CN117452051A - 一种金刚石nv色心电流测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种金刚石NV色心电流测量装置及测量方法，利用金刚石NV色心对于磁场的超高灵敏特性，能够通过测量电流导线中流过的待测电流所产生的磁场大小进行非接触式电流测量，其特征在于，包括NV色心探头，所述NV色心探头具有圆台透镜和位于圆台透镜小端的作为电流磁场敏感元件的NV色心金刚石，所述圆台透镜的大端依次通过导光圆柱透镜、第二准直透镜、二向色镜、聚焦透镜和滤光片连接光电探测器，所述光电探测器通过连接装置连接电学模块，所述二向色镜的原始激光入射侧依次通过第一准直透镜和反射镜连接激光器。

Description

一种金刚石NV色心电流测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及电流测量技术领域，特别是一种金刚石NV色心电流测量装置及测量方法。

背景技术

随着电动汽车和电磁驱动技术的不断发展，对于交流电和直流电的测量需求也在不断增加。传统的电流计需要参与到电路回路内，在很多应用领域中难以使用，通过电磁感应线圈的方式测量电流大小，虽然可以实现非接触式测量，但该方法只能测电流的变化，对于直流电流难以测得。为此，利用金刚石NV色心对于磁场的超高灵敏特性，通过磁场大小与探测距离的测量，即可用于交流电和直流电的测量。此外，金刚石NV色心电流测量技术，借助于金刚石NV色心可常温下工作、原子密度高等优势，有利于系统的小型化集成。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺陷或不足，提供一种金刚石NV色心电流测量装置及测量方法，利用金刚石NV色心对于磁场的超高灵敏特性，能够通过测量电流导线中流过的待测电流所产生的磁场大小进行非接触式电流测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种金刚石NV色心电流测量装置，其特征在于，包括NV色心探头，所述NV色心探头具有圆台透镜和位于圆台透镜小端的作为电流磁场敏感元件的NV色心金刚石，所述圆台透镜的大端依次通过导光圆柱透镜、第二准直透镜、二向色镜、聚焦透镜和滤光片连接光电探测器，所述光电探测器通过连接装置连接电学模块，所述二向色镜的原始激光入射侧依次通过第一准直透镜和反射镜连接激光器。

所述激光器发射的光源波长为532nm。

所述NV色心金刚石通过小孔进入电磁屏蔽结构并靠近位于其内的电流导线，所述电流导线中流过的待测电流所产生的磁场使NV色心出现相应的荧光变化。

所述电学模块根据所述光电探测器探测到的荧光变化确定磁场大小，并根据标定电磁转换关系进行数据处理得到所述电流导线上流过的电流。

所述待测电流为直流电流或交流电流。

所述激光器发射的光源作用在所述NV色心金刚石上并极化NV色心，所述NV色心金刚石产生的荧光依次通过圆台透镜、导光圆柱透镜、第二准直透镜、二向色镜、聚焦透镜和滤光片到达光电探测器，被转换为电信号并通过连接装置传至电学模块。

所述连接装置为电缆或光缆或蓝牙通信装置。

一种金刚石NV色心电流测量方法，其特征在于，采用上述一种金刚石NV色心电流测量装置。

包括以下步骤：

步骤A，通过上位机输出控制指令和产生激光及微波调制信号；

步骤B，通过输出控制及脉冲发生模块，传至激光二极管和微波传导天线，经过光学集成模组极化和操控NV色心；

步骤C，产生的荧光通过光学模块转换成调制电信号并进入电学模块完成解调；

步骤D，根据标定电磁转换关系进行数据处理得到对应通电导线电流值并输出结果。

包括以下步骤：

步骤1，控制信号输入；

步骤2，激光调制信号极化；

步骤3，微波调制信号操控；

步骤4，荧光信号检测转换；

步骤5，基于步骤1控制信号输入中的参考信号进行信号采集解调处理；

步骤6，利用电磁转换关系反推电流值；

步骤7，输出数据结果。

本发明的技术效果如下：本发明一种金刚石NV色心电流测量装置及测量方法，利用金刚石NV色心对于磁场的超高灵敏特性，能够通过测量电流导线中流过的待测电流所产生的磁场大小进行非接触式电流测量，既可用于交流电又可用于直流电，而且还能够借助于金刚石NV色心可常温下工作、原子密度高等优势，有利于实现系统的小型化集成。特别地，本发明通过设置电磁屏蔽结构，并使NV色心金刚石和被测电流导线均位于电磁屏蔽结构内，能够屏蔽外界电磁的可能干扰，有利于电流测量精密度的提高。

