一种基于NSiV双色心的MNF磁场测试方法及装置

本发明专利涉及一种基于nsiv双色心的mnf磁场测试方法及装置，属于光纤传感。

背景技术：

1、磁场是最常见的物理量之一，在生物、医疗、教育、军事等领域的应用越来越广泛。尤其是军事方面的应用更为迫切，在信息化时代的战争离不开磁场，电磁控制成为制胜的法宝。目前，磁场传感器在军事领域中广泛应用于磁性扫雷、水底磁探测、船舶磁导航等。水底磁探测可以弥补传统声纳探测由于水底噪声带来的误差。

2、传统磁场探测方式为多数由电信号探测为主，但是承载电信号的器件多为金属材质，因此这种器件本身就会对磁场造成一定的变化产生较大误差。另外，一些大型磁场环境存在油，尤其是电流互感器本身就存在油，以电信号为主的检测导致磁场环境存在易燃易爆炸等风险；而且还存在退磁现象以及磁滞现象，很大程度上对测量结果产生较大误差。

3、光纤传感器与传统的电子传感器相比，具有信噪比高、可远程监测、不受电磁干扰、灵敏度高、并且具有较高的灵活使用性。目前，已经研制出很多有关温度、应力磁场等光纤传感器，存在对磁场检测的光纤传感器多采用磁致伸缩以及磁流体作为敏感材料，但是对弱磁场的探测能力较弱，金刚石nsiv双色心作为敏感材料可以实现对弱磁场的检测，并且倏逝场的存在可以有效提高检测灵敏度。边策等人(边策.纳米金刚石氮-空位色心传感特性及光纤集成技术研究[d].西北大学,2021.doi:10.27405/d.cnki.gxbdu.2021.002188.)对纳米金刚石氮-空位色心传感特性及光纤集成技术进行研究，但是该研究采用的是空间光调制，空间光调制在实际应用中易受环境干扰，而本方法将光偶合进光纤进行传输，提高了光纤传感器的应用价值，并且本方法采用金刚石双色心来提高传感特性；张军英等人(张军英.新型光纤磁场传感技术研究[d].西北大学,2019.doi:10.27405/d.cnki.gxbdu.2019.000277.)提出了一种新型光纤磁场传感技术，但是该技术采用磁流体填充马赫曾德结构，属于倏逝场引起光程差，本技术属于荧光激发产生光程差，二者有本质区别；hatanoy等人(hatano y,shin j,nishitani d,et al.simultaneousthermometry and magnetometry using afiber-coupled quantum diamond sensor[j].applied physics letters,2021,118(3):034001.)提出使用光纤耦合量子金刚石传感器同时进行测温和磁力测量技术，该方法将金刚是块状连接在光纤表面，在这类方法中光纤只起到传输光的效果并非传感，主要通过微波调频手段，本方法采用全光学方法，属于光纤传感；zhang j等人(zhang j,wang c,cheny,et al.fiber structures and materialscience in optical fiber magnetic field sensors[j].frontiers ofoptoelectronics,2022,15(1):34.)总结了光纤磁场传感器的结构以及磁敏材料，但是这类方法都属于倏逝场引起光程差改变从而实现传感，而本方法则为荧光激发产生光程差，因此而这有本质区别。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种基于nsiv双色心的mnf磁场测试方法及装置，解决目前对磁场检测易受环境影响并且难以实现弱磁场检测的问题，实现了一些较弱磁场的检测。

2、一种基于nsiv双色心的mnf磁场测试方法及装置，所述测试方法及装置具体实现过程为：

3、它包括激光器(1)、磁场测试装置(2)、光电转换模块(3)、adc模块(4)、微处理器(5)、计算机(6)；所述方法的具体实现过程为：

4、所述光纤激光器(1)中心波长为532nm，强度为20mw用于产生光信号；

5、所述磁场测试装置(2)包括旋转磁力座(2-1)、n级磁铁(2-2)、s级磁铁(2-3)、磁力座供电装置(2-4)、传感单元(2-5)，其中：

6、旋转磁力座(2-1)两端分别放置n级磁铁(2-2)与s级磁铁(2-3)，通过磁力座供电装置(2-4)可调节n级磁铁(2-2)与s级磁铁(2-3)的磁力，另外传感单元(2-5)放置在旋转磁力座(2-1)上；

7、传感单元(2-5)为大芯多模光纤(2-5-1)与mnf(2-5-2)与大芯多模光纤(2-5-4)熔接构成马赫曾德结构，另外将金刚石nsiv双色心纳米材料(2-5-3)涂覆在mnf(2-5-2)的腰锥中心；

8、传感单元(2-5)的具体制备过程包括马赫曾德结构的制作与尺寸、金刚石nsiv双色心纳米材料(2-5-3)的制作与涂覆，其中：

9、所述大芯多模光纤(2-5-1)长度为10cm，纤芯直径为30μm，mnf(2-5-2)为单模光纤拉锥，长度为3cm，过渡区(2-5-2-1)长度为1.1cm，腰锥(2-5-2-2)长度为0.9m，腰锥直径为20μm，首先，利用氢氧焰拉锥机在单模光纤中心部分进行拉锥，拉锥至长度为9mm，其次，mnf(2-5-2)一端与大芯多模光纤(2-5-1)利用熔接机进行熔接直至损耗为0，最后，利用熔接机将mnf(2-5-2)另一端与大芯多模光纤(2-5-4)进行熔接直至损耗为0；

