基于金刚石NV色心的光纤电流互感器及测量方法

技术领域

本发明涉及电流传感器技术领域，具体涉及到一种基于金刚石NV色心的光纤电流互感器及测量方法。

背景技术

对于电流传感，目前有各种探测手段，比如通电导体会在磁场中做机械运动，继而出现了原始的机械式电流表，也有将电流转化为热的热电偶式仪表，但是这些测量仪器或者传感器会与测量对象进行串联接触式的探测，结果会改变电路或者通电设备的工作状态，很难实现对正常工作的电路或者通电导体中的电流进行准确探测。为了解决这个问题，后来提出了非接触式的电流测量，即利用电流的磁效应，将电流测量转换为磁场测量，最后电流测量的精度也就转换为磁场探测的精度。

对于磁场测量，相比于传统基于霍尔效应等电学原理的磁场传感，光纤磁场传感最近几十年才发展起来。到目前为止基于光纤的磁场探测主要有两种：一种是利用某种介质使得光和磁场发生磁致旋光效应，紧接着探测偏振光的偏振特性改变，另一种是利用磁场敏感材料，比如磁致伸缩材料，磁流体等，这些材料的特征在于其形貌会随着磁场发生变化，利用光纤干涉系统来测出位移变化。尽管此两种方法的研究在国内外展开了各种研究，并且也到了可观的测量灵敏度，但是仍在存在着很多的问题，比如传感器的性能过分依赖于材料对磁场的敏感强度、光纤物理特性(长度，形状)，使得其在使用过程中的稳定性以及检测精度得不到很好的保证，这些因素最终也限制了基于光纤磁场传感器的发展。

近些年金刚石NV色心的研究在量子传感领域开辟了无限的可能性，尤其在磁场测量方面，发展出了以ODMR为主的探测方法，并实现了nT以下的探测灵敏度，只不过这些技术都是基于共聚焦光路系统，结构复杂，成本高，很难推广。

基于此，本发明设计了一种基于金刚石NV色心的光纤电流互感器及测量方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明提出了一种基于金刚石NV色心的光纤电流互感器及测量方法，该互感器将光纤和金刚石NV色心耦合在一起作为探测头，通过其实现高灵敏度的电流传感，并且其探测过程与光纤本身的材料性质和形状相关性可以忽略，有效避免了光纤物理状态对测量结果的影响，其测量灵敏度只取决于激发光的强度、金刚石中的NV色心浓度以及荧光的收集效率，极大地拓宽了提高测量灵敏度的空间，另外，本发明结合不同聚磁能力的导磁体，利用此光纤探测器可以精准的实现小至mA，大致kA量级的电流测量，且本发明结构相对简单，成本低，易于推广。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于金刚石NV色心的光纤电流互感器，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；

激光激发及反射光接收分析设备，用于激发激光束至金刚石NV色心探头中，并对金刚石NV色心探头反射回来的混合激光束进行筛分，对留存的NV色心反射荧光进行数据分析；

金刚石NV色心探头，其设置于激光激发及反射光接收分析设备的原始激光束输出端，用于接收原始激光束并反射产生混合激光束；

聚磁器，其置于待测通电导体的外围，用于增大待测通电导体外围的磁场；

微波激发设备，其微波激发部分环绕在金刚石NV色心探头或聚磁器的外围，用于进行微波扫频。

优选的，所述激光激发及反射光接收分析设备包括激光器、反射镜、双色片、光纤耦合器、滤波片、光纤、光电探测器、荧光分析处理器以及电脑，使用时，所述激光器对着反射镜发射原始激光束，经过反射的原始激光束通过双色片二次反射后经一个光纤耦合器耦合后进入光纤，最后进入金刚石NV色心探头，金刚石NV色心探头受原始激光束照射后产生反射荧光，该反射荧光与原始激光束组成混合激光束，混合激光束沿光纤返回，经过双色片的过滤作用，混合激光束中的反射荧光穿透双色片，该部分反射荧光再经滤波片二次过滤后得到检测荧光，得到的检测荧光经过另一个光纤耦合器耦合后进入与光电探测器连接的光纤中，光电探测器对检测荧光进行探测，并将探测数据传输进入荧光分析处理器中进行信号分析和处理。

优选的，所述金刚石NV色心探头包括含高浓度NV色心的金刚石，所述金刚石通过熔接或粘结的方式设置在光纤的端面中部。

优选的，所述光电探测器为雪崩二极管或光电二极管，所述荧光分析处理器为锁相放大器。

优选的，所述微波激发设备包括微波天线以及微波源，所述微波天线为环绕在金刚石NV色心探头外围或聚磁器外围的线圈，使用时，微波源产生调幅的微波，其可以对NV色心发射的荧光进行调制，而荧光被光电探测器接收，最终作为荧光分析处理器的输入信号，同时微波源输出的射频信号作为荧光分析处理器的参考信号。