与现有技术相比，本方法具有以下优点：

(1)本发明的使用，可实现大电流的非接触式交流电与直流电测量，功耗低，成本低且更加安全可靠。

(2)本发明借助金刚石NV色心的超高灵敏、反应速度快、原子密度高等优势，可精准感应电流变化并及时应对电流过载及短路的情况。

附图说明

图1是实施本发明一种金刚石NV色心电流测量装置的结构示意图。

图2是图1中光学模块及NV色心探头的组合结构示意图。

图3是实施本发明一种金刚石NV色心电流测量方法的流程示意图。图3中包括步骤1，控制信号输入；步骤2，激光调制信号极化；步骤3，微波调制信号操控；步骤4，荧光信号检测转换；步骤5，基于步骤1控制信号输入中的参考信号进行信号采集解调处理；步骤6，利用电磁转换关系反推电流值；步骤7，输出数据结果。

附图标记列示如下：1-电学模块；2-光学模块；3-连接装置；4- NV色心探头（NV，nitrogen-vacancy center，氮-空位色心）；5-电磁屏蔽结构；201-光源（或激光器，激光波长例如532nm）；202-反射镜；203-第一准直透镜；204-二向色镜；205-第二准直透镜；206-导光圆柱透镜；207-聚焦透镜；208-滤光片；209-光电探测器；401-圆台透镜；402-NV色心金刚石（即含有NV色心的金刚石）。

具体实施方式

下面结合附图（图1-图3）和实施例对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种金刚石NV色心电流测量装置的结构示意图。图2是图1中光学模块及NV色心探头的组合结构示意图。图3是实施本发明一种金刚石NV色心电流测量方法的流程示意图。参考图1至图3所示，一种金刚石NV色心电流测量装置，包括NV色心探头4，所述NV色心探头4具有圆台透镜401和位于圆台透镜401小端的作为电流磁场敏感元件的NV色心金刚石402，所述圆台透镜401的大端依次通过导光圆柱透镜206、第二准直透镜205、二向色镜204、聚焦透镜207和滤光片208连接光电探测器209，所述光电探测器209通过连接装置3连接电学模块1，所述二向色镜204的原始激光入射侧依次通过第一准直透镜203和反射镜202连接激光器。

所述激光器发射的光源201波长为532nm。所述NV色心金刚石402通过小孔进入电磁屏蔽结构5并靠近位于其内的电流导线，所述电流导线中流过的待测电流所产生的磁场使NV色心出现相应的荧光变化。所述待测电流为直流电流或交流电流。所述激光器发射的光源201作用在所述NV色心金刚石402上并极化NV色心，所述NV色心金刚石402产生的荧光依次通过圆台透镜401、导光圆柱透镜206、第二准直透镜205、二向色镜204、聚焦透镜207和滤光片208到达光电探测器209，被转换为电信号并通过连接装置3传至电学模块1。所述连接装置3为电缆或光缆或蓝牙通信装置。

一种金刚石NV色心电流测量方法，采用上述一种金刚石NV色心电流测量装置。

包括以下步骤；步骤A，通过上位机输出控制指令和产生激光及微波调制信号；步骤B，通过输出控制及脉冲发生模块，传至激光二极管和微波传导天线，经过光学集成模组极化和操控NV色心；步骤C，产生的荧光通过光学模块转换成调制电信号并进入电学模块完成解调；步骤D，根据标定电磁转换关系进行数据处理得到对应通电导线电流值并输出结果。

包括以下步骤：步骤1，控制信号输入；步骤2，激光调制信号极化；步骤3，微波调制信号操控；步骤4，荧光信号检测转换；步骤5，基于步骤1控制信号输入中的参考信号进行信号采集解调处理；步骤6，利用电磁转换关系反推电流值；步骤7，输出数据结果。

本发明涉及一种金刚石NV色心电流测量装置及测量方法，包括电学模块、光学模块，及NV色心探头。电学模块为对向各模块供电及操控，对光学信号转换成的电信号进行采集和处理；光学模块主要功能包括发出激光信号极化NV色心、收集NV色心产生荧光和实现光电转换并传至电学模块；NV色心探头包含金刚石NV色心和微波传导天线，其外部可以但非必须有电磁屏蔽结构。该电流测量装置在电流供电、电磁驱动、车辆电气系统等环境中有着重要的应用价值。

本发明涉及一种金刚石NV色心电流测量装置及测量方法，本发明所在技术领域为量子精密测量领域，本发明在电流供电、电磁驱动、车辆电气系统等环境中有着重要的应用价值。

一种金刚石NV色心电流测量装置，主要包括电学模块1、光学模块2，及NV色心探头4（可以但非必须包含电磁屏蔽5结构）。

所述电学模块1包含控制主板（可以集成也可是多个板卡），其功能包括但不限于：微波信号发生模块（可以但非必须包含微波信号放大模块）、脉冲发生模块、多系统协同控制模块，及信号采集模块等。可以但非必须包含的模块有信号调理模块、算法模块、波形发生模块、锁相放大模块、软件系统平台及显示模块等。

