基于上位机的NV色心磁测量装置、磁测量方法、存储介质与流程

基于上位机的nv色心磁测量装置、磁测量方法、存储介质
技术领域
1.本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于上位机的nv色心磁测量装置、一种磁测量方法和一种计算机可读存储介质。


背景技术：

2.磁场测量广泛应用与地球与空间物理、军事技术、生物与医学、工业等领域，发挥着重要的作用，成为当代不可或缺的测量手段。相关技术中用于磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、探测线圈传感器、霍尔传感器、磁阻传感器、巨磁阻抗磁传感器等。
3.近年来，基于固态自旋的量子信息处理手段快速发展，带来新的技术更新，推动了固态自旋传感器技术的发展。其具有高空间分辨率和高灵敏度，加上良好的可扩展性和容易控制等优点，固态自旋体系成为人们研究的热点。
4.相关技术中，固态自旋磁传感器测量磁场强度多采用脉冲式测磁方式：当电子自旋处于叠加态时，外界磁场会使得不同的基矢上累加相对相位。因此，首先将体系制备到叠加态，然后使其在外磁场下自由演化或用激光或微波脉冲序列控制其演化，这时体系的叠加态会积累相对相位。最后将相对相位映射到布居度上，读出信号，从而得到磁场信息。由于读出的信号强度随相对相位呈周期性变化，故只能在一定的相对相位范围内进行测量，而相对相位受外磁场强度以及测量时间影响，测量时间受到体系弛豫时间的限制，所以可测的外磁场强度由于体系弛豫时间的限制无法达到较大的范围，此测量方式的动态范围较低，无法进行较为准确的磁场测量，且不适用于变化较大的磁场。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于上位机的nv色心磁测量装置，能够提高磁测量的准确度，增大磁场的测量范围，且能够快速测量变化范围较大的磁场强度。
6.本发明的第二个目的在于提出一种磁测量方法。
7.本发明的第三个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
8.为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于上位机的nv色心磁测量装置，其中，所述磁测量装置包括：测量件，所述测量件包括nv色心；光源组件，所述光源组件用于产生照射所述测量件的操控激光，以使所述nv色心产生荧光；操控组件，所述操控组件用于为所述测量件提供操控场，以改变所述nv色心的荧光强度；信号采集组件，所述信号采集组件用于采集所述nv色心的荧光信号；上位机，所述上位机分别与所述操控组件和所述信号采集组件连接，所述上位机用于在所述测量件置于待测磁场时，控制所述操控组件为所述测量件提供特定频率的操控场，并获取所述荧光信号，以及根据所述荧光信号计算所述待测磁场的磁场强度和调节所述特定频率，直至所述荧光信号满足预设条件。
9.本发明实施例的磁测量装置包括测量件、光源组件、操控组件、信号采集组件和上
位机，其中，测量件包括nv色心，首先将测量件置于待测磁场中，然后通过光源组件产生操控激光照射到光源组件上使nv色心产生荧光，操控组件产生具有特定频率的操控场加在nv色心上，再通过信号采集组件采集nv色心的荧光信号，上位机根据荧光信号计算磁场强度，并调节操控组件产生操控场的特定频率，再将调节后的操控场加在nv色心上以改变nv色心的荧光强度，直至荧光信号满足预设条件。由此，该磁测量装置能够提高磁测量的准确度，增大磁场的测量范围，且能够快速测量变化范围较大的磁场强度。
10.在本发明的一些示例中，所述上位机根据所述荧光信号调节所述特定频率，直至所述荧光信号满足预设条件时，具体用于：根据所述荧光信号得到所述特定频率和所述待测磁场下的当前共振频率的差值；根据所述差值调节所述特定频率，直至所述差值小于预设差值阈值。
11.在本发明的一些示例中，所述光源组件包括激光器和透镜，所述透镜用于对所述激光器产生的激光进行准直和聚焦处理，形成所述操控激光，并照射到所述测量件的预设位置。
12.在本发明的一些示例中，所述激光器产生的激光的波长为532nm。
13.在本发明的一些示例中，所述操控组件包括：微波源，所述微波源与所述上位机连接，用于在所述上位机的控制下，产生特定频率的微波；功率放大器，所述功率放大器用于对所述微波进行放大处理，得到所述操控场；辐射件，所述辐射件用于将所述操控场作用至所述测量件。
14.在本发明的一些示例中，所述信号采集装置包括：荧光采集器，所述荧光采集器用于采集所述荧光信号；光电探测器，所述光电探测器用于将所述荧光信号转换为电信号；模数转换器，所述模数转换器与所述上位机连接，所述模数转换器用于将所述电信号转换为数字信号，并上传至所述上位机。
15.在本发明的一些示例中，所述测量件为金刚石块。
