CN118050556A - 量子传感模块、量子电流互感器及电流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子精密测量技术领域，方案为一种量子传感模块、量子电流互感器及电流测量方法，其中量子传感模块包含一量子探头、一激光模块、一微波模块、一光电探测模块、一锁相放大器、一频率锁定模块以及一数据处理模块；本方案无需每次测量磁场都得绘制ODMR扫频谱线，其可通过目标数据与解调结果的比对，来快速实现对变化的磁共振频率的跟踪，极大缩短了对新的磁共振频率的获取时间，提高了量子电流互感器的测量速度。

Description

量子传感模块、量子电流互感器及电流测量方法

技术领域

本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及到一种量子传感模块、量子电流互感器及电流测量方法。

背景技术

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传感测量和量化，但目前的一些研究还是偏于理论，相关技术的产品化过程中仍需要解决很多应用问题。

公开号为CN113804941B的中国授权发明专利公开了一种基于金刚石NV色心的电流测量装置及测量方法，包括有激光激发及反射光接收分析设备、金刚石NV色心探头、聚磁器以及微波激发设备，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；在该申请的方案中提出了基于光探测磁共振（ODMR）的电流测量方法，该方法中磁共振频率的获取是实际工作中的一个难点。

在本申请的方案中，主要针对磁共振频率获取的相关问题进行讨论，现有技术中，提取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，另外，人工手动点取的方法还有精度不高、无法产品化的问题，曲线拟合获取的方法还有拟合求导过程复杂、限制测量带宽的问题。

基于此，本发明设计了一种量子传感模块、量子电流互感器及电流测量方法。

发明内容

本发明提出了一种量子传感模块、量子电流互感器及电流测量方法，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：一种量子传感模块，包含：

一量子探头，所述量子探头包含一金刚石敏感单元以及一微波辐射器，所述金刚石敏感单元位于所述微波辐射器的工作区，所述金刚石敏感单元含NV色心；

一激光模块，用于输出激励激光，所述激励激光被配置为照射所述金刚石敏感单元以使其产生光致荧光；

一微波模块，用于输出微波信号，所述微波信号被配置为通过所述微波辐射器形成微波场辐射至对应的金刚石敏感单元处；

一光电探测模块，被配置为接收所述金刚石敏感单元产生的光致荧光并转变输出电压信号；

一锁相放大器，包含调制单元和解调单元，所述调制单元被配置为向所述微波模块输出微波调制信号，所述解调单元被配置为解调所述电压信号并输出解调结果；

一频率锁定模块，包含PID单元和频率获取单元，所述PID单元被配置为将所述解调结果作为输入值并输出频率调节参数，所述频率调节参数被配置为调节所述微波模块的微波输出频率，所述频率获取单元被配置为读取所述微波模块的微波输出频率；

一数据处理模块，用于数据分析处理。

如上所述的量子传感模块，在本申请的一些实施方式中，所述量子探头包含一根传输光纤，所述金刚石敏感单元安装于所述传输光纤的一侧端面的光传导区；或

所述量子探头包含两根传输光纤，且两根传输光纤熔接为一体，所述金刚石敏感单元安装于两根传输光纤之间的熔接面。

如上所述的量子传感模块，在本申请的一些实施方式中，所述锁相放大器为双相数字解调器。

本申请的另一个方面提供了一种量子电流互感器，所述量子电流互感器设置有如上所述的量子传感模块，用于测量导体中电流，其还包含一导体通道，所述导体通道外侧设有外磁屏蔽器，所述金刚石敏感单元安装于所述导体通道与外磁屏蔽器之间的一个虚拟环形圈上；

另外，当量子电流互感器应用了多个所述量子传感模块时，所有的金刚石敏感单元被配置为等间距分布在所述虚拟环形圈上。

如上所述的量子电流互感器，在本申请的一些实施方式中，所述金刚石敏感单元为含系综NV色心的金刚石粒，所述虚拟环形圈上对应金刚石粒所在点的切线与金刚石敏感单元的四个色心轴向的夹角大小一致或均不相等。

