CN117849166A - 无损检测仪及轨道缺陷检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子无损传感技术领域，方案为一种无损检测仪，包含金刚石NV色心、激光模块、微波模块、光电探测模块、微波天线、磁化器、聚磁器、光路组件、锁相放大器以及处理器，金刚石NV色心经光路组件与激光模块及光电探测模块形成光路连接，微波模块与微波天线之间经过射频传输线连接，锁相放大器分别与光电探测模块、微波模块以及处理器形成电性连接，处理器与微波模块形成电性连接；本系统通过在漏磁场上方设置聚磁器，能够将漏磁场采集后在高处进行放大，此种设计使得金刚石NV色心的安装位置得以升高，即实现了大提离的测量，且放大磁场与金刚石NV的四个色心轴向的夹角一致，可实现高精度的漏磁测量。
Description
技术领域
本发明涉及量子无损传感技术领域，具体涉及到一种无损检测仪及轨道缺陷检测装置。
背景技术
金刚石NV色心在激光的泵浦下表现出较强的荧光，并在室温下可观测到其零声子线，因而可作为纳米尺寸的传感器，用于磁场、电场、温度等物理量的测量，其中，利用NV色心进行无损检测的研究也越来越多。
公开号为CN114994006A的中国发明专利公开了一种基于NV色心传感技术的裂纹正交检测系统，该发明专利将金刚石NV色心精密测量技术与无损探伤技术结合，相比于传统技术，金刚石NV色心的显著性能能够提高无损探伤的精度，实现对裂纹缺陷的准确检测。但是该系统也需要金刚石NV色心与缺陷点的距离足够近才能感知漏磁场，该距离即提离距离。关于提离距离，已知的是，当低提离时，探头对提离值的变化更加敏感，更加不稳定；而高提离时，探头对提离值的变动更不敏感，信号更加稳定，但是高提离会导致探头处的漏磁场削弱，进而无法进行准确测量，如何解决此种问题也是当前量子无损传感研究过程中亟需解决的问题。
发明内容
本发明提出了一种无损检测仪及轨道缺陷检测装置，来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：
一种无损检测仪，包含金刚石NV色心、激光模块、微波模块、光电探测模块、微波天线、磁化器、聚磁器、光路组件、锁相放大器以及处理器，所述金刚石NV色心经所述光路组件与激光模块及光电探测模块形成光路连接，所述微波模块与微波天线之间经过射频传输线连接，所述锁相放大器分别与光电探测模块、微波模块以及处理器形成电性连接，所述处理器与微波模块形成电性连接；
其中，所述磁化器被配置为可磁化待测物以使其表面缺陷处产生漏磁场，所述聚磁器包含一聚磁气隙，所述聚磁器被配置为可汇聚部分所述漏磁场并在所述聚磁气隙内形成放大磁场，所述金刚石NV色心为系综金刚石NV色心，其安装于所述聚磁气隙内且被配置为四个色心轴向与所述放大磁场的夹角相同，所述微波天线被配置为可将微波场辐射至金刚石NV色心。
进一步的，所述磁化器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。
进一步的，所述聚磁器包含两个L型导磁块，二者相对而设形成一聚磁气隙，所述L型导磁块形成聚磁气隙的一端为窄部。
进一步的，所述光路组件包含第一光纤和双色片，所述第一光纤包含第一端和第二端，所述第一光纤的第一端附接所述金刚石NV色心，所述双色片被配置为可将激光模块输出的激励激光反射并通过所述第二端耦合进入第一光纤中，所述第一光纤传输激励激光至所述金刚石NV色心并使其极化产生反馈荧光，部分反馈荧光沿着第一光纤反向传输并穿透双色片被光电探测模块接收。
进一步的，所述微波模块包含微波源、微波放大器以及微波环形器。
进一步的，所述激光模块包含532nm激光器和光调制器。
进一步的，所述微波天线为螺旋天线或微带天线。
进一步的，还包含频率锁定模块，其用于将微波信号的点频工作频率实时调节至表征当前磁场的微波共振频率，并提取该微波共振频率。
一种轨道缺陷检测装置，用于铁轨表面裂纹的检测，应用了一个或多个如前任一项所述的无损检测仪，所述磁化器被配置为对铁轨的探测面进行磁化以使其表面裂纹处产生漏磁场，还包含定位模块，所述定位模块用于对轨道缺陷检测装置进行定位，且被配置为可将位置信息与裂纹信息进行对应绑定。
进一步的，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轨道缺陷检测装置之间的无线传输。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本系统通过在漏磁场上方设置聚磁器，能够将漏磁场采集后在高处进行放大，此种设计使得金刚石NV色心的安装位置得以升高，即实现了大提离的测量，且聚磁后的放大磁场方向固定，经调制与金刚石NV色心的四个色心轴向的夹角一致，可实现高精度的漏磁测量。