16.为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种磁测量方法，所述磁测量方法用于如上述实施例所述的基于上位机的nv色心磁测量装置，所述磁测量方法包括以下步骤：在所述测量件置于待测磁场时，控制所述操控组件为所述测量件提供特定频率的操控场；获取所述荧光信号；根据所述荧光信号计算所述待测磁场的磁场强度和调节所述特定频率；所述操控组件为所述测量件提供调节后的特定频率的操控场，返回至所述获取所述荧光信号的步骤，直至所述荧光信号满足预设条件。
17.本发明实施例首先在将测量件置于待测磁场中，然后控制操控组件为测量件提供具有特定频率的操控场，接着获取测量件的荧光信号，再根据荧光信号计算待测磁场的磁场强度，并调节特定频率，操控组件为测量件提供调节后的特定频率的操控场，再重新获取荧光信号，直至该荧光信号满足预设条件。由此，该磁测量方法能够提高磁测量的准确度，增大磁场的测量范围，且能够快速测量变化范围较大的磁场强度。
18.在本发明的一些示例中，根据所述荧光信号计算调节所述特定频率，包括：根据所述荧光信号得到所述特定频率和所述待测磁场下的当前共振频率的差值，并根据所述差值调节所述特定频率；所述荧光信号满足预设条件，包括：所述差值小于预设差值阈值。
19.为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述实施例所述的磁测量方法。
20.本发明的实施例的计算机可读存储介质，可以通过执行其上存储的计算机程序，实现上述实施例中的磁测量方法，从而能够提高磁测量的准确度，增大磁场的测量范围，且能够快速测量变化范围较大的磁场强度。
21.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.图1是本发明一个实施例的基于上位机的nv色心磁测量装置的结构框图；
23.图2是本发明一个具体实施例的光源组件的结构框图；
24.图3是本发明另一个实施例的基于上位机的nv色心磁测量装置的结构框图；
25.图4是本发明又一个实施例的基于上位机的nv色心磁测量装置的结构框图；
26.图5是本发明实施例的磁测量方法的流程图。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.下面参考附图描述本发明实施例的基于上位机的nv色心磁测量装置、磁测量方法、存储介质。
29.图1是本发明一个实施例的基于上位机的nv色心磁测量装置的结构框图。
30.在该实施例中，如图1所示，基于上位机的nv色心磁测量装置100包括测量件10、光源组件20、操控组件30、信号采集组件40和上位机50。
31.其中，测量件10包括nv色心101；光源组件20用于产生照射测量件10的操控激光，以使nv色心101产生荧光；操控组件30用于为测量件10提供操控场，以改变nv色心101的荧光强度；信号采集组件40用于采集nv色心101的荧光信号；上位机50分别与操控组件30和信号采集组件40连接，上位机50用于在测量件10置于待测磁场时，控制操控组件30为测量件10提供特定频率的操控场，并获取荧光信号，以及根据荧光信号计算待测磁场的磁场强度和调节特定频率，直至荧光信号满足预设条件。
32.首先，需要说明的是，磁敏感单元(如nv色心)的电子在不同强度的外磁场作用下，电子能级之间的塞曼分裂不同，通过操控场和操控激光对电子连续激发进行操控，可以使得体系的自旋达到平衡状态，体系自旋布居度受外磁场影响，由此，可以得到强度随体系自旋布居度变化的荧光信号，根据外磁场强度的不同，可以得到不同强度的荧光信号。
33.具体地，在该实施例中，首先将测量件10放置在待测磁场中，然后通过操控组件30为测量件10提供一个操控场，需要说明的是，在操控组件30为测量件10提供第一个操控场时，该第一个操控场的频率可以为预设频率，需要说明的是，该预设频率可以是用户设定的一个固定值，如1khz，也可以是用户根据经验对待测磁场的一个估值，如用户估计待测磁场的频率在50hz～100hz之间，那么可以将该预设频率设置为75hz，即取该范围的中值。在操控组件30发出一个预设频率的操控场之后，再将光源组件20产生的操控激光照射到测量件10上，从而使得nv色心101能够产生荧光，需要说明的是，不同频率的操控场能够改变nv色
心101的荧光强度。另外，由于在对待测磁场进行磁测量时，操控场和操控激光都需要加在测量件10上，在此不对操控场和操控激光加在测量件10上的先后顺序进行限定，即可以先将操控场加在测量件10上再加操控激光，也可以先将操控激光加在测量件10上再加操控场。
34.在本发明的一些示例中，如图2所示，光源组件20包括激光器201和透镜202，透镜202用于对激光器201产生的激光进行准直和聚焦处理，形成操控激光，并照射到测量件10的预设位置。
