CN115144638A - 基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流互感器技术领域，方案为一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，包括有外壳、光纤量子传感器以及量子检测***：所述光纤量子传感器包含一传感光纤，所述传感光纤上间隔分布有若干组金刚石NV色心；所述外壳包含一环形腔，所述传感光纤环绕安装在环形腔内，且所有金刚石NV色心距离环形腔的中心轴的距离一致；所述传感光纤的一端与量子检测***连接；本发明可利用单光路对多个金刚石NV色心进行激发以及反馈信号采集，其不仅能够完成多处测量的功能，还使得传感器内线路简单，使得设备小型化设计更简单，且容易在环形腔内增加探测点数量，提高测量准确度。

Description

基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器

技术领域

本发明涉及电流互感器技术领域，具体涉及到一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器。

背景技术

在近年来以光纤为传感元件的测量技术已成为目前传感技术中的研究热点。随着各种光纤器件的大量涌现，使用光纤及光纤器件来进行磁场、温度等传感的方法越来越受到人们的广泛关注。现有技术中光纤-量子点结合的传感技术不在少数，其中，利用光纤-量子点结合技术进行负载电流的测量是现今热门的一个研究方向。

公开号为CN110174542A的中国专利中提到了一种基于量子精密测量的高电压电流互感器，属于电流的精密测量技术领域。高电压电流互感器包括：多个量子传感器，用于测量被测载流导体周围的磁场强度，量子传感器的数量为4的倍数，均布于以所述载流导体的中心轴为圆心、预定长度为半径的虚拟圆周上；绝缘腔，设置于所述载流导体和所述量子传感器之间，填充有用于避免电容效应的绝缘气体；量子检测***，分别通过传感光纤、输出线与每个所述量子传感器连接，用于通过所述量子传感器获取所述载流导体周围的磁场强度，并根据所述磁场强度计算所述载流导体的电流；套管绝缘层，用于支撑和保护所述传感光纤、所述输出线，所述套管绝缘层和所述传感光纤、所述输出线之间设置有所述绝缘腔。

上述技术运用量子传感器测量通电导体周围磁场大小，进而通过毕奥-萨伐尔定律计算出通电导体内电流的数值，但是该电流互感器使用了多个光纤量子传感器，每个光纤量子传感器均通过单独的连接线与量子检测***连接，这使得传感器结构内部的线路繁杂，且线路之间容易相互干扰，互感器难以做到小型化。

基于此，本发明设计了一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，以解决上述问题。

发明内容

本发明提出了一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，以克服现有的电流互感装置的缺陷，更加精确地测量电流。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，包括有外壳、光纤量子传感器以及量子检测***：

所述光纤量子传感器包含一传感光纤，所述传感光纤上间隔分布有若干组金刚石NV色心；

所述外壳包含一环形腔，所述传感光纤环绕安装在环形腔内，且所有金刚石NV色心距离环形腔的中心轴的距离一致；

所述传感光纤的一端与量子检测***连接。

优选的，所述量子检测***包含激光源、声光调制器、双色片、滤波片、光电探测器、终端以及光纤耦合器，所述光纤耦合器与传感光纤连接，所述激光源产生触发激光，触发激光经过声光调制器调制为脉冲光，脉冲光经双色片反射后再经光纤耦合器进入传感光纤中，金刚石NV色心受激产生荧光信号，部分荧光信号沿着原光路返回，穿过双色片以及滤波片后被光电探测器采集，最终由终端对采集的荧光信号进行分析计算。

优选的，所述光纤量子传感器还包含微波传输线，所述微波传输线在每个金刚石NV色心处绕成微波线圈，所述量子检测***还包含微波发生单元，所述微波发生单元与微波传输线连接。

优选的，所述外壳包括圆筒体，所述圆筒体的一端开口，另一端中部开设有导体通道口，所述导体通道口的里侧设置有绕线筒，所述绕线筒的表面分布有若干组定位卡件，从绕线筒的端面视角看，所有定位卡件均布在同一圆周上。