一种基于金刚石NV色心的光纤电流互感器的测量方法，包含全光学测量法、非全光学测量法以及两种方法结合使用的测量方法，其中：

1)全光学测量法

测量大电流的通电导体时，将聚磁器置于待测通电导体的外围，将金刚石NV色心探头置于聚磁器的聚磁气隙中，且使得金刚石的[100]晶向与聚磁气隙内的磁场平行，激光激发及反射光接收分析设备发射原始激光束，通过原始激光束照射金刚石，金刚石反射的荧光返回激光激发及反射光接收分析设备中，通过分析反射荧光进而估算出外界磁场的大小，进而计算出导体中的电流大小；

在非全光学测量法过程中，所述的光学探测磁共振方法其原理如下：

考虑NV色心外围存在磁场B以及微波Ωcos(2πft)，二者相互作用，忽略系综色心内部应力的影响，此时NV色心的基态哈密顿量为：

其中，Z为NV色心的轴向，B

检测时，使得金刚石晶格[100]方向与施加的磁场B平行，此时基于NV色心的退相干原理以及Lindblad主方程，可以得到ODMR谱，且ODMR谱满足以下关系式：

其中，C和γ分别为对比度和谱线的半高宽，f

通过测量ODMR谱中的两个峰对应的共振频率，即可推测出外界磁场B的大小，进而计算出通电导体中电流的大小。

2)非全光学测量法

测量小电流的通电导体时，将聚磁器置于待测通电导体的外围，将金刚石NV色心探头置于聚磁器的聚磁气隙中，且使得金刚石的[100]晶向与聚磁气隙内的磁场平行，激光激发及反射光接收分析设备发射原始激光束，通过原始激光束照射金刚石，与此同时启动微波源，微波源产生调制的微波并且将相同调制频率的射频作为荧光分析处理器的参考信号，通过调制的微波对NV色心发射的荧光进行扫频，得到ODMR谱，利用光学探测磁共振方法精确计算出外界磁场的大小，进而计算通电导体中的电流大小。

利用全光学测量法进行测量的原理如下：

考虑NV色心的外围不存在磁场时，其系统基态与激发态之间的跃迁速率满足电子能级跃迁速率方程；

当NV色心外围存在磁场时，且若磁场方向与NV色心的轴向不平行，外界磁场会改变NV色心能级的本征态，继而改变能级之间的跃迁速率，并最终改变电子在不同能级上的布居，且根据荧光发射强度与能级状态的依赖性，可以得出NV色心反色荧光的强度与外界磁场的大小和方向有关；

基于此，若令外界磁场与NV色心轴向的夹角保持不变，那么NV色心反射的荧光强度会随着磁场强度变化而规律性改变，基于稳态的能级跃迁方程，得出二者之间的变化关系，此时即可通过测量荧光强度，估算出外界磁场的大小，进而计算出通电导体内电流大小。

3)结合测量法

为准确测量通大电流的通电导体，先使用全光学测量法估算出聚磁气隙处磁场的大小，再取其中一磁场估算值B

在结合测量法中，施加反向磁场B

31)基于反馈式调节法，在聚磁器外围缠绕一定匝数的线圈；

32)基于磁场B

33)在线圈中施加电流I

优选的，通过外界磁场计算通电导体内电流大小的原理如下：

由于通电导体本身产生的磁场较小，不利于提高测量准确度，使用聚磁器对该部分产生的磁场进行聚集放大，放大后的磁场B

其中，B

其中，磁场B

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相比于现有技术，本发明的传感器结构简单，成本相对较低，更利于推广使用；

2、相比于现有技术，本发明的光纤只用于激发光的传输以及荧光的收集，所以光纤的弯折扭曲以及长度在一定程度上不会对探测结果造成影响，即对于材料的依赖性低，使用起来更加便利；

3、相比于现有技术，本发明中的荧光激发及收集系统，分析处理系统，传感系统是相互独立的，便于系统更换或者升级；

4、本发明还可以通过优化金刚石中的NV色心浓度以及自旋性质，继而显著的提高磁场测量的灵敏度，为更高精度的电流测量提供了可能性。

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为本发明中光纤电流互感器的的整体系统示意图；

图2为本发明中金刚石NV色心探头的其中一种结构示意图；

图3为本发明中金刚石NV色心的能级图；

图4为本发明聚磁器和通电导体的检测位置示意图；

图5为本发明中利用调幅微波探测的ODMR谱线；

图6为本发明中利用全光学方法测量磁场时，荧光强度与外界磁场的关系图。

附图标记：1-激光器，2-反射镜，3-双色片，4-光纤耦合器，5-滤波片，6-光纤，7-光电探测器，8-微波天线，9-微波源，10-荧光分析处理器，11-电脑，12-聚磁器，13-通电导体，14-金刚石，61-纤芯，62-光纤陶瓷插芯，63-绝缘表皮。