35.具体地，如图2所示，激光器201出射的光信号经过透镜202处理之后，可以形成操控激光。可选地，激光器201产生的激光的波长为532nm，透镜202对该激光进行准直以及聚焦处理，从而形成操控激光，照射在测量件10的预设位置上，使得设置在测量件10上的nv色心101能够产生荧光信号。可以理解的，测量件10的预设位置可以根据nv色心101的具体位置进行设置。
36.在本发明的一些示例中，测量件为金刚石块。可选地，测量件10可为具有nv色心(氮-空穴缺陷)的金刚石快。具体地，可以采用一金刚石基材，通过对该金刚石基材进行离子注入，在真空环境下退火，从而在金刚石基材内形成nv色心。更具体地，采用高纯度的金刚石作为基材，在设定温度下进行退火，从而会在金刚石内形成一定浓度的nv色心，该nv色心可用于测量磁场。nv色心由氮缺陷和邻近空穴组成，二者间距为金刚石中c-c键长，本身尺度很小，通过nv色心进行测量时，nv色心具有极高的空间分辨率以及探测灵敏度。
37.在对处于待测磁场内的测量件10加了操控场和操控激光之后，通过信号采集组件40采集nv色心101的荧光信号，然后上位机50获取荧光信号，并根据该荧光信号计算待测磁场的磁场强度，并调节操控组件30发出的特定频率，然后再将经过调节后的特定频率加在测量件10上，重新获取荧光信号，并根据该重新获取的荧光信号计算待测磁场的磁场强度和调节特定频率，直至荧光信号满足预设条件，再通过该满足预设条件的荧光信号计算出待测磁场的磁场强度。
38.在本发明的一些示例中，在上位机50根据荧光信号调节特定频率，直至荧光信号满足预设条件时，具体包括：根据荧光信号得到特定频率和待测磁场下的当前共振频率的差值；根据差值调节特定频率，直至差值小于预设差值阈值。
39.具体地，上位机50可以根据当前荧光信号计算得到待测磁场的频率，再根据该待测磁场的频率与当前共振频率之间的差值对特定频率进行调节，使得调节后的差值小于预设差值阈值。可以理解的是，预设差值阈值可以根据计算精度进行设置，预设差值阈值越小，则精度越高，预设差值阈值越大，则精度越低。另外，需要说明的是，当特定频率匹配于待测磁场的频率时，则nv色心101的荧光强度会降低；而当前特定频率不完全匹配于待测磁场的频率时，则nv色心101的荧光强度只降低一部分，因此，还可以根据荧光强度的降低程度来判断特定频率是否匹配于当前的待测磁场。
40.在本发明的一些示例中，操控组件30包括微波源301、功率放大器301和辐射件303。
41.其中，微波源301与上位机50连接，用于在上位机50的控制下，产生特定频率的微波；功率放大器302用于对微波进行放大处理，得到操控场；辐射件303用于将操控场作用至测量件10。
42.具体地，如图3所示，操控组件30分别与上位机50和测量件10连接，更具体地，设置在操控组件30内的微波源301与上位机50连接，设置在操控组件30内的辐射件303与测量件10连接，在上位机50控制微波源301产生的微波的评率为特定频率之后，微波源301产生特定频率的微波之后将该微波发送给功率放大器302，辐射件303从功率放大器302中得到经过放大的微波，并将该微波作用到测量件10中，从而对测量件10中nv色心101的荧光强度进行控制。
43.在本发明的一些示例中，如图4所示，信号采集装置40包括荧光采集器401、光电探测器402和模数转换器403。
44.其中，荧光采集器401用于采集荧光信号；光电探测器402用于将荧光信号转换为电信号；模数转换器403与上位机50连接，模数转换器403用于将电信号转换为数字信号，并上传至上位机50。
45.具体地，如图4所示，测量件10与信号采集组件40中的荧光采集器401连接，从而荧光采集器401能够从测量件10中采集到nv色心的荧光强度信号，然后再将所采集到的荧光信号传输至与其相连的光电探测器402，光电探测器402能够根据荧光信号探测出与该荧光信号相对应的电信号，再将该电信号经过模数转换器403转换成数字信号传输至上位机50，上位机50在接收到数字信号之后进行分析处理得到荧光信号，在根据该荧光信号计算待测磁场的磁场强度，然后根据计算结果对操控组件中的微波源301进行控制，使其产生特定频率的微波，重复上述示例中步骤，直至上位机50接收到的荧光信号满足预设条件，再根据该满足条件的荧光信号计算出待测磁场的磁场强度，从而完成对待测磁场的测量。
46.需要说明的是，当磁场强度发生变化时，则nv色心的荧光强度也将跟着发生变化，从而可以根据nv色心的荧光强度对得到磁场的稳定性，当磁场发生变化，则上位机可以快速地通过上述实施例中的步骤对磁场重新进行测量，从而获得新的磁场强度。
47.综上，本发明实施例的基于上位机的nv色心磁测量装置能够提高磁测量的准确度，增大磁场的测量范围，且能够快速测量变化范围较大的磁场强度。
48.图5是本发明实施例的磁测量方法的流程图。
49.进一步地，基于上述实施例中基于上位机的nv色心磁测量装置，本发明提出了一种磁测量方法，该磁测量方法用于上述实施例中的磁测量装置，如图5所示，该磁测量方法包括以下步骤：
50.s10，在测量件置于待测磁场时，控制操控组件为测量件提供特定频率的操控场。