如上所述的量子电流互感器，在本申请的一些实施方式中，还包含聚磁器，所述金刚石敏感单元安置于所述聚磁器的聚磁气隙。

如上所述的量子电流互感器，在本申请的一些实施方式中，在量子电流互感器应用了多个所述量子传感模块的情况，所述量子传感模块的数量为4n个，n为正整数。

如上所述的量子电流互感器，在本申请的一些实施方式中，所述导体通道外侧还设有内磁屏蔽器，所述金刚石敏感单元位于内磁屏蔽器的外侧。

如上所述的量子电流互感器，在本申请的一些实施方式中，还包含偏置磁源，所述偏置磁源被配置为可向所述金刚石敏感单元施加任意角度的偏置磁场。

如上所述的量子电流互感器，在本申请的一些实施方式中，还包含一次环，所述导体通道位于所述一次环内孔中，所述外磁屏蔽器以及金刚石敏感单元均位于所述一次环的内腔中。

如上所述的量子电流互感器，在本申请的一些实施方式中，还包含导体棒，所述导体棒的中心轴线与所述一次环的内孔中心轴线重合，且所述导体棒的中心轴线垂直相交所述虚拟环形圈的圆心。

如上所述的量子电流互感器，在本申请的一些实施方式中，还包含绝缘子，所述一次环安装于绝缘子顶端，所述绝缘子内设贯穿其上下侧的线缆通道。

本申请的另一个方面还提供了一种电流测量方法，所述电流测量方法应用了如前所述的量子电流互感器，包含：

初始参数获取步骤：控制微波模块输出扫频微波信号，基于扫频微波信号绘制出量子探头的ODMR谱线，并获取ODMR谱线上磁共振特征点处的微波共振频率，记为初始微波频率；

导体电流正式测量步骤：控制微波模块使其以初始微波频率输出点频微波信号，设置锁相放大器输出调频信号对所述点频微波信号进行调制，基于点频微波信号启动量子电流互感器实施光探测磁共振检测过程，量子电流互感器测量待测通电导体产生的磁场并获取解调结果，PID单元依据解调结果和目标值对微波模块进行反馈调节，以使其微波输出频率切换为表征待测通电导体产生的磁场的可用共振频率，所述频率获取单元抓取所述可用共振频率并传递至数据处理模块，数据处理模块分析处理所述可用共振频率得到待测通电导体内电流信息。

如上所述的电流测量方法，在本申请的一些实施方式中，导体电流正式测量步骤中，通过双相数字解调法对电压信号进行解调以获取解调结果，并通过相位调整，使得解调的两项分量值其中之一为近零值，以另一项分量值作为PID单元的输入值与目标值进行比对，输出调节微波模块的频率调节参数。

如上所述的电流测量方法，在本申请的一些实施方式中，所述量子电流互感器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。

如上所述的电流测量方法，在本申请的一些实施方式中，所述量子电流互感器还包含特征点自获取模块，所述特征点自获取模块用于自动识别ODMR谱线上的磁共振特征点，并获取磁共振特征点处所对应的微波共振频率。

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磁场都得绘制ODMR扫频谱线，其可通过目标数据与解调结果的比对，来快速实现对变化的磁共振频率的跟踪，极大缩短了对新的磁共振频率的获取时间，提高了量子电流互感器的测量速度。

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为系综金刚石NV色心的四个轴向示意图；

图2为实施例一中量子传感模块的系统示意图；

图3为解调值R值作为纵坐标绘制的ODMR谱线；

图4为解调Y项分量值作为纵坐标绘制的ODMR谱线；

图5为实施例一中量子传感模块的结构示意图；

图6为实施例一中量子探头的一结构示意图；

图7为实施例一中量子探头的另一结构示意图；

图8为实施例二中量子电流互感器的结构示意图（应用单个量子传感模块）；

图9为实施例二中量子电流互感器的另一部分结构示意图（应用四个量子传感模块）；

图10为实施例二中应用聚磁器的一种使用示意图（应用四个量子传感模块）；

图11为为实施例二中一次环与导体棒的组合示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，现在参考附图描述一个或多个实施例，其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

金刚石中的NV（氮-空位）色心是一种常见的缺陷，它由一个氮原子和相邻的空位（即缺少一个碳原子）组成。这种结构在金刚石中引入了一个未成对的电子，使得NV色心具有顺磁性。此外，NV色心还能在光的照射下产生荧光，因此在金刚石的光学和电子学应用中具有重要意义；NV色心在金刚石中的形成通常需要经过一定的处理，例如通过离子注入或电子束辐照等方式将氮原子引入金刚石晶格，然后通过高温退火处理使氮原子与相邻的空位结合形成NV色心。此外，金刚石中的其他杂质和缺陷也可能影响NV色心的性质，因此对金刚石的纯度和晶体质量有较高的要求。

