到对外磁场的屏蔽作用，能够提升电流传感器的灵敏度和准确度。
4、多轴磁传感器阵列电流测量原理：电流会在其四周产生与电流大小呈正比的磁场，通过对距离电流特定位置的磁场进行测量能够实现对电流大小的测量。在待测电流四周设置数个多轴的磁传感器可以对该位置的多个方向的磁场信息进行采集，通过对这些位置的信息进行分析可以实现在测量电流大小的同时排除临边电流，装配误差等因素的影响。
实施例2
请参阅图3，其为本发明的实施例2提供的基于固态自旋体系的电流传感器的应用场景示意图。实施例2的电流传感器与实施例1的电流传感器基本相同，实施例2的电流传感器也能实现实施例1的电流传感器相同有益效果。区别在于，实施例2的电流传感器还包括增益单元13和功率放大器12，而且只需要一路探头足够，当然也可以设置更多的探头。
增益单元13为聚磁环，用于在待测对象100以线圈的形式环绕环状增益单元13上时或以直导线/束流形式从增益单元13中穿过时，实现对待测对象100的高灵敏度电流测量。聚磁环可以放大电流产生的磁场，同时起到一定的外磁场屏蔽效果。增益单元13可为高磁导率材料制造的环状结构，所述高磁导率材料可为铁、钴、镍及其合金，或者铁氧体。
如果设置更多的探头时，可以将探头磁敏感单元1安置在聚磁环的每一个开口中，由开口的两端夹持住金刚石样品的大面，需要施加经过特定偏置场保证金刚石样品各主轴方向的NV色心共振频率合理分离。
波源9调制出至少一路微波经由功率放大器12功率放大后才对所述金刚石样品的至少一个主轴方向上的NV色心进行操控。当然实施例1中也可以设置功率放大器12。锁相放大器10对两路电信号进行解调，并对解调结果进行PID处理，得到至少一个主轴方向上的NV色心的共振微波频率，波源控制系统根据所述微波频率在调制所述微波的同时实现对所述微波频率的闭环负反馈。
实施例2的电流传感器的敏感单元为含有NV色心的金刚石样品，被夹持在具有一个或多个缺口(每个缺口对应一个金刚石样品)的铁磁材料环状增益单元13上，待测对象100以线圈的形式环绕环状增益单元13或以直导线、束流等形式从增益单元13中穿过，可以实现对电流的高灵敏度测量，金刚石样品可以为任意晶向。
实施例3
请参阅图4，其为本发明的实施例3提供的基于固态自旋体系的电流传感器的应用场景示意图。实施例3的电流传感器与实施例2的电流传感器基本相同，实施例2的电流传感器也能实现实施例2的电流传感器相同有益效果。区别在于，实施例3的电流传感器没有设置微波单元和辐射结构2，也没有设置锁相放大器，但是设置了数据采集卡15也即数据采集系统，数据采集卡15用于根据两路电信号进行差分处理，数据处理单元对差分处理后的两路电信号进行反解得到所述待测对象的电流大小。
在无外磁场时，有激光照射的磁敏感单元1中电子的布居度趋于稳定，荧光强度维持不变；当有横向外磁场时，自旋态发生交叠，其有更大的概率通过非辐射跃迁返回基态，导致荧光光强下降，因此可以通过荧光下降的大小定量的测量外磁场大小。通过上位机11处理光探测单元传递的电信号获得排除外磁场和安装误差等因素影响的待测电流大小。
在本实施例中，若是需要对高压电流进行测量，可以把光学单元更换为激光器加光纤的组合。实施例相对于其他类型的电流传感器而言，拥有结构简单、低成本、低功耗、可全天候工作、灵敏度高的优点。
结合以上3个实施例可知，本发明的固态自旋电流传感器可以不需要完全准确的安装，利用四个主轴的NV色心测量得到的磁场信息，就可以对待测电流产生的磁场与干扰因素产生的等效磁场进行解耦，同时实现对待测电流的精准测量，增强电流传感器的抗干扰能力。
本发明的固态自旋电流传感器可以不采用任何微波器件，利用金刚石中的固态自旋在横向磁场存在的情况下，会发生自旋态交叠，从而导致电子通过无辐射跃迁回到基态的概率增加，从而使荧光降低的特性实现对待测电流的测量。本发明的固态自旋电流传感器可以利用增加反馈电流单元以保持磁敏感单元感受到的磁场始终为零，避免聚磁环磁导率非线性等因素对电流测量的影响，并增加可测量电流的动态范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，其包括：
四路探头，其布置在待测对象四周，用于对所述待测对象进行四轴磁测量以得到十六个共振微波频率；每路探头包括：磁敏感单元(1)、微波单元、光学单元、两个光探测单元、锁相放大器(10)；光学单元包括激光发生器(7)、用于将激光发生器(7)发出的激光分成主路和参考路两路光路激光的透镜组(8)；磁敏感单元(1)包括包含四个主轴方向上的NV色心的金刚石样品；微波单元包括波源(9)、辐射结构(2)、波导结构(3)、波源控制系统；磁敏感单元(1)安放在辐射结构(2)的中心，所述波源控制系统控制波源(9)调制出四路微波对所述金刚石样品的四个主轴方向上的NV色心进行分别操控，在所述四路微波保持与相应的主轴方向上的NV色心处于共振状态下，在主路上的激光照射下相应NV色心发出荧光；波导结构(3)用于收集所述荧光，两个光探测单元分别用于将所述参考路上的激光、所述荧光带来的光信号转换成相应的电信号；锁相放大器(10)用于对两路电信号进行解调，并对解调结果进行PID处理，得到四个主轴方向上的NV色心的四个共振微波频率；所述波源控制系统还用于根据所述微波频率在调制所述四路微波的同时实现对所述微波频率的闭环负反馈；