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。

关于背景技术所提及的金刚石NV色心，是指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穴，这样的点缺陷被称为NV色心，其具有C3v对称结构，对称轴在氮原子—空位连线上，可以说NV色心是一种人造原子，因为其具有稳定的能级结构，如附图3所示，在没有外磁场的情况下，NV色心的基态能级是三重态，主要包括一个单重态|m

对于含有高浓度NV的金刚石，色心之间的相互作用，以及金刚石内部的应力使得色心即使在零磁场情况下，双重态也会发生劈裂，况且地磁场总是存在着，这些效应带来的结果是ODMR会有两个峰。若施加的外磁场的方向为金刚石的[100]晶向，其结果也是两个ODMR峰，通过测量两峰对应的共振频率，就能够判断出外界磁场的大小。

此外，磁场除了影响NV色心的ODMR谱外，也会影响NV色心的荧光发射强度，尤其对于系综的NV色心，如果外界磁场方向与金刚石[100]晶向平行，那么荧光强度将会随着磁场单调变化，同样的也可以通过荧光的强弱估算磁场的大概范围，继而通过调节微波的扫描范围进行ODMR的探测，该方式节约了探测时间，提高了探测效率，尤其是在磁场较强的情况下。以上为基于NV色心的磁场探测，为接下来的电流探测提供了思路和方法。传统的电流探测大部分都是通过电流表等仪表，并且具有很高的探测精度。

基于上述思想，本发明实施例公开了一种基于金刚石NV色心的光纤电流互感器及测量方法，具体参见以下各实施例。

实施例一

如附图1-2所示，本发明提供一种新型的光纤电流互感器：

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；

激光激发及反射光接收分析设备，用于激发激光束至金刚石NV色心探头中，并对金刚石NV色心探头反射回来的混合激光束进行筛分，对留存的NV色心反射荧光进行数据分析；优选的是，该激光激发及反射光接收分析设备包括激光器1、反射镜2、双色片3、光纤耦合器4、滤波片5、光纤6、光电探测器7、荧光分析处理器10以及电脑11，使用时，激光器1对着反射镜1发射原始激光束，即532nm的激光，经过反射的原始激光束通过双色片3二次反射后经一个光纤耦合器4耦合后进入光纤6，最后进入金刚石NV色心探头，金刚石NV色心探头受原始激光束照射后产生反射荧光，该反射荧光与原始激光束组成混合激光束，混合激光束沿光纤6返回，经过双色片3的过滤作用，混合激光束中的反射荧光穿透双色片3，该部分反射荧光再经滤波片5二次过滤后得到检测荧光，得到的检测荧光经过另一个光纤耦合器4耦合后进入与光电探测器7连接的另一个光纤中，光电探测器7对检测荧光进行探测，并将探测数据传输进入荧光分析处理器10中进行信号分析和处理，其中，光电探测器7为雪崩二极管或光电二极管，荧光分析处理器10为锁相放大器；

金刚石NV色心探头，其设置于激光激发及反射光接收分析设备的原始激光束输出端，用于接收原始激光束并反射产生混合激光束；优选的是，金刚石NV色心探头包括含高浓度NV色心的金刚石14，利用气象化学沉积方法生长金刚石，期间氮气作为掺杂气体源，后续再进行800摄氏度的退火处理，使得金刚石中含有高浓度的NV色心(含量大约0.15ppm)。紧接着将金刚石切割打磨成200*200*100um的块状金刚石样品，将金刚石通过熔接或粘结的方式设置在光纤6的端面中部，进一步的，优选光纤6为多模光纤，其结构包括设在内部的纤芯61，其直径为100um，纤芯61外围设有光纤陶瓷插芯62，其直径为2.4mm，光纤陶瓷插芯62外围包覆有绝缘表皮63，金刚石14设在光纤6端部与其纤芯61接触，光纤6靠近金刚石14的一侧的绝缘表皮63被去除，示意图见附图2；

聚磁器，其置于待测通电导体的外围，用于增大待测通电导体外围的磁场，优选聚磁器为组装式C型聚磁环，其由两部分拼接组成，使用前可拆开，在对通电导体13进行测试时，将两部分拼接，使得通电电缆位于聚磁器中间，实现对通电电缆周围磁场的加强，见附图4示意图；

