CN117705932A - 量子无损传感器及铁轨表面缺陷检测机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子无损传感技术领域，方案为一种量子无损传感器，包含磁化器、金刚石探头、激光模块、微波模块、微波天线、光电探测模块、光路单元、锁相放大器、频率锁定模块以及数据处理模块；本方案无需每次测量漏磁场都得绘制ODMR扫频谱线，其可通过目标数据与解调数据的比对，来快速实现对变化的微波共振频率的跟踪，极大缩短了对新的微波共振频率的获取时间，提高了设备的漏磁检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及量子无损检测技术领域，具体涉及到一种量子无损传感器及铁轨表面缺陷检测机。
背景技术
漏磁检测一直是无损检测领域重要的一门研究方向，使用传统磁传感器的漏磁检测设备已经较为完善，其功能好坏各有优劣，本申请基于量子精密测量这一新型探测技术的研究，计划在基于量子传感的漏磁无损检测领域做出新的突破。近些年，固态自旋色心体系在量子精密领域的研究发展迅速，尤其是对于磁场的探测研究，发展出了以光探测磁共振（ODMR）为主的探测方法，通过研究磁共振频率与外界磁场之间的线性关系，可实现对外界磁场的精密测量。
在本申请的方案中，主要针对光探测磁共振法中微波共振频率获取的相关问题进行讨论，现有技术中，提取微波共振频率的方法主要包括人工手动点取和曲线拟合获取，但这两个方法在测量不同磁场时均需要通过扫频法获取ODMR扫频谱线，才能获取共振频率，其共振频率获取时间较长，影响漏磁检测效率。
基于此，本发明设计了一种量子无损传感器及铁轨表面缺陷检测机。
发明内容
本发明提出了一种量子无损传感器及铁轨表面缺陷检测机，以解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种量子漏磁检测仪，包含：
磁化器，用于磁化待测面以使其缺陷处产生漏磁场；
金刚石探头，包含若干NV色心，用于感知外部磁场，并可在激励激光和微波场的作用下产生反馈荧光；
激光模块，用于输出所述激励激光；
微波模块，用于输出微波信号，及接收调制信号并调制所述微波信号；
微波天线，用于接收所述微波信号并将其形成微波场辐射至所述金刚石探头处；
光电探测模块，用于接收所述反馈荧光并输出电压信号；
光路单元，用于将所述激励激光传输至所述金刚石探头处，同时，将所述反馈荧光传输至所述光电探测模块；
锁相放大器，用于输出所述调制信号，及解调所述电压信号输出解调结果；
频率锁定模块，用于将解调结果作为输入值并基于PID算法对所述微波模块输出的微波信号进行频率调节，使微波模块输出的微波信号从初始微波共振频率切换为表征当前磁场的微波共振频率；
数据处理模块，用于数据分析及处理。
优选的，所述锁相放大器为双相数字锁相放大器，所述双相数字锁相放大器被配置为输出的两项分量值其中之一为零，并输出另一项分量值作为PID算法的输入值。
优选的，还包含相位自调模块，所述相位自调模块用于按设定目标自动调节锁相放大器的初始相位。
优选的，还包含磁场发生模块，用于产生作用于所述金刚石NV色心的偏置磁场。
优选的，所述金刚石探头内含系综NV色心，所述金刚石探头被配置为处于所述磁场发生模块产生的偏置磁场中，且该偏置磁场方向与所述金刚石探头的其中一个色心轴向平行，所述初始微波共振频率被配置为等于表征沿该色心轴向上的磁场分量的微波共振频率。
优选的，所述金刚石探头内含单个NV色心，所述金刚石探头被配置为处于所述磁场发生模块产生的偏置磁场中，所述初始微波共振频率被配置为等于表征所述磁场的微波共振频率。
优选的，所述金刚石探头内含单个NV色心，所述初始微波共振频率被配置为等于表征所述金刚石探头内在特性的微波共振频率。
一种铁轨裂纹检测设备，用于铁轨表面裂纹的检测，应用了一个或多个如前所述的量子漏磁检测仪，所述磁化器被配置为对铁轨的探测面进行磁化，所述金刚石探头被配置为对铁轨的探测面进行磁场感知。
