[发明专利]基于金刚石NV色心的电流测量装置及测量方法

说明书

本发明涉及电流传感器技术领域，方案为一种基于金刚石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；本发明的传感器结构简单，实用性强，并且可以抵抗外界干扰，体现很强的鲁棒性，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在一定程度上不会对探测结果造成影响，使用起来更加便利，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。

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色心的电流测量装置及测量方法。

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色心的电流测量装置及测量方法，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色心的电流测量装置及测量方法，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色心的电流测量装置，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。