由于NV色心具有良好的荧光性能和顺磁性，因此在生物标记、量子信息、磁性成像等领域有潜在的应用前景。例如，NV色心可以作为荧光标记物用于细胞和组织的成像和检测，也可以作为量子比特用于量子计算和量子通信。此外，由于NV色心的顺磁性，可以利用它进行磁性成像和磁性传感器的开发。

当金刚石中具备大量的NV色心时（及含有系综NV色心），由于金刚石晶格的特殊性，随机朝向的NV色心会使得该金刚石NV色心具备四个夹角确定的色心轴向（如附图1所示），此时，金刚石系综NV色心作为敏感单元具备了矢量探测能力。

光探测磁共振（ODMR）原理的关键是利用光学的敏感性和高分辨率来探测磁共振信号。在金刚石NV色心的光探测磁共振实验中，首先需要将金刚石NV色心放置在外加磁场中，以使金刚石NV色心中的原子核或电子磁矩能够与外加磁场相互作用。然后，通过向样品中辐射特定频率的微波，使金刚石NV色心中的原子核或电子发生能级跃迁，这些能级跃迁导致金刚石NV色心吸收或发射特定频率的电磁辐射，形成磁共振信号，再通过光学技术对磁共振信号进行检测，通过磁共振信号与磁场等物理量之间的标定及换算，可以实现量子传感测量。

所谓ODMR谱线，一般指通过扫频法实施光探测磁共振测量法绘制出的探测曲线（该曲线又分为调制和不调制两种，曲线上磁共振频率所在点又称为磁共振特征点，在调制的ODMR谱线上，磁共振特征点为过零点，在不调制的ODMR谱线上，磁共振特征点为共振峰峰值点），由于其使用扫频微波进行工作，因而谱线绘制时间长，不利于快速提取特征值进行磁场计算。

实施例一

参见附图2，本实施例公开一种量子传感模块，包含一量子探头、一激光模块、一微波模块、一光电探测模块、一锁相放大器、一频率锁定模块以及一数据处理模块。

在本例中，所述量子探头包含一金刚石敏感单元以及一微波辐射器，所述金刚石敏感单元位于所述微波辐射器的工作区，所述金刚石敏感单元含NV色心；作为一些优选的设计，所述微波辐射器可以是微带天线或螺旋铜线，所述金刚石敏感单元为含系综NV色心的金刚石粒。

在本例中，激光模块用于输出激励激光，所述激励激光被配置为照射所述金刚石敏感单元以使其产生光致荧光；作为一些优选的设计，所述激光模块输出的激励激光的波长为532nm，在此激光照射下，金刚石敏感单元会产生红色的光致荧光。

在本例中，微波模块用于输出微波信号，所述微波信号被配置为通过所述微波辐射器形成微波场辐射至对应的金刚石敏感单元处；作为一些优选的设计，微波模块包含微波源、微波放大器以及微波环形器，微波源是微波信号的发射源，微波放大器可以将微波功率放大，微波环形器可以防止微波信号的反向传输。

在本例中，光电探测模块被配置为接收所述金刚石敏感单元产生的光致荧光并转变输出电压信号；作为一些优选的设计，所述光电探测模块包含光电二极管（如雪崩二极管）以及滤波结构（滤波片），射向光电二极管的光致荧光需要提前经滤波结构进行杂散光的过滤。

在本例中，锁相放大器包含调制单元和解调单元，所述调制单元被配置为向所述微波模块输出微波调制信号，所述解调单元被配置为解调所述电压信号并输出解调结果；作为一些优选的设计，锁相放大器为双相数字解调器。

在本例中，频率锁定模块包含PID单元和频率获取单元，所述PID单元被配置为将所述解调结果作为输入值并输出频率调节参数，所述频率调节参数被配置为调节所述微波模块的微波输出频率，所述频率获取单元被配置为读取所述微波模块的微波输出频率；关于PID单元，其具备一个输入值和一个目标值，通过二者比对可输出一个反馈调节参数，改变输入值直至其与目标值相等或接近，本例中，锁相放大器输出的解调结果作为PID单元的输入值。