优选的，还包含定位模块，所述定位模块用于对铁轨裂纹检测设备进行定位，且被配置为可将位置信息与裂纹信息进行对应绑定。
优选的，还包含远程数据收发模块，所述远程数据收发模块用于实现远端主机与铁轨裂纹检测设备之间的无线传输。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方案无需每次测量漏磁场都得绘制ODMR扫频谱线，其可通过目标数据与解调数据的比对，来快速实现对变化的微波共振频率的跟踪，极大缩短了对新的微波共振频率的获取时间，提高了设备的漏磁检测效率。
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为实施例一中量子漏磁检测仪的示意图；
图2为实施例一中磁化器的示意图；
图3为实施例一中偏置磁场与系综金刚石NV色心的位置关系示意图；
图4为实施例一中具备两对磁共振特征点的ODMR谱线图；
图5为实施例一中以Y项分量值为纵坐标构建ODMR谱线图；
图6为实施例二中铁轨裂纹检测设备的示意图。
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。
实施例一
参见附图1，本申请提出了一种量子漏磁检测仪，包含磁化器1、金刚石探头2、激光模块3、微波模块4、微波天线5、光电探测模块6、光路单元、锁相放大器7、频率锁定模块8以及数据处理模块9。
在本例中，磁化器1用于磁化待测面以使其缺陷处产生漏磁场，其具体一个结构设计可如附图2所示，所述磁化器1包含一直铁芯和两块永磁铁，两块所述永磁铁平行设置于所述直铁芯的同一侧边，且二者磁极方向相反布置。
在本例中，所述金刚石探头2包含若干NV色心，用于感知外部磁场，并可在激励激光和微波场的作用下产生反馈荧光，补充解释：当只有单个NV色心时，其只具备一个色心轴向，当具备大量（系综）NV色心时，其具备四个色心轴向（呈正四面体），一个具体的方案中，金刚石探头2安装于磁化器1的中部下侧。
在本例中，激光模块3用于输出所述激励激光，一个具体方案中，激光模块3包含532nm激光器31和光调制器32。
在本例中，微波模块4用于输出微波信号，及接收调制信号并调制所述微波信号，一个具体方案中，所述微波模块4包含微波源41、微波放大器42以及微波环形器43，微波源41其用于输出微波信号，微波放大器42可以将微波功率放大，微波环形器43可以防止微波信号的反向传输，其中，微波源41与锁相放大器7以及数据处理模块9电性连接。
在本例中，微波天线5用于接收所述微波信号并将其形成微波场辐射至所述金刚石探头2处，优选的，所述微波天线5可以为螺旋线圈或者微带天线，一个具体的示例中，其通过射频传输线与微波模块4连接并安装于金刚石探头2附近。
在本例中，光电探测模块6用于接收所述反馈荧光并输出电压信号，一个具体的方案中，所述光电探测模块6包含光电二极管61和滤波片62，滤波片62对进入光电二极管61的光进行过滤，去除随反馈荧光一起传输的杂散光。
在本例中，光路单元用于将所述激励激光传输至所述金刚石探头2处，同时，将所述反馈荧光传输至所述光电探测模块6，一个具体的方案中，所述光路单元包含双色片10和第一光纤11，所述双色片10被配置为：A、反射激光模块3输出的激励激光至第一光纤11至进行传输；B、过滤沿第一光纤11逆向传输的激励激光，并使得反馈荧光穿透而过被光电探测模块6接收。所述第一光纤11被配置为既传输激励激光又逆向传输反馈荧光，且还被配置为其远离双色片10的一端与金刚石探头2附接，具体附接可通过光学胶实现。
在本例中，锁相放大器7用于输出所述调制信号，及解调所述电压信号输出解调结果，在本例中，锁相放大器7优选输出调频信号对微波信号进行调制；
在本例中，频率锁定模块8用于将解调结果作为输入值并基于PID算法对所述微波模块4输出的微波信号进行频率调节，使微波模块4输出的微波信号从初始微波共振频率切换为表征当前磁场的微波共振频率；关于PID算法，此处做一个简单解释，在算法中设定一个PID目标值，并选择好输入值，通过算法计算，会输出一个调节变量，依据此调节变量可以改变输入值大小，直至其与PID目标值相等。