优选的，所述传感光纤缠绕在绕线筒上，且每个金刚石NV色心均位于一个定位卡件位置处。

优选的，所述定位卡件包含一光纤探头容置腔，所述光纤探头容置腔呈弯曲弧形。

优选的，所述环形腔内上设有一大一小的两个同心的磁屏蔽环，所述光纤量子传感器布设于两个磁屏蔽环之间区域。

优选的，所述外壳上设置有线缆拉直定心机构，所述线缆拉直定心机构用于将待测载流导体拉直并使其位于环形腔的中心轴线上。

优选的，所述金刚石NV色心的数量为4n个，其中n为正整数。

优选的，所述金刚石NV色心位于传感光纤的纤芯内部。

优选的，所述金刚石NV色心位于传感光纤的纤芯***的倏逝波透射区间内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可利用单光路对多个金刚石NV色心进行激发以及反馈信号采集，其不仅能够完成多处测量的功能，还使得传感器内线路简单，使得设备小型化设计更简单，且容易在环形腔内增加探测点数量，提高测量准确度。

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为实施例一中电流互感器的结构示意图；

图2为实施例一中量子检测***的***框图；

图3为实施例一中光纤量子传感器的示意图；

图4为实施例一中外壳的结构示意图；

图5为实施例一中绕线筒的结构示意图；

图6为实施例一中绕线筒的左视图；

图7为实施例一中带有磁屏蔽环的外壳结构示意图；

图8为实施例二中外壳与线缆拉直定心机构的示意图；

图9为实施例二中夹持组件的结构示意图；

图10为实施例三中光纤量子传感器的结构示意图；

图11为实施例四中光纤量子传感器的结构示意图；

图12为实施例四中定位卡件的结构示意图。

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。

本发明是基于以下原理做出的：

通电直导体在其周围会产生环形磁场，而根据毕奥-萨伐尔定律，可以知道该磁场大小与负载电流之间为线性关系，因此通过测量导体周围磁场大小，即可推算出负载电流的大小；

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，能实现nT以下的探测灵敏度；

基于此，可以将金刚石NV色心量子传感技术应用于电流互感器。

实施例一

参见附图1，本实施例公开了一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，包括有外壳1、光纤量子传感器2以及量子检测***3：

光纤量子传感器2包含一传感光纤21，传感光纤21上间隔分布有若干组金刚石NV色心22；金刚石NV色心22数量可以为4个、8个或12个等；

外壳1包含一环形腔，传感光纤21环绕安装在环形腔内，且所有金刚石NV色心22距离环形腔的中心轴的距离一致；

传感光纤21的一端与量子检测***3连接。

其中，如附图2所示，量子检测***包含激光源31、声光调制器32、双色片33、滤波片34、光电探测器35、终端36以及光纤耦合器37，光纤耦合器37与传感光纤21连接，激光源31产生触发激光（532nm激光），触发激光经过声光调制器32调制为脉冲光，脉冲光经双色片33反射后再经光纤耦合器37进入传感光纤21中，金刚石NV色心22受激产生荧光信号（红色荧光），部分荧光信号沿着原光路返回，穿过双色片33以及滤波片34后被光电探测器35采集，最终由终端36对采集的荧光信号进行分析计算。

其中，光纤量子传感器2还包含微波传输线8，微波传输线8在每个金刚石NV色心22处绕成微波线圈，量子检测***3还包含微波发生单元38，微波发生单元38与微波传输线8连接。

在本实施例中，提出的光纤量子传感器2为一种分布式的光纤-量子点传感器，其结构如附图3所示，光纤一侧并行设计了微波天线7，光纤上间隔分布有多个量子点，本例中优选量子点为金刚石NV色心，量子检测***3包含激光源31以及微波发生单元38，激光源31用于向金刚石NV色心22发射激光信号，微波发生单元38发射微波信号通过微波传输线8作用于金刚石NV色心22，其中激光源31以及微波发生单元38产生的均为脉冲信号（本实施例中脉冲信号为532nm脉冲激光以及脉冲调制微波信号），进而金刚石NV色心22反馈的也为间断的脉冲红色荧光，量子检测***3中的光电探测器35能够区分该间断的脉冲红色荧光，进而能够对每个金刚石NV色心22处的反射荧光强度进行单独探测，最终实现通过单光路对多个位置的量子点的激发以及多位置磁场探测功能。

本实施例中外壳1用于搭载光纤量子传感器2，使得光纤量子传感器2上的金刚石NV色心22均布于待测载流导体4的***；为配合光纤量子传感器2进行定位安装，本例此处公布了一种外壳1的结构，如附图4所示，外壳1包括圆筒体11，圆筒体11的一端开口，另一端中部开设有导体通道口，导体通道口的里侧设置有绕线筒12。