所述光学模块2包含光源模块，可以但非必须包含的模块有光源调制模块、光学镜片、光学准直模块、小孔、滤光片等。

所述NV色心探头4包含金刚石，可以但非必须包含的模块有滤光片、微波模块、反射膜、光学收集或汇聚模块、电磁屏蔽结构5等。

所述光学模块2与电学模块1之间可以通过但不限于电线、光纤、蓝牙3连接，也可集成为一体。

所述NV色心探头4可通过小孔进入电磁屏蔽结构5。

金刚石NV色心电流测量装置，其使用方法在于将待测物（一个特征实施例为电线）置于NV色心探头4前，可以但非必须使用电磁屏蔽结构5。通过电学模块1发送控制指令操控光学模块2内光源，及NV色心探头4内微波（可以没有），NV色心根据待测电流产生的磁场，产生相应的荧光变化，并被光学模块2收集，荧光强度的探测模块可以放在光学模块2也可放在电学模块1，并将探测值返回电学模块1，数据处理与显示可以在电学模块1中进行，也可将数据导出到其它计算模块（一个特征实施例为电脑）进行。结合金刚石与待测电流导体之间的距离，即可推算出电流值。

光学模块2与NV色心探头4内部设计示意图如图2所示，光源201发出的光（约532nm）经反射镜202、准直透镜203、二向色镜204、准直透镜205、导光圆柱透镜206、圆台透镜401、作用在含有NV色心的金刚石402上，极化NV色心并完成检测，同时含有NV色心的金刚石402产生的荧光依次通过圆台透镜401、导光圆柱透镜206、准直透镜205、二向色镜204、聚焦透镜207和滤光片208，最终作用到光电探测器209，被转换为电信号并传至电学模块。

如图3所示，本发明实现电流测量的测量过程的一个特征实施例为：

（1）通过上位机输出控制指令和产生激光及微波调制信号；

（2）通过输出控制及脉冲发生模块，传至激光二极管和微波传导天线，经过光学集成模组极化和操控NV色心；

（3）产生的荧光通过光学模块转换成调制电信号并进入电学模块完成解调；

（4）根据标定电磁转换关系进行数据处理得到对应通电导线电流值并输出结果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (7)

1.一种金刚石NV色心电流测量装置，其特征在于，包括NV色心探头，所述NV色心探头具有圆台透镜和位于圆台透镜小端的作为电流磁场敏感元件的NV色心金刚石，所述圆台透镜的大端依次通过导光圆柱透镜、第二准直透镜、二向色镜、聚焦透镜和滤光片连接光电探测器，所述光电探测器通过连接装置连接电学模块，所述二向色镜的原始激光入射侧依次通过第一准直透镜和反射镜连接激光器；

所述激光器发射的光源作用在所述NV色心金刚石上并极化NV色心，所述NV色心金刚石产生的荧光依次通过圆台透镜、导光圆柱透镜、第二准直透镜、二向色镜、聚焦透镜和滤光片到达光电探测器，被转换为电信号并通过连接装置传至电学模块；

所述NV色心金刚石通过小孔进入电磁屏蔽结构并靠近位于其内的电流导线，所述电流导线中流过的待测电流所产生的磁场使NV色心出现相应的荧光变化；

所述电学模块根据所述光电探测器探测到的荧光变化确定磁场大小，并根据标定电磁转换关系进行数据处理得到所述电流导线上流过的电流。

2.根据权利要求1所述的金刚石NV色心电流测量装置，其特征在于，所述激光器发射的光源波长为532nm。

3.根据权利要求1所述的金刚石NV色心电流测量装置，其特征在于，所述待测电流为直流电流或交流电流。

4.根据权利要求1所述的金刚石NV色心电流测量装置，其特征在于，所述连接装置为电缆或光缆或蓝牙通信装置。

5.一种金刚石NV色心电流测量方法，其特征在于，采用上述权利要求1-4之一所述的一种金刚石NV色心电流测量装置。

6.根据权利要求5所述的金刚石NV色心电流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，通过上位机输出控制指令和产生激光及微波调制信号；

步骤B，通过输出控制及脉冲发生模块，传至激光二极管和微波传导天线，经过光学集成模组极化和操控NV色心；

步骤C，产生的荧光通过光学模块转换成调制电信号并进入电学模块完成解调；

步骤D，根据标定电磁转换关系进行数据处理得到对应通电导线电流值并输出结果。

7.根据权利要求5所述的金刚石NV色心电流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，控制信号输入；

步骤2，激光调制信号极化；

步骤3，微波调制信号操控；

步骤4，荧光信号检测转换；

步骤5，基于步骤1控制信号输入中的参考信号进行信号采集解调处理；

步骤6，利用电磁转换关系反推电流值；

步骤7，输出数据结果。