一种基于金刚石氮-空位色心分段测磁的电流互感器的制作方法

本发明涉及电流互感器，特别是涉及一种基于金刚石氮-空位色心分段测磁的电流互感器。

背景技术：

1、目前，《计量发展规划(2021-2035年)》对量子传感技术研究与器件制备提出明确部署，将基于量子效应的氮-空位测磁与传统互感器技术相结合，是电力系统领域的一大创新。氮-空位色心是一种掺有氮杂质的特殊结构金刚石，金刚石晶体中一碳原子被氮原子代替，并与相邻空位相结合而形成稳定的缺陷。利用金刚石氮-空位色心的分立能级结构与塞曼分裂效应可对外磁场进行测量，目前最简单的测量方式是连续光探测磁共振(cw-odmr)。《gb/t 20840.8-2007电子式电流互感器》对电流互感器全电流量测测量精度具有明确要求，但是由于氮-空位色心光谱特性导致其磁场线性测量范围较窄，单个金刚石氮-空位色心难以实现大量程磁场的高精度测量。因此，亟需一种方案来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于金刚石氮-空位色心分段测磁的电流互感器，解决金刚石氮-空位色心应用于电流传感中线性量测范围较窄的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于金刚石氮-空位色心分段测磁的电流互感器，包括：激光系统、微波系统、金刚石氮-空位色心系统和控制处理系统；其中，

3、所述激光系统，用于将激光传输至所述金刚石氮-空位色心系统，并对所述金刚石氮-空位色心系统输出的检测荧光进行处理，得到第一电信号；

4、所述微波系统，用于进行微波扫频，将微波辐射至所述金刚石氮-空位色心系统，对所述金刚石氮-空位色心系统的工作磁场进行调控；

5、所述金刚石氮-空位色心系统，用于在所述微波系统的调控下，将所述激光系统输出的激光与经所述激光系统照射产生的反射荧光进行调制，得到检测荧光；

6、所述控制处理系统，用于对所述激光系统传输的所述第一电信号进行处理，得到对应的第一电流；并对所述激光系统和所述微波系统进行调节，直至所述金刚石氮-空位色心系统的工作磁场覆盖所述第一电流所形成的磁场。

7、进一步地，控制处理系统包括上位机；

8、所述上位机，用于对所述金刚石氮-空位色心系统的工作磁场是否覆盖所述第一电流形成的磁场进行判断；若是，则输出所述第一电流；若否，则对所述激光系统发出第二电信号，通过所述第二电信号对激光的功率进行调节，并对所述微波系统发出第三电信号，通过所述第三电信号对微波的频率进行调节，直至所述金刚石氮-空位色心系统的工作磁场覆盖所述第一电流所形成的磁场。