10、所述金刚石nsiv双色心纳米材料(2-5-3)的制作，首先选取石英玻璃片作为基底，使用mpcvd在n2条件下沉积3nm的金刚石，参数设置为：甲烷通量为2.5sccm，h2通量为232.4sccm，n2通量为1sccm，温度为900℃，功率为1200w，压强为4030pa，沉积50min，其次，沉积si，参数设置为：功率为50w，压强为1pa，真空度为9e-4，沉积时间为70s，最后，进行退火生成双空位，关闭甲烷和氮气，参数设置为：h2通量提升至155sccm，温度设置为700℃，静置1.5小时后待降到室温取出金刚石nsiv双色心纳米材料(2-5-3)，取定量金刚石nsiv双色心纳米材料(2-5-3)粉末溶于30ml无水乙醇中，超声处理2小时使其均匀分散成为金刚石nsiv双色心纳米材料(2-5-3)悬浊液；

11、所述金刚石nsiv双色心纳米材料(2-5-3)涂覆在mnf(2-5-2)的腰锥中心采用滴涂法，首先，采用移液枪吸取所制金刚石

12、金刚石nsiv双色心纳米材料(2-5-3)悬浊液，滴涂在mnf(2-5-2)的腰锥中心，干燥箱80℃干燥2h，待干燥箱降至室温后金刚石nsiv双色心纳米材料(2-5-3)均匀涂覆在mnf(2-5-2)的腰锥中心；

13、所述的一种基于nsiv双色心的mnf磁场测试方法及装置，其特征还在于:所述实现过程在于：

14、步骤一、对600-700nm范围内对传感波峰进行定位拟合处理：

15、光纤光谱近似用高斯函数进行表示，高斯函数是公知类公式，但通过拟合与定位可以确定波谷位置，即

16、

17、两边取对数：

18、

19、令lni(λ)＝y、将a、b、c代入公式(2)可得

20、y＝aλ2+bλ+c    (3)

21、

22、式中i(λ)表示不同波长所对应的光强，λpeak表示波峰所对应的波长值，δλ表示波长变化量，a表示常数，将采集到的波长数据带入到公式(3)、(4)可得到波峰所对应的中心波长值，公式(3)为二次多项式拟合形式，因此采取最小二乘法对数据进行拟合；

23、步骤二、改变磁场强度，对不同磁场强度所对应的波长进行扫描，当磁场强度增大时，传感波峰向上漂移，微处理器对变化的波长进行采集；

24、步骤三、对采集到的漂移波长组进行取点，以ipeak±0.17n(n＝0、1、2)为中心垂直取5个交点进行标记，共取5组，记为l1、l2、l3、l4、l5，每组均对应一个灵敏度，由于各点处波长拟合存在误差，同时光谱各处会产生形变，因此采取平均灵敏度定义传感器对磁场变化的响应；

25、步骤四、定义平均灵敏度公式为：

26、所述平均灵敏度公式为：

27、

28、

29、

30、公式(5)中s1表示l1组的灵敏度，l1、l2、l3、l4、l5各组灵敏度与l1组灵敏度公式一致，公式(6)中d1、d2、d3、d4、d5分别为l1、l2、l3、l4、l5这5组处的强度值，公式(7)中s1、s2、s3、s4、s5分别为l1、l2、l3、l4、l5这5组的强度灵敏度，i1、i2、i3、i4、i5分别为不同的磁场强度，b1、b2、b3、b4、b5分别为磁场强度为0时为此传感器的平均灵敏度，经过微处理器对采集到的数据进行处理得到最终的平均灵敏度由计算机显示最终平均灵敏度

31、本发明的有益效果为：

32、1、同本发明人同日申报的发明专利《一种基于mosfe涂覆的mnf磁场测试方法及装置》相比，虽然两种方法都适用于磁场的检测，但是对于《一种基于mosfe涂覆的mnf磁场测试方法及装置》所侧重的是较弱磁场的检测，属于mt量级，并且采用的是倏逝场原理引起光程差。本方法所侧重的是弱磁场的检测，属于nt量级，采用荧光激发引起光程差。

33、2、同本发明人同日申报的发明专利《一种nsiv双色心的磁场与温度双参量测试方法及装置》相比，虽然两种方法都可以检测弱磁场，但是对于《一种nsiv双色心的磁场与温度双参量测试方法及装置》所侧重的是具有温度影响下的弱磁场检测。本方法侧重的是外界环境磁场环境下的弱磁场检测。

34、3、同本发明人同日申报的发明专利《一种mosfe涂覆的磁场与应力双参测试方法及装置》相比，虽然两种方法都可以检测磁场，但是对于《一种mosfe涂覆的磁场与应力双参测试方法及装置》所提及的侧重的是在应力影响下较弱磁场检测，采用的是倏逝场原理引起光程差，本方法侧重的是外界环境影响不大的环境下的较弱磁场检测，采用荧光激发引起光程差。

35、4、同本发明人2020年11月19日申报的发明专利《基于spr的d型光子晶体光纤磁场敏感传感装置及方法》相比，虽然两种方法都能检测磁场，但是对于《基于spr的d型光子晶体光纤磁场敏感传感装置及方法》所提及的方法侧重于光子晶体光纤的spr原理。本方法侧重于nsiv双色心磁敏感材料涂覆马赫曾德的原理，并且实现弱磁场检测，可以达到nt量级。