在本例中，数据处理模块9用于数据分析及处理。
对于本实施例，若所述金刚石探头内含系综NV色心，在一些实施方法中，使得所述金刚石探头2被配置为处于一个偏置磁场中，且该偏置磁场方向与所述金刚石探头的其中一个色心轴向平行，所述初始微波共振频率被配置为等于表征沿该色心轴向上的磁场分量的微波共振频率，具体操作时，可通过观察ODMR谱线上磁共振特征点（即横坐标为微波共振频率的点）的数量是否为两对来判断偏置磁场方向是否与其中一个色心轴向平行，当出现具备此种ODMR谱线时（如附图4所示），选取最小或最大微波共振频率（即是表征沿该色心轴向上的磁场分量的微波共振频率）作为初始微波共振频率。
当然对应于四轴向的系综金刚石NV色心，还有单轴向的情况，一般是单个NV色心，对于此，可分为以下两种方式获取初始微波共振频率，具体如下：
一是使用偏置磁场，使得所述金刚石探头被配置为处于所述磁场发生模块产生的偏置磁场中，所述初始微波共振频率被配置为等于表征所述磁场的微波共振频率，具体操作时，由于单NV色心在ODMR谱线上只会存在一对微波共振频率，因而只需取其中任一作为初始微波共振频率即可。
二是不使用偏置磁场，由于NV色心的内在特性（内部压力等），导致其也会发生劈裂效应，呈现在ODMR谱线上也是会存在一对微波共振频率，此时，取其中任一也可作为初始微波共振频率。
对于以上三种情况，正式检测时，微波信号以初始微波共振频率输出（点频微波信号），并经过调频信号调制后作用于金刚石探头2，锁相放大器7将解调结果作为PID的输入值输入，并设定目标值为0（因为微波经调频处理后绘制的ODMR谱线上，磁共振特征点的纵坐标均为0，因而只要使得解调结果等于0，则会求得微波共振频率），PID算法根据输入值和目标值输出一个频率调节参数，微波模块根据该频率调节参数改变微波信号的频率，使其从初始微波共振频率切换为表征当前磁场的微波共振频率，数据处理模块9对表征当前磁场的微波共振频率进行处理计算，可以判断出缺陷信息。
在一些优选方案中，所述锁相放大器为双相数字锁相放大器（其解调结果包含解调值R值、X项分量值、Y项分量值），所述双相数字锁相放大器被配置为输出的两项分量值其中之一为零，并输出另一项分量值作为PID算法的输入值，具体操作时，是通过对锁相放大器输出的调频信号的相位进行调节，以实现使得锁相的X项分量值（或Y项分量值）为零，此时处理系统以Y项分量值为纵坐标、微波频率为横坐标构建的ODMR谱线如附图5所示，磁共振特征点就是图中的过零点，PID算法中将Y项分量值与目标值0做对比输出频率调节参数，Y项分量值大于0（如图5中B点），则减小微波信号的频率，反之，Y项分量值小于0（如图5中A点），则增大微波信号的频率，此种方式可快速完成微波共振频率的切换，提高测量效率。
对应的，常规是通过手动调节锁相放大器输出的调频信号的相位，这种方式较慢，且不够准，因而一个改进方案中，量子漏磁检测仪还包含相位自调模块，所述相位自调模块用于按设定目标自动调节锁相放大器的初始相位。
对应前述会使用偏置磁场的情况，在一些量子漏磁检测仪中，还包含磁场发生模块，用于产生作用于所述金刚石NV色心的偏置磁场。
实施例二
参见附图6，本例提出一种铁轨裂纹检测设备，用于铁轨表面裂纹的检测，应用了一个或多个如实施例一总所述的量子漏磁检测仪，所述磁化器被配置为对铁轨的探测面进行磁化，所述金刚石探头被配置为对铁轨的探测面进行磁场感知。
考虑到具体实施时，前述方案需要人工在附近及时对裂纹点进行标记，这种方式只适合短节铁轨的裂纹检测，而对于长距离铁轨检测而言，前述方案显然还存在缺陷，基于此，在一些改进的方案设计中，还包含定位模块12，所述定位模块12用于实时定位，且被配置为可将位置信息与缺陷信息进行对应绑定，具体实施时，可将检测设备安装于检测车上，随着检测车在铁轨上移动，检测设备同步完成裂纹检测过程，并在发现裂纹时，将其与当前位置信息绑定，优选的方案中，定位模块12为北斗定位模块。
