面向高压电流测量的光纤集成钻石量子传感器

随着现代电子技术和电力系统的快速发展，对电流检测的精度和稳定性要求日益提高。钻石内部的负电荷氮空位（NV）色心对磁场、电场、应变和温度等环境变化具有极高的敏感性，这使得钻石成为量子传感领域的理想候选材料。近日，上海微系统与信息技术研究所武震宇研究员带领MEMS工艺与先进传感器课题组，基于自主研制的高性能集成钻石量子磁强计，设计出了用于电力网络系统中的高压电流测量的量子电流传感器，实现了电网高压侧零电功耗的远程电流监控，在1000 A测量范围内实现了±0.4%的线性测量误差。相关研究工作以“Fiber-Integrated Diamond Quantum Sensor for High-Voltage Current Measurements”为题发表于国际传感器领域知名期刊Advanced Sensor Research。论文共同第一作者为上海微系统所的博士研究生刘启慧和南方电网数字电网研究院聂少雄研究员，论文通讯作者为上海微系统所陈浩研究员、程建功研究员和武震宇研究员。

随着智能电网的发展，在线，全面感知电网状态成为透明电网构建的核心需求之一^[1]。尽管钻石量子电流传感器目前已有不同的设计与报道，包括集成电路成像^[2]与电动汽车电流测量^[3]，但其在电网中的大电流测量仍然具有挑战性。钻石量子传感器在高压电网中的部署面临的主要限制是高压侧的绝缘与电源的供给。高压电网线路上安装的设备需要进行等电位处理和绝缘处理，导致高压侧供电受限。而高压侧电池供电的模式能量供应有限，并且在耗尽时需要更换，从而导致维护成本增加；而太阳能电池受到功率不稳定和转换效率有限的限制。通常而言，由高功率激光和微波（MW）驱动的金刚石探头需要高达数瓦的功率来实现连续检测，这种功率依赖对高压侧紧凑空间中供电系统的容量和稳定性提出了严峻的挑战。

在这项工作中，MEMS工艺与先进传感器课题组基于集成钻石自旋系综的量子磁强计，开发设计了用于高压侧电流测量的传感架构（图1）。采用光纤和定向微波天线驱动钻石传感器，可实现20m距离外的钻石传感器遥感控制，实现了零电力消耗的远程电流检测。该传感器在1000A测量范围内实现了±0.4%的线性测量误差,展示了其在电网高压电流监测中的潜力。

首先，采用光纤传输激光信号和荧光信号,将激光源和光学读出设备安装在低压侧,满足高低压之间的绝缘要求。通过对比1.5m光纤和20m光纤的激光、荧光传输性能对比，如图2所示。使用20m光纤传输的激光功率为使用1.5m光纤的96%，使用20 m光纤收集的荧光功率为使用1.5m光纤的88%，信号衰减较小。

通过同轴电缆向NV色心传输MW的传统方法无法跨越高压侧与低压侧。因此进一步设计了使用定向微波天线在高低压侧之间传输MW信号的方法，避免了电气绝缘系统的兼容性问题。在开放空间中测量到2.87GHz微波信号的接收功率随距离d的增加而降低,符合Friis传输方程，如图3所示。对于800kV电网，安全距离通常需要大于10.5m，因此在11m的典型距离处,测量接收到的微波信号功率为-16.4dBm,信噪比≥60dB,表明微波传输的方案可行。

通过参数优化,该传感器在11m安全距离处实现了4.86 nT·Hz^−1/2的磁探测灵敏度，如图4所示。使用高增益天线如抛物面天线可以进一步集中能量,从而有效增加接收端的信号。进一步优化MW功率后,灵敏度可提高至0.77 nT·Hz^−1/2(图3(b)) 。因此，基于微波发射方案的光纤集成无源量子传感器具有较为出色的磁场探测性能。

图4：无源量子探头的磁灵敏度测量结果(a)11m安全距离时的磁灵敏度;(b)磁灵敏度随接收功率的变化关系

本工作通过频率追踪方法对电缆上的电流进行了连续测量，通过谐振频率反演电流变化，在1000A的测量范围内实现了±0.4%的线性测量误差。该系统具有良好的长期稳定性，最小可检测电流为6mA。未来将进一步优化光纤耦合方式和微波天线设计, 提高传输效率和信号质量。

图5：无源量子电流传感器对电流实现实时监测(a)500A-0A-1000A-500A电流变化监测曲线;(b)20A-1000A电流测量的线性误差