在本例中，数据处理模块用于数据分析处理；在一些具体的设计中，数据处理模块包含于上位机中，内部至少录入有根据微波共振频率进行磁场计算的程序方法、实现ODMR谱线绘制的功能模块等。

为便于理解PID单元在本实施例中作用和原理，此处进行示例性解释，当通过扫频微波对金刚石NV色心实施光探测磁共振测量，测量输出的荧光信号经光电探测模块转换为电压信号后输给锁相放大器，经双向数字解调法解调后（设置微波调制信号为调频信号）得到解调结果（解调值R值、解调X项分量值、解调Y项分量值以及相位值），当以不同解调结果和微波频率分别为纵坐标和横坐标构建ODMR谱线时，会得到类似如图3（以解调值R值为纵坐标绘制）或图4（以解调Y项分量值为纵坐标绘制）所示的谱线，分析谱线可知，磁共振特征点均为过零点，因而在切换磁场时，只需要使得纵坐标为零，即可追寻到当前磁场下的微波共振频率（即过零点处的横坐标），基于此道理，我们设定PID单元的目标值为0，即可实现对微波共振频率的快速锁定（从前一磁场的微波共振频率快速切换至下一磁场的微波共振频率），此种微波共振频率的获取方法，无需通过大范围扫频绘制ODMR谱线，极大提高了微波共振频率的获取速度，也即提高了测磁效率。

为便于理解本实施例，此处介绍一种量子传感模块的示例性结构组成设计，如附图5所示，其包含量子探头1、激光模块2、微波模块3、光电探测模块4、锁相放大器5、频率锁定模块6以及数据处理模块7，其中，量子探头1包含金刚石敏感单元11以及微波辐射器12，激光模块2包含532nm激光器21及光调制器22，微波模块3包含微波源31、微波放大器32以及微波环形33器，光电探测模块4包含光电二极管41、滤波片42以及双色片43，以上器件的具体连接方式如图所示（应当明白，该结构还应包含一些必备的基础连接器，如光纤、光纤耦合器、电信号传输线缆等），此处不再赘述，基于其连接方式形成以下工作原理，激光器21启动产生532nm激光，经光调制器22调制后的激光经双色片43（红透蓝反双色片）反射，并耦合至光纤中传输至金刚石敏感单元11，微波源31输出微波信号，微波信号依次经过微波放大器32以及微波环形33器，最后通过射频传输线传输至微波辐射器12，微波辐射器12将微波信号通过场形式辐射至金刚石敏感单元11；经过微波与激光双重作用，金刚石敏感单元11产生红色光致荧光，荧光沿路返回并透过双色片43，再经滤波片42过滤杂散光之后被光电二极管41接收并形成电信号，电信号传输至锁相放大器5进行解调处理（锁相放大器5还对微波源31进行微波调制），解调结果传输至频率锁定模块6，当外界磁场变换，频率锁定模块6能时刻快速锁定对应的微波共振频率，通过数据处理模块7对微波共振频率进行后续处理，可得到待测物理量。

对于实施例一中提及的量子探头，其中对于金刚石敏感单元的激光激发及荧光回收的方式多种多样，在一些优选的结构设计示例中，如附图6所示，量子探头包含一根传输光纤，所述金刚石敏感单元安装于所述传输光纤的一侧端面的光传导区，此种结构中，用于激发金刚石敏感单元的激励激光及其产生的光致荧光均通过同一条传输光纤进行传输，光激发及采集过程均通过同一端实现；或者如附图7所示，所述量子探头包含两根传输光纤，且两根传输光纤熔接为一体，所述金刚石敏感单元安装于两根传输光纤之间的熔接面，此种结构中，激励激光从一侧的传输光纤传输至金刚石敏感单元，光致荧光从另一侧的传输光纤传输至光电探测模块。