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为实施例中无损检测仪的示意图；
图2为实施例中ODMR谱线图；
图3为实施例中磁化器的结构示意图；
图4为实施例中聚磁器的结构示意图；
图5为实施例中轨道缺陷检测装置的示意图。
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。
在具体描述本申请实施例之前，为了便于理解，首先对NV色心进行介绍，具体地，NV色心为是金刚石中的一种发光点缺陷。一个氮原子取代金刚石中的碳原子，并且在临近位有一个空位，这样的点缺陷被称为NV色心。NV色心在激光的泵浦下会表现出较强的荧光，且荧光表现稳定。
实施例一
参见附图1，本实施例提出一种无损检测仪，包含金刚石NV色心1、激光模块2、微波模块3、光电探测模块4、微波天线5、磁化器6、聚磁器7、光路组件、锁相放大器10以及处理器11，所述金刚石NV色心1经所述光路组件与激光模块2及光电探测模块4形成光路连接，所述微波模块3与微波天线5之间经过射频传输线连接，所述锁相放大器10分别与光电探测模块4、微波模块3以及处理器11形成电性连接，所述处理器11与微波模块3形成电性连接；
其中，作为一种示例，所述光路组件包含第一光纤8和双色片9，所述第一光纤8包含第一端和第二端，所述第一光纤的第一端附接所述金刚石NV色心1（可通过透明光学胶进行粘结），所述双色片9被配置为可将激光模块2输出的激励激光（优选使用532nm的激光）反射并通过所述第二端耦合（可利用光纤耦合器）进入第一光纤8中，所述第一光纤8传输激励激光至所述金刚石NV色心1并使其极化产生反馈荧光，部分反馈荧光沿着第一光纤8反向传输并穿透双色片9被光电探测模块4接收。
其中，所述磁化器6被配置为可磁化待测物以使其表面缺陷处产生漏磁场，所述聚磁器7包含一聚磁气隙，所述聚磁器7被配置为可汇聚部分所述漏磁场并在所述聚磁气隙内形成放大磁场，所述金刚石NV色心1为系综金刚石NV色心，其安装于所述聚磁气隙内且被配置为四个色心轴向与所述放大磁场的夹角相同（此种情况表现在ODMR谱线上，就会如附图2所示，只具有一对峰，也可以表达为只有一对微波共振频率，此种情况下能够更准确的测量外部磁场的大小），所述微波天线5被配置为可将微波场辐射至金刚石NV色心1，优选的，所述微波天线5为螺旋天线或微带天线。
本例中，如附图3所示，一些优选的设计中，所述磁化器6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，具体的设计中，金刚石NV色心1安装于两块永磁铁的中部位置，聚磁器7安装于金刚石NV色心1的下方位置。
本例中，如附图4所示，一些优选的设计中，所述聚磁器7包含两个L型导磁块71，二者相对而设形成一聚磁气隙72，所述L型导磁块71形成聚磁气隙72的一端为窄部，当然，上述聚磁器7的结构设计，只是一种示例性结构，并不限制聚磁器7有其他结构。
本例中，一些优选的设计中，所述微波模块3包含微波源31、微波放大器32以及微波环形器33，其中，微波源31用于输出微波信号，其与处理器11以及锁相放大器10直接电性连接，微波放大器32可以将微波功率放大，微波环形器33可以防止微波信号的反向传输。
本例中，一些优选的设计中，所述激光模块2包含532nm激光器21和光调制器22，532nm激光器21用于输出532nm的激励激光，光调制器22可对激光进行光强调制。
实施例二
基于实施例一，实施例二还有以下改进：还包含频率锁定模块12，其用于将微波信号的点频工作频率实时调节至表征当前磁场的微波共振频率，并提取该微波共振频率。
具体示例中，频率锁定模块12包含PID算法，实际检测时，通过锁相放大器10对微波信号进行调频调制以及对探测得来的电信号进行解调，获得解调结果，将解调结果作为PID算法的输入值，并以零（基于调频微波信号进行探测，对应磁场的微波共振频率在ODMR谱线上是过零点的横坐标，也即意味着当解调结果这一纵坐标为零，即可获得当前磁场的微波共振频率）作为PID算法的目标值，PID算法输出频率调节参数对微波信号的频率进行调节，直至其等于表征当前磁场的微波共振频率，上述方案中，微波信号使用表征前一磁场的微波共振频率进行输出（点频的微波信号），通过PID算法可快速切换至当前磁场的微波共振频率，相较于使用扫频的微波信号进行宽频测量，其微波共振频率获取速度更快，极大提升了缺陷漏磁场的测量效率。
实施例三
