一种量子电流互感器的制作方法

1.本发明涉及电流互感技术领域，尤其涉及一种量子电流互感器。


背景技术：

2.随着电网规模的不断扩大，电网系统对使用设备的安全性、可靠性、多功能性的要求也不断提升。以电网系统的电流互感器为例，传统的电磁式电流互感器利用电磁感应原理来测量电流强度，在长期的实践中不断改进与优化，为社会发展做出了巨大贡献。但是，随着电网规模的增加与技术指标的提升，电磁式互感器技术逐渐表现出了各种技术指标的瓶颈，比如测量带宽小、动态范围窄、体积庞大、能量损耗较高等缺点，此外传统电磁式互感器的绝缘成本也很高；这些缺点与电磁式互感器的基本原理有关，很难进一步改进，因此迫切需要新技术的参与；电子式电流互感器可以有效避免传统的电磁式电流互感器的种种缺点。从结构设计上看，电子式电流互感器可以分为基于光纤的电流互感器、空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器。基于光纤的电流互感器利用待测电流周围的磁场，在光纤中产生磁致旋光效应引发光程差，从而利用干涉的光强变化计算出待测电流强度。空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器都利用电磁感应原理来测量待测电流强度，当一次线圈内的待测电流幅度改变时，二次线圈内的磁通量也会随之改变，收集由此产生的感应电流并积分，即可计算出待测电流。他们的区别在于，铁芯线圈电流互感器使用铁芯增强二次线圈内的磁通量，在增加信号幅度的同时引入了涡流损耗与磁滞效应。与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器体积更小，功耗更低，测量带宽更高，可以实现高度的自动化与智能化，有着极为广阔的应用前景。
3.从本质上说，光纤式电流互感器是一种基于磁测量技术的电流互感器，待测电流以磁场为媒介影响待测光的光程，而电流互感器通过干涉来测量光程差，从而利用光程差与磁场的关系计算出磁场强度。空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器利用一次线圈上电流变化引发的磁场改变，在二次线圈中产生感应电流，这个过程中磁场也起到传递信息的作用。总而言之，电流互感器在很大程度上依赖于待测电流产生的磁场，因此改用高精度、高稳定性的磁测量设备可以有效优化电流互感器的工作性能。
4.nv 色心是金刚石中的一种点缺陷，对 nv 色心电子能级结构的研究早在上世纪 90 年代就开始进行。2008 年 taylor 等人发布的工作表明，基于 nv 色心的磁测量装置理论上可以达到3ft/√
퐼푨
的灵敏度。与其他的磁传感器相比，nv 色心有着极为优异的灵敏度与频率响应范围，而且作为 nv 色心载体的金刚石物理化学性质稳定，可以耐受各种极端环境。因此以 nv 色心的磁测量功能为基础，研发出基于nv色心的电流互感器是解决现有电磁式互感器缺点的有效途径。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种量子电流互感器，能够解决一般的电磁式互
感器测量带宽小、动态范围窄、体积庞大、能量损耗较高的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种量子电流互感器，其创新点在于：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。
7.进一步的，所述微波模块可向光源模块提供不同波长的光源。
8.进一步的，所述环形壳体内的nv探头为nv色心金刚石探头。
9.本发明的优点在于：1）本发明中以nv色心具有的磁测量的高灵敏度和高频率响应的特性，可以在连续波磁侧环境下进行电流的测定；高灵敏度的磁传感器可以精确测量电网中的电流信号，从而获得高精度的电流幅度、相位信息，对电网的运行管理有重要意义；其次，高频率响应范围的磁传感器可以监控电网中高频冲击信号的分布，在测量电网电流的同时监控电网的安全状态，增强电网的安全性。
附图说明
10.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
11.图1为本发明的一种量子电流互感器的立体结构图。
12.图2为本发明的一种量子电流互感器的剖视结构图。
13.图3为本发明的一种量子电流互感器的测量图。
14.图4为本发明的一种量子电流互感的nv色心的电子能级结构图。
具体实施方式
15.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
16.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0018] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该 发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0019]