在一些优选设计中，所述锁相放大器为双相数字解调器；经所述双相解调子单元解调得到的解调结果包含解调值R值、解调X项分量值、解调Y项分量值以及相位值；更进一步的设计中，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，具体的解释是，在采用双相数字锁相放大器进行调制解调，并希望绘制的ODMR谱线如附图4所示时（以解调Y项分量值为纵坐标绘制），需要进行初始相位调整（即需要通过相位调整，使得解调X项分量值趋近于零值），以获得更准确的测量需求，常规的，都是通过手动不断调节初始相位，并观测其中一项分量值是否满足设定目标来进行的，此过程自动化较低，因而在软件程序上进行了自动化设计，具体的一个示例中，设定目标可以为：以使得解调X项分量值或解调Y项分量值等于零或零附近（即近零值），根据此设定目标，软件程序可以不断修正初始相位，并通过判断是否达成设定目标，来完成闭环，该程序编程较为简单，此处不再赘述。

对于实施例一而言，其可以实现对磁场的测量，考虑到电磁之间的转换关系，本发明还提供了一种用于电流测量的实施例二。

实施例二

如附图8所示，本实施例公开一种量子电流互感器，用于测量导体中电流，应用了一个或多个如实施例一中所述的量子传感模块（为便于展示，附图8中所涵盖的量子传感模块的结构与附图5所示结构一致，但应该理解，本例中的量子传感模块的结构不止于此），还包含一导体通道8，所述导体通道8外侧设有外磁屏蔽器9，所述金刚石敏感单元1安装于所述导体通道8与外磁屏蔽器9之间的一个虚拟环形圈上；

另外，如附图9所示，当量子电流互感器应用了多个所述量子传感模块时，所有的金刚石敏感单元1被配置为等间距分布在所述虚拟环形圈上。

考虑到环路积分对于磁测量噪声的抑制机理，作为一种优选的实施例，在量子电流互感器应用了多个所述量子传感模块的情况，所述量子传感模块的数量为4n个，n为正整数，更优选的，n取1或2，在此种情况，多个量子传感模块测量的磁场信息经过求和取平均之后会起到很好的外部磁场消除效果，提升了电流测量的精度。

在一些实施例中，量子电流互感器中使用的金刚石敏感单元为含系综NV色心的金刚石粒，其能够产生更强的荧光激发效果，有利于荧光数据的采集，对于系综NV色心而言，其具备四种NV色心轴向，基于不同方向的磁场与四种NV色心轴向的相互作用，表现在ODMR谱线上，会形成多种峰形（2峰或4峰或6峰或8峰）。

其中，对于2峰ODMR谱线，由于其峰数量少，其对应需要锁定跟踪的微波共振频率就少，锁定难度低、速度快，非常适合需要快速获取电流测量结果的情况，为实现此目标，在一些优选示例中，可以使得前述提及的虚拟环形圈上对应金刚石粒所在点的切线与金刚石敏感单元的四个色心轴向的夹角大小一致，此时即会产生2峰的ODMR谱线。

另外，对于8峰ODMR谱线，基于多向轴向与磁场的分量关系，其可以实现对磁场的矢量测量，此种情况下，虽然其需要锁定跟踪的微波共振频率数量多，但是其矢量测量的电流结果能够很好满足一些检测需求，为满足此目标，在另一些优选示例中，以使得前述提及的虚拟环形圈上对应金刚石粒所在点的切线与金刚石敏感单元的四个色心轴向的夹角均不同，此时即会产生8峰的ODMR谱线。

考虑到电流检测环境的复杂性，尤其是小电流场景（通电导体产生的磁场与外部干扰磁场大小相差不大的情况下），为进一步提升电流测量的准确性，在一些实施例中，如附图10（四个量子探头的情境）所示，量子电流互感器还增设了聚磁器，所述金刚石敏感单元安置于所述聚磁器的聚磁气隙，通过聚磁器放大待测通电导体产生磁场，弱化外部磁场的作用占比，即可提高电流测量的精度。

当然，为进一步提高设备抑制外部磁场干扰的能力，在一些实施例中，如附图8所示，还设置了内磁屏蔽器91，所述金刚石敏感单元1位于内磁屏蔽器91的外侧，内外磁屏蔽器的搭配设计，更充分的提高了设备的降噪能力。

在一些场景，需要提供一些额外磁场，来完成对量子电流互感器的初始调试或者相应测试（下文会继续对偏置磁源的作用做一些补充解释），基于此，在一些实施例中，量子电流互感器还配设偏置磁源，所述偏置磁源被配置为可向所述金刚石敏感单元施加任意角度的偏置磁场，其中，偏置磁源可以是永磁铁也可以是通电线圈。