数据处理单元，其用于对十六个共振微波频率进行反解得到所述待测对象的电流大小。
2.如权利要求1所述的基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，所述四路探头排布成阵列，所述待测对象从所述阵列中间穿过。
3.一种基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，其包括：
增益单元，其为聚磁环，用于在待测对象以线圈的形式环绕环状增益单元上时或以直导线/束流形式从所述增益单元中穿过时，实现对所述待测对象的高灵敏度电流测量；
探头，其夹持在所述增益单元中，所述探头包括：磁敏感单元(1)、微波单元、光学单元、波导结构(3)、两个光探测单元、锁相放大器(10)；磁敏感单元(1)包括包含四个主轴方向上的NV色心的金刚石样品；光学单元包括激光发生器(7)、用于将激光发生器(7)发出的激光分成主路和参考路两路光路激光的透镜组(8)；微波单元包括波源(9)、辐射结构(2)、波源控制系统；磁敏感单元(1)安放在辐射结构(2)的中心，所述波源控制系统控制波源(9)调制出至少一路微波对所述金刚石样品的至少一个主轴方向上的NV色心进行操控，在所述微波保持与相应的主轴方向上的NV色心处于共振状态下，在主路上的激光照射下相应NV色心发出荧光；波导结构(3)用于收集所述荧光；两个光探测单元分别用于将所述参考路上的激光、所述荧光带来的光信号转换成相应的电信号；锁相放大器(10)用于对两路电信号进行解调，并对解调结果进行PID处理，得到至少一个主轴方向上的NV色心的共振微波频率；所述波源控制系统还用于根据所述微波频率在调制所述微波的同时实现对所述微波频率的闭环负反馈；
数据处理单元，其用于对所述共振微波频率进行反解得到所述待测对象的电流大小。
4.一种基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，其包括：
增益单元，其为聚磁环，用于在待测对象以线圈的形式环绕环状增益单元上时或以直导线/束流形式从所述增益单元中穿过时，实现对所述待测对象的高灵敏度电流测量；
探头，其夹持在所述增益单元中，所述探头包括：磁敏感单元(1)、光学单元、两个光探测单元、波导结构(3)、数据采集单元；磁敏感单元(1)包括包含四个主轴方向上的NV色心的金刚石样品；光学单元包括激光发生器(7)、用于将激光发生器(7)发出的激光分成主路和参考路两路光路激光的透镜组(8)，所述主路上的激光照射在四个主轴方向上的NV色心，使相应NV色心发出荧光；波导结构(3)用于收集所述荧光；两个光探测单元分别用于将所述参考路上的激光、所述荧光带来的光信号转换成相应的电信号；数据采集单元包括数据采集卡(15)，数据采集卡(15)用于根据两路电信号进行差分处理；
数据处理单元，其用于对差分处理后的两路电信号进行反解得到所述待测对象的电流大小。
5.如权利要求1或3或4所述的基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，激光发生器(7)为激光二极管或激光器。
6.如权利要求1或3或4所述的基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，透镜组(8)包括分光透镜(81)、聚焦透镜(82)；分光透镜(81)分光所述激光形成所述主路和所述参考路光路激光；聚焦透镜(82)将所述主路的激光聚焦到磁敏感单元(1)上。
7.如权利要求6所述的基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，透镜组(8)还包括两个半波片(80)，两个半波片(80)均位于所述主路上且分别位于分光透镜(81)的前、后方。
8.如权利要求1或3或4所述的基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，所述光学单元还包括位于所述主路上且位于波导结构(3)和光探测单元二之间的滤光片(4)。
9.如权利要求1或3或4所述的基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，每个光探测单元采用激光二极管。
10.如权利要求1或3所述的基于固态自旋体系的电流传感器，其特征在于，所述微波单元还包括功率放大器(12)，波源(9)调制的四路微波经由功率放大器(12)功率放大后才对所述金刚石样品的四个主轴方向上的NV色心进行操控。
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