参见附图5，实施例三提出了一种轨道缺陷检测装置，用于铁轨表面裂纹的检测，应用了一个或多个如前任一项所述的无损检测仪，所述磁化器6被配置为对铁轨的探测面进行磁化以使其表面裂纹处产生漏磁场，所述金刚石NV色心1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13，所述定位模块13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，可将检测装置安装于检测车上，随着检测车在铁轨上移动，检测装置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13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装置的位置并远程实施操控，基于此，作为更进一步的改进方案，检测装置还包含远程数据收发模块14，所述远程数据收发模块14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、检测装置位置信息的实时获取以及远程操控检测装置。
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)
1.一种无损检测仪，其特征在于，包含金刚石NV色心（1）、激光模块（2）、微波模块（3）、光电探测模块（4）、微波天线（5）、磁化器（6）、聚磁器（7）、光路组件、锁相放大器（10）以及处理器（11），所述金刚石NV色心（1）经所述光路组件与激光模块（2）及光电探测模块（4）形成光路连接，所述微波模块（3）与微波天线（5）之间经过射频传输线连接，所述锁相放大器（10）分别与光电探测模块（4）、微波模块（3）以及处理器（11）形成电性连接，所述处理器（11）与微波模块（3）形成电性连接；
其中，所述磁化器（6）被配置为可磁化待测物以使其表面缺陷处产生漏磁场，所述聚磁器（7）包含一聚磁气隙，所述聚磁器（7）被配置为可汇聚部分所述漏磁场并在所述聚磁气隙内形成放大磁场，所述金刚石NV色心（1）为系综金刚石NV色心，其安装于所述聚磁气隙内且被配置为四个色心轴向与所述放大磁场的夹角相同，所述微波天线（5）被配置为可将微波场辐射至金刚石NV色心（1）。
2.根据权利要求1所述的一种无损检测仪，其特征在于，所述磁化器（6）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。
3.根据权利要求1所述的一种无损检测仪，其特征在于，所述聚磁器（7）包含两个L型导磁块，二者相对而设形成一聚磁气隙，所述L型导磁块形成聚磁气隙的一端为窄部。
4.根据权利要求1所述的一种无损检测仪，其特征在于，所述光路组件包含第一光纤（8）和双色片（9），所述第一光纤（8）包含第一端和第二端，所述第一光纤（8）的第一端附接所述金刚石NV色心（1），所述双色片（9）被配置为可将激光模块（2）输出的激励激光反射并通过所述第二端耦合进入第一光纤（8）中，所述第一光纤（8）传输激励激光至所述金刚石NV色心（1）并使其极化产生反馈荧光，部分反馈荧光沿着第一光纤（8）反向传输并穿透双色片（9）被光电探测模块（4）接收。
5.根据权利要求1所述的一种无损检测仪，其特征在于，所述微波模块（3）包含微波源（31）、微波放大器（32）以及微波环形器（33）。
6.根据权利要求1所述的一种无损检测仪，其特征在于，所述激光模块（2）包含532nm激光器（21）和光调制器（22）。
7.根据权利要求1所述的一种无损检测仪，其特征在于，所述微波天线（5）为螺旋天线或微带天线。
8.根据权利要求1所述的一种无损检测仪，其特征在于，还包含频率锁定模块（12），其用于将微波信号的点频工作频率实时调节至表征当前磁场的微波共振频率，并提取该微波共振频率。
9.一种轨道缺陷检测装置，用于铁轨表面裂纹的检测，应用了一个或多个如权利要求1-8任一项所述的无损检测仪，所述磁化器（6）被配置为对铁轨的探测面进行磁化以使其表面裂纹处产生漏磁场，其特征在于，还包含定位模块（13），所述定位模块（13）用于对轨道缺陷检测装置进行定位，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9所述的轨道缺陷检测装置，其特征在于，还包含远程数据收发模块（14），所述远程数据收发模块（14）用于实现远端主机与轨道缺陷检测装置之间的无线传输。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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