更进一步的，为了使得量子点的位置分布均匀，会事先定好各个量子点的位置，基于此，有必要在绕线筒12上做出安装标记，如附图5和6所示，在绕线筒12的表面分布有若干组定位卡件121，从绕线筒12的端面视角看，所有定位卡件121相互间隔的均布在同一圆周上，在安装量子传感器21时，使得传感光纤21绕着绕线筒12卷绕，并使得金刚石NV色心22安装在定位卡件121处；为了避免待测载流导体4和光纤量子传感器2的线路之间产生电容效应，本实施例中绕线筒12为绝缘材料制成，其能够有效避免待测载流导体4与光纤量子传感器2之间的电容效应。

更进一步的，如附图7所示，可在外壳1上设有一大一小的两个同心的磁屏蔽环5，光纤量子传感器2布设于两个磁屏蔽环5之间区域，相比于现有技术只在传感器***设计磁屏蔽，本发明在量子点的内外圈均设置了磁屏蔽环，位于内圈的磁屏蔽环，能够进一步屏蔽削弱从内侧传来的干扰磁场。

基于前述，本实施例可利用分布式的光纤-量子点传感器对待测载流导体周围的磁场强度进行测量，由于各个探测位距离待测载流导体的距离一致，因而各个位置得到的磁场强度理论上是一致的，然而实际由于各种内因或外因的影响，使得各个位置探测得到的磁场强度是上下浮动的；

为使得结果更加准确，在一些实施例中采用环路积分的原理对探测结果进行处理，环路积分后得到用于计算电流的磁场强度值，量子检测***3通过该磁场强度值计算出待测载流导体内负载电流的大小。

另外，在对探测的磁场强度数据进行环路积分处理前，为了消除偶然性误差，保证结果的准确性，可以选择性的去除数据中的异常值，一般指的是最大或最小值。

实施例二

由于直线载流导体产生的磁场为圆环形磁场，测量时的金刚石NV色心22均位于其***的同一圆周上，为保证该圆周上测量结果的等同性，有必要使得待测载流导体4位于该圆周的中心，因而在实施例一基础上，实施例二在外壳1上设置有线缆拉直定心机构，线缆拉直定心机构用于将待测载流导体4拉直并使其位于环形腔的中心轴线上，进而保证了多点测量的等同性；

更进一步的，本实施例在此处公开了一种线缆拉直定心机构具体结构，当然，线缆拉直定心机构并非一种结构，其他具有同等功能的结构设计亦包含在其内；如附图8所示，线缆拉直定心机构包含设在外壳1左右侧的两个夹持组件6，其中左侧的夹持组件6是与外壳1固定连接的，位于右侧的夹持组件是与通过调节机构7与外壳1右侧连接的；其中，调节机构7包括固定设置在外壳11顶端右侧的凸块71，凸块71上横向转动贯穿设置有调节螺杆72，其左端设有摇柄，调节螺杆72右端螺接贯穿调节块73，调节块73顶端固定连接夹持组件6，调节块73还设有光杆74，光杆74活动贯穿凸块71。

其中，如附图9所示，夹持组件6包含丝杆座61，丝杆座61的底部凹槽内转动设置有双旋向丝杆62，双旋向丝杆62的右端贯穿丝杆座右端设有摇柄，双旋向丝杆62上左右对应套设有活动块63，活动块63顶端滑动抵接丝杆座61，活动块63的底端设置有V字形夹板64。

使用线缆拉直定心机构对待测载流导体4进行定位安装时，使得待测载流导体4穿过外壳1内侧，然后通过左侧的夹持组件6固定住待测载流导体4一侧，将待测载流导体4拉直后再通过右侧的夹持组件6固定住待测载流导体4另一侧，固定之后，再转动调节螺杆72，移动调节块73，使得两组夹持组件6之间部分的载流导线被抻直，此时待测载流导体4位于环形分布的量子探头的中心位置，各个量子探头的探测具有等同性。

