【摘 要】
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在磁场测量中,基于金刚石氮空位（Negatively Nitrogen Vacancy,NV）色心固态自旋的磁场传感器在微弱磁场检测方面具有与全光学原子磁强计（SERF）、共振式磁强计传感器相当的性能参数,且具有工作性能稳定、结构简单、启动过程简单等优点。磁场探测在智能交通系统中作为车辆信息获取的一种方式。通过车辆对地磁场的扰动利用磁场传感器进行检测,达到获取车辆存在状态、车速、车型的目的。目前N
【基金项目】
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山西省基础研究计划资助项目（20210302123069）; 山西省基础研究计划资助项目（201901D211208）
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在磁场测量中,基于金刚石氮空位（Negatively Nitrogen Vacancy,NV）色心固态自旋的磁场传感器在微弱磁场检测方面具有与全光学原子磁强计（SERF）、共振式磁强计传感器相当的性能参数,且具有工作性能稳定、结构简单、启动过程简单等优点。磁场探测在智能交通系统中作为车辆信息获取的一种方式。通过车辆对地磁场的扰动利用磁场传感器进行检测,达到获取车辆存在状态、车速、车型的目的。目前NV磁强计在军事地下及水下装备探测、地球磁场物理测绘和生物磁场探测等方面得到广泛应用,基于NV色心磁强计小型化集成,提高检测灵敏度是当前研究发展方向。论文基于金刚石NV色心的磁场探测技术,设计色心磁场检测验证实验,针对磁强计小型化集成进行相关研究工作,研究内容如下:首先,磁强计系统集成设计与制作。设计了光电探测器光电流转化电路,包括前置跨阻放大器电路、电压信号的带通滤波器电路以及模块双电源电路设计等内容。利用小体积微波信号发生器与Labview编程软件,设计了可实现定频调制输出和扫频调制输出的微波发生器模块;利用Labview编写控制系统上位机程序集成微波控制、锁相解调数据解析;研制出一套体积小、低噪声、集成度高的磁场检测系统。其次,磁强计系统的性能测试与验证。对光电流转换电路的信号输出增益、输出信号线性度、交流信号输出特性、双路电源质量进行测试;在微波模块测试中,测试微波源定频调制控制输出与扫频调制控制输出能力,系统控制响应时间等对微波控制输出的影响;测试锁相放大器上位机程序与内部信号发生器正弦余弦信号输出控制功能,与调制解调信号数据解析;对系统固有系统噪声进行分析,测试系统输出特性。最后,磁强计的磁场分析探测。搭建了磁场检测验证平台与小型化集成磁场检测探头,通过使用集成控制系统在实验室环境下测试模拟磁场变化,计算磁强计性能参数。比较了磁场探测器在动态磁场检测中的应用效果。结果表明,集成控制系统能够对移动磁场进行检测。论文通过实验,初步实现磁强计控制系统的小型化与性能检测,为后续实现芯片级检测探头与便携型控制检测系统研制奠定基础。通过探索金刚石固态磁强计在车辆磁场探测方面的应用,为后续车辆精确磁场识别算法提供基础数据支撑。
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