中北大学研发新型量子传感模块，实现高精度电流测量

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@小白创作中心

中北大学研发新型量子传感模块，实现高精度电流测量

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https://www.xjishu.com/zhuanli/52/202411494947.html

随着科技的不断发展，电流精确传感技术在新能源应用、国防军工、工业检测及电网系统等领域发挥着越来越重要的作用。传统的电流测量方法往往会对电路造成干扰，而现有的非接触式测量技术也存在诸多限制。针对这些问题，中北大学研发团队提出了一种基于量子传感的新型电流互感器技术，该技术通过创新的模块化设计和反向电流控制机制，实现了高精度、高稳定性的电流测量。

本发明涉及量子电流互感器，尤其涉及一种量子传感模块及量子电流互感器。

背景技术

在当今科技发展中，电流精确传感技术对新能源应用、国防军工、工业检测及电网系统等领域起着至关重要的作用。基于电流分流式的传统电流测量方法容易对电路造成影响甚至改变电流的工作状态。因此，制备高精度、高稳定性的电流传感器，通常要求实现非接触式测量，以减少对原电路的干扰；电流在空间中会产生磁场，通过测量磁场可以实现非接触式测量；目前，开环式非接触测量主要有基于霍尔效应的霍尔传感器，基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律的罗氏线圈，以及基于法拉第磁光效应的光学电流传感器。近年来，国内外研究组针对这些传感器展开了大量的研究，取得了可观的成果，但依然存在着一定的限制，例如传感器易受温度影响，对材料的要求过高，抗干扰能力较弱，使得传感器灵敏度和稳定性难以进一步提高；
现有的电磁测量技术往往基于共聚焦系统，涉及到笨重且庞大的实验设备，结构复杂，并且磁测量范围往往受到天线带宽的限制，很难推广。

技术实现思路

针对上述问题，本发明提供了一种量子传感模块及量子电流互感器，其主要创新点在于通过量子传感技术实现高精度、高稳定性的电流测量。
该量子传感模块及量子电流互感器主要包括以下组件：

电磁转换收集模块：包括聚磁环和封装外壳，聚磁环内设有金刚石NV传感芯片。
金刚石NV传感芯片：由金刚石和探头组成，探头后方连接环形器，金刚石连接微波模块。
微波模块：包括FPGA模块、第一数模转换器、低通滤波器和微波信号放大器，与上位机连接。
激光模块：包括激光源、分光器和耦合器，用于激光输入。
光电转换模块：包括第一光电探测器、第二光电探测器、滤光片、第一模数转换器和带通滤波器，用于光电转换。
磁通调控模块：包括第二模数转换器、计算模块、第二数模转换器、线圈和功率放大器，用于反向电流控制。
锁相模块：包括调制单元和调制模块，用于信号处理。

该技术的主要创新点在于通过设置磁通调控模块实现反向电流控制，线圈使得NV色心处感应的磁场一直处于较小的范围内，避免了通过金刚石NV色心直接感应大电流下的磁场，导致荧光强度减弱准确度降低这一问题。通过反向绕组调控磁通保持动态平衡，有效避免了聚磁环的磁滞问题，从而提高了量子电流传感器的线性误差。由于磁通几乎不产生变化，因此金刚石NV传感芯片可以始终工作在最佳状态，且不受微波天线的带宽影响。

技术特征

一种量子传感模块及量子电流互感器，其特征在于：包括电磁转换收集模块、金刚石NV传感芯片、微波模块、环形器、激光模块、光电转换模块、磁通调控模块和锁相模块，微波模块与上位机连接。
电磁转换收集模块包括聚磁环和封装外壳，聚磁环为未封口矩形环状结构，聚磁环内设有金刚石NV传感芯片，金刚石NV传感芯片包括金刚石和探头，探头的后方电信号连接有环形器，金刚石连接有微波模块，环形器的外侧电信号连接有激光模块、和电转换模块，光电转换模块、锁相模块与磁通调控模块依次电信号连接，磁通调控模块与聚磁环电线连接。
微波模块包括FPGA模块、第一数模转换器、低通滤波器和微波信号放大器，FPGA模块、第一数模转换器、低通滤波器和微波信号放大器依次通过电信号连接，微波信号放大器与金刚石电信号连接连接。
激光模块包括激光源、分光器和耦合器，光电转换模块包括第一光电探测器、第二光电探测器、滤光片、第一模数转换器和带通滤波器，分光器与第一光电探测器电信号连接，环形器、滤光片和第二光电探测器依次电信号连接，第一光电探测器、带通滤波器、第一模数转换器和FPGA模块依次电信号连接。
锁相模块包括调制单元和调制模块，调制单元、第二光电探测器、磁通调控模块和调制模块电信号连接。
磁通调控模块包括第二模数转换器、计算模块、第二数模转换器、线圈和功率放大器，聚磁环的外侧壁绕设有线圈，线圈和功率放大器、第二数模转换器、计算模块、第二模数转换器和调制单元依次电信号连接。