[發(fā)明專利]一種基于NSiV雙色心的MNF磁場測試方法及裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310401473.1
• 申請日: 2023-04-15
• 公開（公告）號: CN116577705A
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 沈濤;袁悅
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
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• 代理人: 暫無信息

1.一種基于NSiV雙色心的MNF磁場測試方法及裝置，其特征在于：它包括光纖激光器(1)、磁場測試裝置(2)、光電轉(zhuǎn)換模塊(3)、ADC模塊(4)、微處理器(5)、計算機(jī)(6)；所述方法的具體實現(xiàn)過程為：

所述光纖激光器(1)中心波長為532nm，強(qiáng)度為20mw用于產(chǎn)生光信號；

所述磁場測試裝置(2)包括旋轉(zhuǎn)磁力座(2-1)、N級磁鐵(2-2)、S級磁鐵(2-3)、磁力座供電裝置(2-4)、傳感單元(2-5)，其中：

旋轉(zhuǎn)磁力座(2-1)兩端分別放置N級磁鐵(2-2)與S級磁鐵(2-3)，通過磁力座供電裝置(2-4)可調(diào)節(jié)N級磁鐵(2-2)與S級磁鐵(2-3)的磁力，另外傳感單元(2-5)放置在旋轉(zhuǎn)磁力座(2-1)上；

傳感單元(2-5)為大芯多模光纖(2-5-1)與MNF(2-5-2)與大芯多模光纖(2-5-4)熔接構(gòu)成馬赫曾德結(jié)構(gòu)，另外將金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)涂覆在MNF(2-5-2)的腰錐中心；

傳感單元(2-5)的具體制備過程包括馬赫曾德結(jié)構(gòu)的制作與尺寸、金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)的制作與涂覆，其中：

所述大芯多模光纖(2-5-1)長度為10cm，纖芯直徑為105μm，MNF(2-5-2)為多模光纖拉錐，纖芯直徑為35μm，長度為3cm，過渡區(qū)(2-5-2-1)長度為1.1cm，腰錐(2-5-2-2)長度為0.9cm，腰錐直徑為20μm，首先，利用氫氧焰拉錐機(jī)在單模光纖中心部分進(jìn)行拉錐，拉錐至長度為9mm，其次，MNF(2-5-2)一端與大芯多模光纖(2-5-1)利用熔接機(jī)進(jìn)行熔接直至損耗為0，最后，利用熔接機(jī)將MNF(2-5-2)另一端與大芯多模光纖(2-5-4)進(jìn)行熔接直至損耗為0；

所述金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)的制作，首先選取石英玻璃片作為基底，使用MPCVD在N₂條件下沉積3nm的金剛石，參數(shù)設(shè)置為：甲烷通量為2.5sccm，H₂通量為232.4sccm，N₂通量為1sccm，溫度為900℃，功率為1200w，壓強(qiáng)為4030pa，沉積50min，其次，沉積Si，參數(shù)設(shè)置為：功率為50w，壓強(qiáng)為1pa，真空度為9E-4，沉積時間為70s，最后，進(jìn)行退火生成雙空位，關(guān)閉甲烷和氮?dú)猓瑓?shù)設(shè)置為：H₂通量提升至155sccm，溫度設(shè)置為700℃，靜置1.5小時后待降到室溫取出金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)，取定量金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)粉末溶于30ml無水乙醇中，超聲處理2小時使其均勻分散成為金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)懸濁液；

所述金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)涂覆在MNF(2-5-2)的腰錐中心采用滴涂法，首先，采用針管吸取所制金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)懸濁液，滴涂在MNF(2-5-2)的腰錐中心，干燥箱80℃干燥2h，待干燥箱降至室溫后金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)均勻涂覆在MNF(2-5-2)的腰錐中心；

所述的一種基于NSiV雙色心的MNF磁場測試方法及裝置，其特征還在于:

光纖激光器(1)發(fā)出的光束傳輸至磁場測試裝置(2)中的傳感單元(2-5)，MNF(2-5-2)腰錐上的金剛石NSiV雙色心納米材料(2-5-3)會激發(fā)出600-800nm的熒光，激發(fā)光與原光束在大芯多模光纖(2-5-4)處耦合產(chǎn)生馬赫曾德干涉，當(dāng)磁場發(fā)生變化時，激發(fā)光的強(qiáng)度會隨著磁場增強(qiáng)而減弱，大芯多模光纖(2-5-4)處的干涉光發(fā)生變化，隨著磁場的改變，傳感單元(2-1)中的光譜強(qiáng)度發(fā)生漂移，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊(3)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸至ADC模塊(4)將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)微處理器(5)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

所述的一種基于NSiV雙色心的MNF磁場測試方法及裝置，其特征還在于:所述實現(xiàn)過程在于：

步驟一、對600-700nm范圍內(nèi)對傳感波峰進(jìn)行定位擬合處理：

光纖光譜近似用高斯函數(shù)進(jìn)行表示，高斯函數(shù)是公知類公式，但通過擬合與定位可以確定波谷位置，即

兩邊取對數(shù)：

令

將a、b、c代入公式(2)可得

y＝aλ²+bλ+c?(3)

式中I(λ)表示不同波長所對應(yīng)的光強(qiáng)，λ_peak表示波峰所對應(yīng)的波長值，Δλ表示波長變化量，A表示常數(shù)，將采集到的波長數(shù)據(jù)帶入到公式(3)、(4)可得到波峰所對應(yīng)的中心波長值，公式(3)為二次多項式擬合形式，因此采取最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合；

步驟二、改變磁場強(qiáng)度，對不同磁場強(qiáng)度所對應(yīng)的波長進(jìn)行掃描，當(dāng)磁場強(qiáng)度增大時，傳感波峰向上漂移，微處理器對變化的波長進(jìn)行采集；

步驟三、對采集到的漂移波長組進(jìn)行取點(diǎn)，以I_peak±0.17n(n＝0、1、2)為中心垂直取5個交點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，共取5組，記為L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，每組均對應(yīng)一個靈敏度，由于各點(diǎn)處波長擬合存在誤差，同時光譜各處會產(chǎn)生形變，因此采取平均靈敏度定義傳感器對磁場變化的響應(yīng)；

步驟四、定義平均靈敏度公式為：

所述平均靈敏度公式為：

公式(5)中s₁表示L₁組的靈敏度，L₁、L₂、L₃、L₄、L₅各組靈敏度與L₁組靈敏度公式一致，公式(6)中d₁、d₂、d₃、d₄、d₅分別為L₁、L₂、L₃、L₄、L₅這5組處的強(qiáng)度值，公式(7)中s₁、s₂、s₃、s₄、s₅分別為L₁、L₂、L₃、L₄、L₅這5組的強(qiáng)度靈敏度，I₁、I₂、I₃、I₄、I₅分別為不同的磁場強(qiáng)度，b₁、b₂、b₃、b₄、b₅分別為磁場強(qiáng)度為0時為此傳感器的平均靈敏度，經(jīng)過微處理器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到最終的平均靈敏度由計算機(jī)顯示最終平均靈敏度