基于一些实际应用方面的考虑，如附图8和附图9所示，量子电流互感器还包含一次环10，所述导体通道位8于所述一次环10的内孔中，所述外磁屏蔽器9以及金刚石敏感单元1均位于所述一次环10的内腔中，一次环10一方面有利于一些前端器件的安装，另一方面可以起到很好的保护作用；进一步的方案中，如附图11所示，量子电流互感器还包含导体棒101，所述导体棒101的中心轴线与所述一次环10的内孔中心轴线重合，且所述导体棒101的中心轴线垂直相交所述虚拟环形圈的圆心，即意味着各个量子探头距离导体棒101的距离相等，即保证了导体磁场测量的一致性；更进一步的方案中，所述一次环10安装于一绝缘子的顶端，所述绝缘子内设贯穿其上下侧的线缆通道，用于安装光纤及电线等传输件。

在另一方面，本文还提出了一种适用于前述量子电流互感器的电流测量方法，该方法包含初始参数获取步骤以及正式测量步骤，其中：

其中，初始参数获取步骤：控制微波模块输出扫频微波信号，基于扫频微波信号绘制出量子探头的ODMR谱线，并获取ODMR谱线上磁共振特征点处的微波共振频率，记为初始微波频率；

在初始参数获取步骤，金刚石敏感单元在扫频微波信号和激光信号的双重作用下，输出反馈荧光，基于该探测信号进行处理制图，可获取目标ODMR谱线，关于目标ODMR谱线的线型一般可为两种，一种是磁共振特征点为过零点（对扫频微波进行了调制），另一种是磁共振特征点为峰值点（未对扫频微波进行调制），此步骤中，PID单元并未开始作用；当得到扫频ODMR谱线后，可以使用手动点取获取微波共振频率，当然也可以设置软件程序，自动实现对微波共振频率的获取，此种情况下，所述量子电流互感器还包含特征点自获取模块，所述特征点自获取模块用于自动识别ODMR谱线上的磁共振特征点，并获取磁共振特征点处所对应的微波共振频率。

关于初始参数获取步骤的意义，起因是基于调频下的ODMR谱线，经分析可知，任意磁场的微波共振频率在调频下的ODMR谱线上均属于过零点的横坐标，因而我们若基于过零点设定锁定条件，即可快速锁定下一磁场的微波共振频率，当然前提是，我们得具备匹配当前金刚石敏感单元的一个起点微波共振频率，这就是此步骤的实际目的。

其中，导体电流正式测量步骤：控制微波模块使其以初始微波频率输出点频微波信号，设置锁相放大器输出调频信号对所述点频微波信号进行调制，基于点频微波信号启动量子电流互感器实施光探测磁共振检测过程，量子电流互感器测量待测通电导体产生的磁场并获取解调结果，PID单元依据解调结果和目标值对微波模块进行反馈调节，以使其微波输出频率切换为表征待测通电导体产生的磁场的可用共振频率，所述频率获取单元抓取所述可用共振频率并传递至数据处理模块，数据处理模块分析处理所述可用共振频率得到待测通电导体内电流信息。

正式测量时，无需再使用扫频微波，直接以点频微波信号（即前述步骤获取的初始微波频率）配合激光信号进行工作，PID单元对起始的点频微波信号进行追踪，当外部磁场变化，通过其可以实现对微波共振频率的快速锁定，继而可以实现电流快速测量过程。

前述电流测量方案中，提到使用解调结果与目标数据进行比对，以获取频率调节参数，其中，关于解调结果，不同的解调方式解调结果的表达形式也不同，如，单相解调时，解调结果仅包含解调值R值（非负）；双相解调时，解调结果包含解调值R值（非负）、解调X项分量值、解调Y项分量值以及相位值。