9、进一步地，控制处理系统还包括锁相放大器和fpga处理器；其中，

10、所述锁相放大器，用于对所述第一电信号进行过滤和放大，得到处理后的第一电信号；

11、所述fpga处理器，用于通过安培环路定理对所述处理后的第一电信号进行转换，得到对应的第一电流。

12、进一步地，激光系统包括激光源、第一半波片、偏振分束器、第二半波片、声光调制器、光阑、二向色镜和光纤准直器；其中，

13、所述激光源，用于输出激光；

14、所述第一半波片，用于对所述激光进行透射；

15、所述偏振分束器，用于对经过透射的所述激光进行分束，得到两束线偏振光；

16、所述第二半波片，用于对第一线偏振光进行透射；所述第一线偏振光为与所述偏振分束器的晶体主截面平行的线偏振光；

17、所述声光调制器，用于对所述第一线偏振光进行调制，得到0级光与1级光；

18、所述光阑，用于透射所述1级光，阻隔所述0级光；

19、所述二向色镜，用于从所述1级光中透射绿色荧光；

20、所述光纤准直器，用于将所述绿色荧光在光纤中传输至所述金刚石氮-空位色心系统。

21、进一步地，激光系统还包括分束器，所述分束器与所述光阑连接，所述分束器用于将所述1级光均分为四路。

22、进一步地，激光系统还包括中性密度片、一号光电探测器和pid控制器；

23、所述中性密度片，用于对第二线偏振光进行透射；所述第二线偏振光为与所述偏振分束器的晶体主截面垂直的线偏振光；

24、所述一号光电探测器，用于对所述第二线偏振光进行光电转换，得到第四电信号；

25、所述pid控制器，用于根据所述第四电信号和所述第二电信号对激光的功率大小进行调整。

26、进一步地，激光系统还包括长通滤波片和二号光电探测器；其中，

27、所述光纤准直器，还用于将所述检测荧光转换为第一红色荧光；

28、所述二向色镜，还用于反射所述1级光中的第二红色荧光，并将所述第一红色荧光和第二红色荧光进行混合，得到混合红色荧光；

29、所述长通滤波片，用于将所述混合红色荧光进行过滤；

30、所述二号光电探测器，用于将过滤后的所述混合红色荧光转换为电信号。

31、进一步地，微波系统包括四路分频微波源、功率放大器、环形器和微波天线；其中，

32、所述四路分频微波源，用于输出四路功率相同、频率不同的微波，并根据所述第三电信号对微波的频率大小进行调整；

33、所述功率放大器，用于对所述微波进行功率放大；

34、所述环形器，用于传输功率放大后的微波；

35、所述微波天线，用于将功率放大后的微波传输至所述金刚石氮-空位色心系统。

36、进一步地，金刚石氮-空位色心系统包括四个金刚石氮-空位色心磁探头、检测铁芯和屏蔽铁芯；其中，所述检测铁芯在铁芯环上每隔90°共开有4个1-2mm细缝，并在每个缝隙的一端沿环向开设凹槽用以放置金刚石氮-空位色心磁探头；所述屏蔽铁芯设置于所述检测铁芯内侧。

37、进一步地，检测铁芯由坡莫合金制成，所述屏蔽铁芯由硅钢制成。

38、与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：

39、本发明提供一种基于金刚石氮-空位色心分段测磁的电流互感器，其通过对激光功率、微波频率控制，增大单个氮-空位色心磁探头线性测磁范围，同时利用多路不同频率微波，给多个氮-空位色心磁探头布置不同工作点，以达到对全电流范围下的磁场范围全覆盖。本发明通过上位机对激光功率与微波频率的综合闭环控制，得到高对比度与大半高展宽的氮-空位色心odmr光谱，从而使单个氮-空位色心磁探头具有较大的线性磁场测量范围；设置多路输出不同频率微波与多个金刚石氮-空位色心磁探头一一对应，通过不同微波频率将氮-空位色心磁探头固定在不同磁场测量的工作点，以实现全电流范围下的全磁场范围覆盖；通过设置检测铁芯、屏蔽铁芯与氮-空位色心磁探头的结构，排除由导体偏心、外部大电流导体等磁性干扰误差，实现了从电流到磁场的有效转换。

40、附图说明

41、为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中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方式，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。

42、图1是本发明某一实施例提供的一种基于金刚石氮-空位色心分段测磁的电流互感器的装置图；

43、图2是本发明某一实施例提供的控制处理系统的结构图；

44、图3是本发明某一实施例提供的激光系统的结构图；

45、图4是本发明某一实施例提供的微波系统的结构图；

46、图5是本发明某一实施例提供的电流互感器中的金刚石氮-空位色心系统的结构图；

47、图6是本发明某一实施例提供的金刚石氮-空位色心的能级结构图；

48、图7是本发明某一实施例提供的金刚石氮-空位色心odmr光谱与一阶微分信号图；

49、图8是本发明某一实施例提供的电流测量输出图；

50、图9是本发明另一实施例提供的电流测量输出图；