上述改进设计中，裂纹与当前位置信息是绑定存于主机内的存储卡中，等检测完毕，读取存储卡可获取裂纹相关信息，这种方式具备一定延迟性，且一些场景下也需要实时监控检测设备的位置并远程实施操控，基于此，作为更进一步的改进方案，检测设备还包含远程数据收发模块13，所述远程数据收发模块13用于实现与远端主机之间的无线数据传输，通过此种设计，可以实现数据的远程传输、检测设备位置信息的实时获取以及远程操控检测设备。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
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 (10)
1.一种量子无损传感器，其特征在于，包含：
磁化器，用于磁化待测面以使其缺陷处产生漏磁场；
金刚石探头，包含若干NV色心，用于感知外部磁场，并可在激励激光和微波场的作用下产生反馈荧光；
激光模块，用于输出所述激励激光；
微波模块，用于输出微波信号，及接收调制信号并调制所述微波信号；
微波天线，用于接收所述微波信号并将其形成微波场辐射至所述金刚石探头处；
光电探测模块，用于接收所述反馈荧光并输出电压信号；
光路单元，用于将所述激励激光传输至所述金刚石探头处，同时，将所述反馈荧光传输至所述光电探测模块；
锁相放大器，用于输出所述调制信号，及解调所述电压信号输出解调结果；
频率锁定模块，用于将解调结果作为输入值并基于PID算法对所述微波模块输出的微波信号进行频率调节，使微波模块输出的微波信号从初始微波共振频率切换为表征当前磁场的微波共振频率；
数据处理模块，用于数据分析及处理。
2.根据权利要求1所述的量子无损传感器，其特征在于，所述锁相放大器为双相数字锁相放大器，所述双相数字锁相放大器被配置为输出的两项分量值其中之一为零，并输出另一项分量值作为PID算法的输入值。
3.根据权利要求2所述的量子无损传感器，其特征在于，还包含相位自调模块，所述相位自调模块用于按设定目标自动调节锁相放大器的初始相位。
4.根据权利要求1所述的量子无损传感器，其特征在于，还包含磁场发生模块，用于产生作用于所述金刚石探头的偏置磁场。
5.根据权利要求4所述的量子无损传感器，其特征在于，所述金刚石探头内含系综NV色心，所述金刚石探头被配置为处于所述磁场发生模块产生的偏置磁场中，且该偏置磁场方向与所述金刚石探头的其中一个色心轴向平行，所述初始微波共振频率被配置为等于表征沿该色心轴向上的磁场分量的微波共振频率。
6.根据权利要求4所述的量子无损传感器，其特征在于，所述金刚石探头内含单个NV色心，所述金刚石探头被配置为处于所述磁场发生模块产生的偏置磁场中，所述初始微波共振频率被配置为等于表征所述磁场的微波共振频率。
7.根据权利要求1所述的量子无损传感器，其特征在于，所述金刚石探头内含单个NV色心，所述初始微波共振频率被配置为等于表征所述金刚石探头内在特性的微波共振频率。
8.一种铁轨表面缺陷检测机，用于铁轨表面裂纹的检测，其特征在于，应用了一个或多个如权利要求1-7任一项所述的量子无损传感器，所述磁化器被配置为对铁轨的探测面进行磁化，所述金刚石探头被配置为对铁轨的探测面进行磁场感知。
9.根据权利要求8所述的铁轨表面缺陷检测机，其特征在于，还包含定位模块，所述定位模块用于对铁轨表面缺陷检测机进行定位，且被配置为可将位置信息与裂纹信息进行对应绑定。
10.根据权利要求8或9所述的铁轨表面缺陷检测机，其特征在于，还包含远程数据收发模块，所述远程数据收发模块用于实现远端主机与铁轨表面缺陷检测机之间的无线传输。
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|---|---|
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