为便于更进一步的理解，此处作以下解释：使用解调值R值和微波频率构建的ODMR谱线如附图3所示，若以解调值R值作为PID单元的输入值与目标值进行比对，分析谱线，当磁场切换时，新的磁共振特征点为图上的过零点（过零点即为PID锁定的目标，因而一般设定目标值为0），上一磁场的磁共振特征点为A点（或B点），为实现磁共振特征点从A点（或B点）到过零点的移动，需要提供一个频率调节参数，如磁共振特征点在A点，则需设置正频率调节参数以增大微波信号的频率，若磁共振特征点在B点，则需设置负频率调节参数以减小微波信号的频率，因而在输出频率调节参数时，还需要判断反馈调节的方向，常规的解决方案是：随机施加一个正（或负）频率调节参数，再判断调节后的解调结果是否靠近了零点，如是，则继续施加正（或负）频率调节参数，直至完成频率锁定过程；若否，则施加负（或正）频率调节参数来进行频率调节，这种频率调节方法，由于需要进行调节方向的判断，导致频率调节时间较长，且存在带宽限制（以附图3为例，只有在两个波峰峰值点之间的部分才可实施如上调节步骤）。

由于前述微波信号反馈调节时需要考虑方向，因而会额外增加频率锁定的速度，影响整机测量速度。

为提升PID单元的反馈调节效率，提出如下优选方案设计：

在正式测量步骤中，通过双相数字解调法对电压信号进行解调；

通过相位调整，使得解调的两项分量值其中之一为近零值，以另一项分量值作为PID单元的输入值与目标值进行比对，输出微波信号的频率调节参数。

示例性的方案中，使用双相数字锁相放大器进行工作，其通过双相数字解调法对电压信号进行解调，输出的解调结果包含解调值R值、解调X项分量值、解调Y项分量值以及相位值；对此双相数字锁相放大器进行相位调节（指调频信号或参考信号的相位），使得解调X项分量值（或解调Y项分量值）为零，以解调Y项分量值（或解调X项分量值）作为PID单元的输入值，并设置目标值，对比输入值和目标值输出频率调节参数，对微波源输出的微波信号进行调节。

为便于理解，此处作以下解释：使得解调X项分量值为零，以解调Y项分量值作为PID单元的输入值，并设置目标值为0，此种情境下，以解调Y项分量值和微波频率构建ODMR谱线，会如附图4所示，当磁场变换，新的磁共振特征点为图上的过零点（过零点即为PID锁定的目标，当解调结果等于0时，即意味着是磁共振特征点，因而一般设定目标值为0），上一磁场的磁共振特征点为A点（或B点），为实现磁共振特征点从A点（或B点）到过零点的移动，需要提供一个频率调节参数，分析附图4所示谱线，会发现，解调Y项分量值在过零点前后具有正负之分，因而当解调Y项分量值大于0 ，则减小微波信号频率即可，反之增大微波信号频率即可，这种反馈调节方式更加迅速，有效缩短了PID单元的调节时间，提升了量子电流互感器整机的测量速度，且测量带宽更广。

前述方案中，提到通过初始相位调整，使得解调的两项分量值其中之一为近零值，关于近零值，其值最佳选为0，但也可以在0值上下小幅度波动（可限定波动幅度小于分量值幅值的10%）；常规的，通过手动调节初始相位，并实时观测锁相上选定的分量值是否为零，当然也可以通过设计软件程序实现自动化相位调整，此种情况下，所述量子电流互感器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。

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 (16)

1.一种量子传感模块，其特征在于，包含：

一量子探头，所述量子探头包含一金刚石敏感单元以及一微波辐射器，所述金刚石敏感单元位于所述微波辐射器的工作区，所述金刚石敏感单元含NV色心；

一激光模块，用于输出激励激光，所述激励激光被配置为照射所述金刚石敏感单元以使其产生光致荧光；

一微波模块，用于输出微波信号，所述微波信号被配置为通过所述微波辐射器形成微波场辐射至对应的金刚石敏感单元处；

一光电探测模块，被配置为接收所述金刚石敏感单元产生的光致荧光并转变输出电压信号；

一锁相放大器，包含调制单元和解调单元，所述调制单元被配置为向所述微波模块输出微波调制信号，所述解调单元被配置为解调所述电压信号并输出解调结果；

一频率锁定模块，包含PID单元和频率获取单元，所述PID单元被配置为将所述解调结果作为输入值并输出频率调节参数，所述频率调节参数被配置为调节所述微波模块的微波输出频率，所述频率获取单元被配置为读取所述微波模块的微波输出频率；