51.具体地，参见图1和图5，在该实施例中，首先将测量件10放置在待测磁场中，然后控制操控组件30为测量件10提供一个特定频率的操控场，需要说明的是，在操控组件30为测量件10提供第一个操控场时，该第一个操控场的特定频率可以为预设频率，需要说明的是，该预设频率可以是用户设定的一个固定值，如1khz，也可以是用户根据经验对待测磁场的一个估值，如用户估计待测磁场的频率在50hz～100hz之间，那么可以将该预设频率设置为75hz，即取该范围的中值。
52.s20，获取荧光信号。
53.s30，根据荧光信号计算待测磁场的磁场强度和调节特定频率。
54.s40，操控组件为测量件提供调节后的特定频率的操控场，返回至获取荧光信号的步骤，直至荧光信号满足预设条件。
55.在操控组件30发出一个预设频率的操控场之后，再将光源组件20产生的操控激光照射到测量件10上，从而使得nv色心101能够产生荧光，需要说明的是，不同频率的操控场能够改变nv色心101的荧光强度。另外，由于在对待测磁场进行磁测量时，操控场和操控激光都需要加在测量件10上，在此不对操控场和操控激光加在测量件10上的先后顺序进行限定，即可以先将操控场加在测量件10上再加操控激光，也可以先将操控激光加在测量件10上再加操控场。
56.在对处于待测磁场内的测量件10加了操控场和操控激光之后，通过信号采集组件40采集nv色心101的荧光信号，然后上位机50获取荧光信号，并根据该荧光信号计算待测磁场的磁场强度，并调节操控组件30发出的特定频率，然后再将经过调节后的特定频率加在测量件10上，重新获取荧光信号，并根据该重新获取的荧光信号计算待测磁场的磁场强度和调节特定频率，直至荧光信号满足预设条件，再通过该满足预设条件的荧光信号计算出待测磁场的磁场强度。
57.需要说明的是，当磁场强度发生变化时，则nv色心的荧光强度也将跟着发生变化，从而可以根据nv色心的荧光强度对得到磁场的稳定性，当磁场发生变化，则上位机可以快速地通过上述实施例中的步骤对磁场重新进行测量，从而获得新的磁场强度。
58.在本发明的一些示例中，根据荧光信号计算调节特定频率包括：根据荧光信号得到特定频率和待测磁场下的当前共振频率的差值，并根据差值调节特定频率；荧光信号满足预设条件包括：差值小于预设差值阈值。
59.具体地，上位机可以根据当前荧光信号计算得到待测磁场的频率，再根据该待测磁场的频率与当前共振频率之间的差值对特定频率进行调节，使得调节后的差值小于预设差值阈值。可以理解的是，预设差值阈值可以根据计算精度进行设置，预设差值阈值越小，则精度越高，预设差值阈值越大，则精度越低。另外，需要说明的是，当特定频率匹配于待测磁场的频率时，则nv色心的荧光强度会降低；而当前特定频率不完全匹配于待测磁场的频率时，则nv色心的荧光强度只降低一部分，因此，还可以根据荧光强度的降低程度来判断特定频率是否匹配于当前的待测磁场。
60.需要说明的是，本发明实施例的磁测量方法的其他具体实施方法可参见本发明上述实施例的基于上位机的nv色心磁测量装置的具体实施方式。
61.综上，本发明实施例的磁测量方法，能够提高磁测量的准确度，增大磁场的测量范围，且能够快速测量变化范围较大的磁场强度。
62.进一步地，本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如上述实施例中的磁测量方法。
63.本发明实施例的计算机可读存储介质，在其上存储的与上述实施例的磁测量方法相对应的计算机程序被处理器执行时，能够提高磁测量的准确度，增大磁场的测量范围，且能够快速测量变化范围较大的磁场强度。
64.需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、
通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
65.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
66.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
67.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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。
68.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
69.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
70.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
71.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。