[发明专利]一种基于量子电流互感器的测量装置及其仿真测试方法

权利要求书

1.一种基于量子电流互感器的测量装置，其特征在于：包括量子传感器和量子测量模块；且量子传感器与量子测量模块之间通过光纤相连形成回路；

所述量子传感器包括导电杆、环形壳体、屏蔽单元和连接架；所述导电杆穿过环形壳体的中心位置与环形壳体同轴设置，所述环形壳体的截面呈一对关于导电杆轴线对称的U型结构，环形壳体的U型结构形成容纳屏蔽单元的容纳腔；所述环形壳体的U型结构上表面设置有环形的盖板，且环形壳体的中心上、下两端面均设置有挡板，挡板的边缘连接在环形壳体的内壁上，挡板的中心设置有容纳导电杆穿过的通孔；

所述连接架包括连接板和抱箍，所述抱箍具有一对且分别夹紧在环形壳体上、下两端的导电杆上，所述连接板具有一对且分别与两个抱箍对应相连，所述连接板的一端连接在抱箍上，连接板的另一端开有螺栓孔可实现量子传感器的固定安装；

所述屏蔽单元包括屏蔽环、底板和铁心压块；所述屏蔽环呈环形柱状结构设置在环形壳体的U型结构内，所述底板呈环形结构且设置在屏蔽环的底端，底板与环形壳体的内壁连接；所述铁心压块设置在屏蔽环的顶端，且铁心压块通过螺栓锁紧连接在底板上，实现铁心压块压紧在屏蔽环的顶端；所述环形壳体上设置有电缆接头，所述环形壳体内设置有NV探头；

所述量子测量模块包括光源模块、光电转换模块、A/D模块、数据处理模块、数据输出模块和微波模块；所述光源模块通过光纤向量子传感器内传递光源，所述光电转换模块通过光纤采集量子传感器内的光源，将光信号转换成电信号；所述A/D模块的一端连接在光电转换模块上，将电信号转换成数字信号，所述A/D模块的另一端连接在数据处理模块上对采集的数据进行处理；所述数据处理模块的另一端连接在数据输出模块上，实现将完成处理的数据进行输出；所述微波模块与数据处理模块进行数据交互，通过微波模块输入的微波频率数据。

2.一种基于量子电流互感器的仿真测试方法，其特征在于：具体测量方法如下：

S1：设定待测电流：设定通过导电杆的电流为50Hz的交流电，该电流为稳恒电流；因此在导电杆周围产生的磁场满足下面的表达式：

上面的表达式中，I是电流的幅度，ω是电流的频率，d是导线到NV色心样品的距离；

S2：偏共振强度的计算：NV色心的共振频率ω_MW与沿NV色心主轴方向的磁场强度分量B∥满足下面的表达式：ω_MW＝Dgs±γ_NV·B∥

上面的表达式中，参数Egs＝2.87GHz，被称为NV色心的零场劈裂；参数γ_NV＝2.8MHz/G；根据S1中的表达式与S2中的表达式计算出NV色心的共振频率ω_MW；

S3：NV色心荧光强度的计算：NV色心的荧光来源于激发态向基态的跃迁，荧光强度可以写成下面的表达式：

参数ρe0e0指激发态0态的电子密度，参数ρe1e1指激发态±1态的电子密度；Γ₀为激发态电子放出光子回到基态的速率；Γ_s为自旋单态电子落入自选三重态基态的速率；Γ_p为激光的输送速率；未考虑荧光收集效率与光电探测器的转换系数，将电子密度的稳态解带入荧光强度的表达式，并引入近似条件Γ₀～Γ_s＞＞Γ_p，可以得到荧光强度与偏共振的如下关系：

上面的表达式中，C是NV色心的CW谱对比度，γ是NV色心的CW谱吸收峰宽度，满足下面的表达式：

其中Ω为微波的Rabi频率；为了提升磁测量灵敏度，实际使用中会对微波进行频率调制，这会使微波的频率呈现正，弦振荡的形式，使偏共振附加上随时间震荡的正弦信号；此时荧光强度满足下面的表达式：

上面的表达式中，D是调制信号的调制深度，ω是调制信号的调制频率，k是调制信号向微波频率的转换系数；将荧光强度在Δ＝0的邻域内进行泰勒展开，并假设γ＞＞kE，可以得到下面的近似结果

将结果保留到一阶项，并与调制信号相乘，再通过截止频率远低于ω的低通滤波，从而实现信号的解调；解调后的信号满足下面的表达式：

根据上述公式计算出NV色心荧光强度；

S4：荧光信号的处理：根据锁相放大器解调信号的物理过程来处理荧光信号，得出不同待测电流下的NV色心传感器的输出信号；

S5：NV色心的电流测量误差分析：选取共振峰宽度γ为一固定值的情况下将电流值为-20A～20A的数据点用于拟合电流转换到信号的线性系数，对-20A～20A的数据点拟合得到的斜率，将仿真数据的初始参数带入信号斜率的理论表达式：

按照上述的表达式对信号进行拟合对比。