一数据处理模块，用于数据分析处理。

2.根据权利要求1所述的量子传感模块，其特征在于，所述量子探头包含一根传输光纤，所述金刚石敏感单元安装于所述传输光纤的一侧端面的光传导区；或

所述量子探头包含两根传输光纤，且两根传输光纤熔接为一体，所述金刚石敏感单元安装于两根传输光纤之间的熔接面。

3.根据权利要求1所述的量子传感模块，其特征在于，所述锁相放大器为双相数字解调器。

4.一种量子电流互感器，用于测量导体中电流，应用了一个或多个如权利要求1-3中任一项的量子传感模块，其特征在于，还包含一导体通道，所述导体通道外侧设有外磁屏蔽器，所述金刚石敏感单元安装于所述导体通道与外磁屏蔽器之间的一个虚拟环形圈上；

另外，当量子电流互感器应用了多个所述量子传感模块时，所有的金刚石敏感单元被配置为等间距分布在所述虚拟环形圈上。

5.根据权利要求4所述的量子电流互感器，其特征在于，所述金刚石敏感单元为含系综NV色心的金刚石粒，所述虚拟环形圈上对应金刚石粒所在点的切线与金刚石敏感单元的四个色心轴向的夹角大小一致或均不相等。

6.根据权利要求4所述的量子电流互感器，其特征在于，还包含聚磁器，所述金刚石敏感单元安置于所述聚磁器的聚磁气隙。

7.根据权利要求4所述的量子电流互感器，其特征在于，在量子电流互感器应用了多个所述量子传感模块的情况，所述量子传感模块的数量为4n个，n为正整数。

8.根据权利要求4所述的量子电流互感器，其特征在于，所述导体通道外侧还设有内磁屏蔽器，所述金刚石敏感单元位于内磁屏蔽器的外侧。

9.根据权利要求4所述的量子电流互感器，其特征在于，还包含偏置磁源，所述偏置磁源被配置为可向所述金刚石敏感单元施加任意角度的偏置磁场。

10.根据权利要求4所述的量子电流互感器，其特征在于，还包含一次环，所述导体通道位于所述一次环内孔中，所述外磁屏蔽器以及金刚石敏感单元均位于所述一次环的内腔中。

11.根据权利要求10所述的量子电流互感器，其特征在于，还包含导体棒，所述导体棒的中心轴线与所述一次环的内孔中心轴线重合，且所述导体棒的中心轴线垂直相交所述虚拟环形圈的圆心。

12.根据权利要求10所述的量子电流互感器，其特征在于，还包含绝缘子，所述一次环安装于绝缘子顶端，所述绝缘子内设贯穿其上下侧的线缆通道。

13.一种电流测量方法，应用了如权利要求4-12任一项所述的量子电流互感器，其特征在于，包含：

初始参数获取步骤：控制微波模块输出扫频微波信号，基于扫频微波信号绘制出量子探头的ODMR谱线，并获取ODMR谱线上磁共振特征点处的微波共振频率，记为初始微波频率；

导体电流正式测量步骤：控制微波模块使其以初始微波频率输出点频微波信号，设置锁相放大器输出调频信号对所述点频微波信号进行调制，基于点频微波信号启动量子电流互感器实施光探测磁共振检测过程，量子电流互感器测量待测通电导体产生的磁场并获取解调结果，PID单元依据解调结果和目标值对微波模块进行反馈调节，以使其微波输出频率切换为表征待测通电导体产生的磁场的可用共振频率，所述频率获取单元抓取所述可用共振频率并传递至数据处理模块，数据处理模块分析处理所述可用共振频率得到待测通电导体内电流信息。

14.根据权利要求13所述的电流测量方法，其特征在于，导体电流正式测量步骤中，通过双相数字解调法对电压信号进行解调以获取解调结果，并通过相位调整，使得解调的两项分量值其中之一为近零值，以另一项分量值作为PID单元的输入值与目标值进行比对，输出调节微波模块的频率调节参数。

15.根据权利要求14所述的电流测量方法，其特征在于，所述量子电流互感器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。

16.根据权利要求13所述的电流测量方法，其特征在于，所述量子电流互感器还包含特征点自获取模块，所述特征点自获取模块用于自动识别ODMR谱线上的磁共振特征点，并获取磁共振特征点处所对应的微波共振频率。