微波激发设备，其微波激发部分环绕在金刚石NV色心探头或聚磁器的外围，用于进行微波扫频；优选的是，微波激发设备包括微波天线8以及微波源9，微波天线8为环绕在金刚石NV色心探头外围或聚磁器外围的0.5mm的铜丝，铜丝缠绕5圈；使用时，微波源9产生调幅的微波，其可以对NV色心发射的荧光进行调制，而荧光被光电探测器7接收，最终作为荧光分析处理器10的输入信号，同时微波源9输出的射频信号作为荧光分析处理器10的参考信号；接着对微波频率进行扫频，并记录荧光分析处理器10的输出信号，就可以得到调幅的ODMR。通过拟合探测出ODMR的共振频率，就可以推测电流的大小。

实施例二

基于实施例一，本实施例具体介绍一种基于前述光纤电流互感器的非全光学测量方法，该方法具备更高的灵敏度，但是测量的动态范围较小，适用于测量通小电流的导体：

测量时，将聚磁器12置于待测通电导体13的外围，将金刚石NV色心探头置于聚磁器12的聚磁气隙(即附图4中C型环断口处)中，且使得金刚石14的[100]晶向与聚磁气隙内的磁场平行，激光激发及反射光接收分析设备发射原始激光束，通过原始激光束照射金刚石14，与此同时启动微波源9，微波源9产生调制的微波并且将相同调制频率的射频作为荧光分析处理器10的参考信号，通过调制的微波对NV色心发射的荧光进行扫频，得到ODMR谱，利用光学探测磁共振方法精确计算出外界磁场的大小，进而计算通电导体中的电流大小。

在非全光学测量法过程中，的光学探测磁共振方法其原理如下：

考虑NV色心外围存在磁场B以及微波Ωcos(2πft)，二者相互作用，忽略系综色心内部应力的影响，此时NV色心的基态哈密顿量为：

其中，Z为NV色心的轴向，B

检测时，使得金刚石晶格[100]方向与施加的磁场B平行，此时基于NV色心的退相干原理以及Lindblad主方程，可以得到ODMR谱，见附图5，且ODMR谱满足以下关系式：

其中，C和γ分别为对比度和谱线的半高宽，f

通过拟合测量ODMR谱中的两个峰对应的共振频率，即可推测出外界磁场B的大小。

当聚磁器环绕在通电导体周围，其气隙处产生的磁场B

其中，B

其中，磁场B

实施例三

基于实施例一，本实施例具体介绍一种基于前述光纤电流互感器的全光学测量方法，该方法具备更大的测量动态范围，但是灵敏度较低，适用于测量通大电流的导体：

测量时，将聚磁器置于待测通电导体的外围，将金刚石NV色心探头置于聚磁器的聚磁气隙中，且使得金刚石14的[100]晶向与聚磁气隙内的磁场平行，激光激发及反射光接收分析设备发射原始激光束，通过原始激光束照射金刚石14，金刚石14反射的荧光返回激光激发及反射光接收分析设备中，通过分析反射荧光进而估算出外界磁场的大小，进而计算出导体中的电流大小。

利用全光学测量法进行测量的原理如下：

考虑NV色心的外围不存在磁场时，其系统基态与激发态之间的跃迁速率满足电子能级跃迁速率方程，即：

当NV色心外围存在磁场时，且若磁场方向与NV色心的轴向不平行，外界磁场会改变NV色心能级的本征态，继而改变能级之间的跃迁速率，即：

k＝k

其中，B为磁场大小，θ为磁场与NV色心的轴向夹角；

并最终改变电子在不同能级上的布居，且根据荧光发射强度与能级状态的依赖性，可以得出NV色心反射荧光的强度与外界磁场的大小和方向有关；

基于此，若令外界磁场与NV色心轴向的夹角保持不变，那么NV色心反射的荧光强度会随着磁场强度变化而规律性改变，如附图6所示(纵轴表示荧光强度，横轴表示外界磁场强度)，基于稳态的能级跃迁方程，得出二者之间的变化关系，此时即可通过测量荧光强度I(B)估算出外界磁场的大小，进而计算出通电导体内电流大小，其中荧光强度I(B)与磁场强度的关系式为：

其中，k

通过荧光分析处理器可探知荧光强度大小，根据上述公式，即可估算出外界磁场的大小，再根据前述公式(3)即可计算出通电导体中的电流大小。

实施例四

基于实施例二和实施例三，本实施例介绍一种将全光学测量法与非全光学测量法结合使用的测量法，该方法既具备更大的测量动态范围，也具备灵敏度高的优点，可以更为准确地测量通大电流的通电导体：

为准确测量通大电流的通电导体，先使用全光学测量法估算出聚磁气隙处磁场的大小，再取其中一磁场估算值B

在结合测量法中，施加反向磁场B

31)基于反馈式调节法，在聚磁器外围缠绕一定匝数的线圈；

32)基于磁场B

33)在线圈中施加电流I

更进一步的，利用系综NV色心的量子属性可以获得极高的温度测量灵敏度，本发明也可以应用在微米尺寸的温度成像，在科学研究和工业领域都可以很好的发挥应用价值。

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。