[發明專利]一種基于量子電流互感器的測量裝置及其仿真測試方法

在審

• 申請號: 202110866577.0
• 申請日: 2021-07-29
• 公開（公告）號: CN113777550A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 趙龍;周憲林;唐陳;王鑫;仇茹嘉;王麗君;翟玥;張韋;吳海龍;張華友;王寧
• 申請（專利權）人: 江蘇思源赫茲互感器有限公司;國網安徽省電力有限公司電力科學研究院;國家電網有限公司
• 主分類號: G01R35/02
• 分類號: G01R35/02
• 代理公司: 北京一格知識產權代理事務所(普通合伙) 11316
• 代理人: 萬小俠

1.一種基于量子電流互感器的測量裝置，其特征在于：包括量子傳感器和量子測量模塊；且量子傳感器與量子測量模塊之間通過光纖相連形成回路；

所述量子傳感器包括導電桿、環形殼體、屏蔽單元和連接架；所述導電桿穿過環形殼體的中心位置與環形殼體同軸設置，所述環形殼體的截面呈一對關于導電桿軸線對稱的U型結構，環形殼體的U型結構形成容納屏蔽單元的容納腔；所述環形殼體的U型結構上表面設置有環形的蓋板，且環形殼體的中心上、下兩端面均設置有擋板，擋板的邊緣連接在環形殼體的內壁上，擋板的中心設置有容納導電桿穿過的通孔；

所述連接架包括連接板和抱箍，所述抱箍具有一對且分別夾緊在環形殼體上、下兩端的導電桿上，所述連接板具有一對且分別與兩個抱箍對應相連，所述連接板的一端連接在抱箍上，連接板的另一端開有螺栓孔可實現量子傳感器的固定安裝；

所述屏蔽單元包括屏蔽環、底板和鐵心壓塊；所述屏蔽環呈環形柱狀結構設置在環形殼體的U型結構內，所述底板呈環形結構且設置在屏蔽環的底端，底板與環形殼體的內壁連接；所述鐵心壓塊設置在屏蔽環的頂端，且鐵心壓塊通過螺栓鎖緊連接在底板上，實現鐵心壓塊壓緊在屏蔽環的頂端；所述環形殼體上設置有電纜接頭，所述環形殼體內設置有NV探頭；

所述量子測量模塊包括光源模塊、光電轉換模塊、A/D模塊、數據處理模塊、數據輸出模塊和微波模塊；所述光源模塊通過光纖向量子傳感器內傳遞光源，所述光電轉換模塊通過光纖采集量子傳感器內的光源，將光信號轉換成電信號；所述A/D模塊的一端連接在光電轉換模塊上，將電信號轉換成數字信號，所述A/D模塊的另一端連接在數據處理模塊上對采集的數據進行處理；所述數據處理模塊的另一端連接在數據輸出模塊上，實現將完成處理的數據進行輸出；所述微波模塊與數據處理模塊進行數據交互，通過微波模塊輸入的微波頻率數據。

2.一種基于量子電流互感器的仿真測試方法，其特征在于：具體測量方法如下：

S1：設定待測電流：設定通過導電桿的電流為50Hz的交流電，該電流為穩恒電流；因此在導電桿周圍產生的磁場滿足下面的表達式：

上面的表達式中，I是電流的幅度，ω是電流的頻率，d是導線到NV色心樣品的距離；

S2：偏共振強度的計算：NV色心的共振頻率ω_MW與沿NV色心主軸方向的磁場強度分量B∥滿足下面的表達式：ω_MW＝Dgs±γ_NV·B∥

上面的表達式中，參數Egs＝2.87GHz，被稱為NV色心的零場劈裂；參數γ_NV＝2.8MHz/G；根據S1中的表達式與S2中的表達式計算出NV色心的共振頻率ω_MW；

S3：NV色心熒光強度的計算：NV色心的熒光來源于激發態向基態的躍遷，熒光強度可以寫成下面的表達式：

參數ρe0e0指激發態0態的電子密度，參數ρe1e1指激發態±1態的電子密度；Γ₀為激發態電子放出光子回到基態的速率；Γ_s為自旋單態電子落入自選三重態基態的速率；Γ_p為激光的輸送速率；未考慮熒光收集效率與光電探測器的轉換系數，將電子密度的穩態解帶入熒光強度的表達式，并引入近似條件Γ₀～Γ_s＞＞Γ_p，可以得到熒光強度與偏共振的如下關系：

上面的表達式中，C是NV色心的CW譜對比度，γ是NV色心的CW譜吸收峰寬度，滿足下面的表達式：

其中Ω為微波的Rabi頻率；為了提升磁測量靈敏度，實際使用中會對微波進行頻率調制，這會使微波的頻率呈現正，弦振蕩的形式，使偏共振附加上隨時間震蕩的正弦信號；此時熒光強度滿足下面的表達式：

上面的表達式中，D是調制信號的調制深度，ω是調制信號的調制頻率，k是調制信號向微波頻率的轉換系數；將熒光強度在Δ＝0的鄰域內進行泰勒展開，并假設γ＞＞kE，可以得到下面的近似結果

將結果保留到一階項，并與調制信號相乘，再通過截止頻率遠低于ω的低通濾波，從而實現信號的解調；解調后的信號滿足下面的表達式：

根據上述公式計算出NV色心熒光強度；

S4：熒光信號的處理：根據鎖相放大器解調信號的物理過程來處理熒光信號，得出不同待測電流下的NV色心傳感器的輸出信號；

S5：NV色心的電流測量誤差分析：選取共振峰寬度γ為一固定值的情況下將電流值為-20A～20A的數據點用于擬合電流轉換到信號的線性系數，對-20A～20A的數據點擬合得到的斜率，將仿真數據的初始參數帶入信號斜率的理論表達式：

按照上述的表達式對信號進行擬合對比。