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0020]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0021]
如图1至图3所示的一种量子电流互感器，包括量子传感器1和量子测量模块2；且量子传感器1与量子测量模块2之间通过光纤相连形成回路。
[0022]
量子传感器1包括导电杆11、环形壳体12、屏蔽单元13和连接架14；导电杆11穿过环形壳体12的中心位置与环形壳体12同轴设置，环形壳体12的截面呈一对关于导电杆11轴线对称的u型结构，环形壳体12的u型结构形成容纳屏蔽单元的容纳腔；环形壳体12的u型结构上表面设置有环形的盖板121，且环形壳体12的中心上、下两端面均设置有挡板122，挡板122的边缘连接在环形壳体的内壁上，挡板122的中心设置有容纳导电杆11穿过的通孔。
[0023]
连接架14包括连接板141和抱箍142，抱箍142具有一对且分别夹紧在环形壳体12上、下两端的导电杆11上，连接板141具有一对且分别与两个抱箍142对应相连，连接板141的一端连接在抱箍142上，连接板141的另一端开有螺栓孔可实现量子传感器1的固定安装。
[0024]
屏蔽单元13包括屏蔽环131、底板132和铁心压块133；屏蔽环131呈环形柱状结构设置在环形壳体12的u型结构内，底板132呈环形结构且设置在屏蔽环131的底端，底板132与环形壳体12的内壁连接；铁心压块133设置在屏蔽环131的顶端，且铁心压块133通过螺栓锁紧连接在底板132上，实现铁心压块133压紧在屏蔽环的顶端；环形壳体12上设置有电缆
接头123，环形壳体12内设置有nv探头。
[0025]
量子测量模块2包括光源模块21、光电转换模块22、a/d模块23、数据处理模块24、数据输出模块25和微波模块26；光源模块21通过光纤向量子传感器1内传递光源，光电转换模块22通过光纤采集量子传感器1内的光源，将光信号转换成电信号；a/d模块23的一端连接在光电转换模块22上，将电信号转换成数字信号，a/d模块23的另一端连接在数据处理模块24上对采集的数据进行处理；数据处理模块24的另一端连接在数据输出模块25上，实现将完成处理的数据进行输出；微波模块26与数据处理模块25进行数据交互，通过微波模块26输入的微波频率数据。
[0026]
微波模块26可向光源模块提供不同波长的光源。
[0027]
环形壳体12内的nv探头为nv色心金刚石探头。
[0028]
本发明的工作原理是：如图4所示nv色心是金刚石中的一种点缺陷，由一个氮原子和一个空位取代金刚石中两个相邻的碳原子所组成；nv色心点缺陷在自然生成的金刚石中广泛存在，而且可以通过高温高压方法、化学气相沉积法和电子辐射方法制备含有大量nv色心的金刚石；nv色心具有c
3v
对称性，其中空穴与氮原子的连线所在的方向被称为 nv色心的主轴方向；金刚石中碳原子的晶胞结构有四种不同取向的共价键，因此对含有多个nv色心的nv系综金刚石样品， 测量到的 nv 色心也有四种不同的主轴方向，彼此的夹角约为109
°
28
′
；nv色心的电子自旋为1，因此电子能级分为总自旋为0的单态与总自旋为 1 的三重态；根据自旋方向与磁场方向的夹角，三重态又进一步分为自旋平行于磁场的1态、自旋垂直于磁场的0态、自旋反平行于磁场的
‑
1态。在没有外磁场的情况下，自旋分量为1和
‑
1的电子能量相同，处于简并态；而当nv色心的主轴方向上出现外磁场时，自旋分量为1 和
‑
1的电子会获得附加能量，破坏能级简并，如图4所示；当 nv 色心被微波照射时，如果微波频率满足nv色心的共振条件，那么微波会改变nv色心电子能级上的电子分布，使nv色心会进入共振状态；nv色心的共振频率
휔
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：
휔
mw
= dg
푠
ꢀ±ꢀ
훾
nv
ꢀ∙
b∥上面的表达式中，参数
퐸 g
푠 = 2.87ghz，被称为 nv 色心的零场劈裂；参数
훾
nv = 2.8
푀
hz/g，被称为 nv 色心的旋磁比；这说明，只要确定nv色心的微波共振频率，就可以计算出nv色心主轴方向的磁场强度；nv 色心的零声子线是637nm，因此532nm 波长的激光可以激发nv色心电子，同时放出波长在 600nm 到 800nm 之间的荧光；当nv色心与微波发生共振时，部分荧光光子会以声子的形式消耗掉，导致 nv 色心的荧光强度会降低，据此可以判断nv色心的共振频率，从而计算出外磁场强度。
[0029]
当微波频率与nv色心的共振频率存在较小的频率差δ时，nv 色心的荧光强度也会部分降低，降低的幅度与频率差δ有关；因此，只要测出荧光强度的衰减幅度，就可以根据输入微波的频率计算出实际的共振频率，也就能计算出外磁场强度；这意味着在外磁场变化范围不大的情况下，只要监控nv的荧光强度与输入的微波频率，就可以实时监控外磁场强度变化，从而实现高精度磁测量。
[0030]
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围
由所附的权利要求书及其等效物界定。