实施例三

实施例三与实施例一相比仅有以下不同：如附图10所示，金刚石NV色心22位于传感光纤21的纤芯内部。

此种光纤量子传感器2结构较为简单，制作起来较为方便。

具体制作时，先通过光学胶将含NV色心的金刚石微粒粘结在光纤一端，再将该光纤与另外一根光纤通过光纤熔接器进行连接，重复该操作即可制作分布式光纤量子传感器。

实施例四

实施例四与实施例一相比仅有以下不同：如附图11所示，金刚石NV色心22位于传感光纤21的纤芯***的倏逝波透射区间内。

本例中金刚石NV色心22分布于纤芯***，其激发光源于纤芯内溢散的倏逝波，与实施例三中提及的光纤量子传感器2相比，由于金刚石NV色心22并没有对纤芯中的激光进行阻挡，因而激光传输的损耗极少，位于不同位置的金刚石NV色心22均能够得到强度相近的激光激发，保证了探测条件的一致性。

更进一步的，在本例中，如附图12所示，所述定位卡件121包含板体1211，所述板体1211的一侧设有光纤探头容置腔1212，所述光纤探头容置腔1212优选为向上弯曲的弧形腔，安装时，使得传感光纤21内含有金刚石NV色心的22 的部分位于弧形腔内，弧形腔使得此部分光纤弯曲，而弯曲会使得光纤中触发激光溢散出来更多，这样更能够有效激发处于纤芯***的金刚石NV色心22，所述光纤探头容置腔1212的外侧设有固定带1213，其用于固定传感光纤避免其移动，且板体1211的底端设有螺纹杆1214，对应的绕线筒12上开有螺纹孔。

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)

1.一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于，包括有外壳（1）、光纤量子传感器（2）以及量子检测***（3）：

所述光纤量子传感器（2）包含一传感光纤（21），所述传感光纤（21）上间隔分布有若干组金刚石NV色心（22）；

所述外壳（1）包含一环形腔，所述传感光纤（21）环绕安装在环形腔内，且所有金刚石NV色心（22）距离环形腔的中心轴的距离一致；

所述传感光纤（21）的一端与量子检测***（3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于：所述量子检测***包含激光源（31）、声光调制器（32）、双色片（33）、滤波片（34）、光电探测器（35）、终端（36）以及光纤耦合器（37），所述光纤耦合器（37）与传感光纤（21）连接，所述激光源（31）产生触发激光，触发激光经过声光调制器（32）调制为脉冲光，脉冲光经双色片（33）反射后再经光纤耦合器（37）进入传感光纤（21）中，金刚石NV色心（22）受激产生荧光信号，部分荧光信号沿着原光路返回，穿过双色片（33）以及滤波片（34）后被光电探测器（35）采集，最终由终端（36）对采集的荧光信号进行分析计算。

3.根据权利要求1所述的一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于：所述光纤量子传感器（2）还包含微波传输线（8），所述微波传输线（8）在每个金刚石NV色心（22）处绕成微波线圈，所述量子检测***（3）还包含微波发生单元（38），所述微波发生单元（38）与微波传输线（8）连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于：所述外壳（1）包括圆筒体（11），所述圆筒体（11）的一端开口，另一端中部开设有导体通道口，所述导体通道口的里侧设置有绕线筒（12），所述绕线筒（12）的表面分布有若干组定位卡件（121），从绕线筒（12）的端面视角看，所有定位卡件（121）均布在同一圆周上。

5.根据权利要求4所述的一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于：所述传感光纤（22）缠绕在绕线筒（12）上，且每个金刚石NV色心（22）均位于一个定位卡件（121）位置处。

6.根据权利要求5所述的一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于：所述定位卡件（121）包含一光纤探头容置腔（1212），所述光纤探头容置腔（1212）呈弯曲弧形。

7.根据权利要求1所述的一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于：所述外壳（1）上设置有线缆拉直定心机构，所述线缆拉直定心机构用于将待测载流导体拉直并使其位于环形腔的中心轴线上。

8.根据权利要求1所述的一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于：所述环形腔内上设有一大一小的两个同心的磁屏蔽环（5），所述光纤量子传感器（2）布设于两个磁屏蔽环（5）之间区域。

9.根据权利要求1所述的一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于：所述金刚石NV色心（22）的数量为4n个，其中n为正整数。

10.根据权利要求1所述的一种基于单光路激发多量子点技术的量子电流互感器，其特征在于：所述金刚石NV色心（22）位于传感光纤（21）的纤芯内部或者位于传感光纤（21）纤芯***的倏逝波透射区间内。

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