Page 43 - 无损检测2024年第八期

余志武，等：

金属表面裂纹的氮 - 空位色心漏磁检测

 g μ B B ⊥ 2  在外磁场改变时，利用ODMR方法可以得出两
 g μ B B Z + e  个峰，一个对应m =0，一个对应m =+1，两个态的
e
 2 2 D  s s
−
+
E =  - g μ B ⊥  （2） 共振频率f 和f ，则磁场大小为
 e B D 
 g μ B ⊥ 2  B f ＋ - f - （3）
 - B +g μ e B  = 2γ
 e B Z 2 D    e
式中：E为能量；g 为朗德因子，一般取2；B 为平行 式中： =γ g μ B ；h为普朗克常量。
e
e Z e
于NV色心轴向的磁场；B 为垂直于NV色心轴向的 h
⊥
磁场；D为零场劈裂。 1.2 金属表面裂纹漏磁检测原理
由以上结果可知，NV色心基态的共振频率分别 金属表面裂纹漏磁检测原理为：使用磁性物质
g μ B ⊥ 2 g μ B ⊥ 2 对被测金属进行磁化 [13] ，当被测金属没有缺陷时，磁

为D+g μ B + e B 和D-g μ B + e B ，
e B Z D e B Z D 力线将全部从金属内部通过，此时检测的磁场为B；
2 2
两者的频率差为2g μ B 。NV色心共振频率图谱如
e B Z 当被测金属存在缺陷时，缺陷周围的磁场就会发生
图3所示，图中a.u.为任意单位，表示相对强度。
泄漏，即一部分磁力线会从被测金属外穿过，形成漏
磁场B 漏 ，此时检测的磁场为B+B 漏 ，采集磁场信号
并进行分析就可判别缺陷情况。

2 量子精密测量系统

基于金刚石NV色心量子磁传感器的量子精密
测量系统结构框图如图4所示，其主要由光路模块、
图 3 NV 色心共振频率图谱 控制采集模块、上位机模块、探头等组成。

图 4 量子精密测量系统结构框图
2.1 光路模块 心上，实现对NV色心的量子自旋操控 [14] 并根据指
光路模块主要由激发光路和收集光路组成，结 令进行微波扫频，进行ODMR测试。主控板负责向
构如图4（b）所示。其中激发光路激发金刚石NV色 系统各个部分下发指令，并对光路模块发送的信号
心，收集光路收集系统产生的光信号信息，这类信息 进行滤波处理，滤除杂散噪声，最终上传到上位机模
的主体是NV色心所发出的红色荧光，实际检测中 块中，进行可视化处理。
红色荧光的强弱对应着被测漏磁的大小。 2.3 上位机模块
2.2 控制采集模块 上位机模块负责下发指令，并对系统的数据进
控制采集模块系统主要由3块板卡集成，其中 行可视化处理，方便完成检测任务。
的电源板负责给系统各个部分供电，并严格按照上 2.4 探头
电时序确保系统的稳定性。激光与微波板的激光硬 探头主要由金刚石 NV 色心量子磁传感器和
件电路部分控制激光器辐射绿色激光，激发金刚石 励磁结构组成，其实物如图 5 所示，励磁结构由一
NV色心，微波部分负责根据主控板的指令进行微波 个 π 型衔铁以及两块永磁体组成，其作用是磁化
功率调节，将微波信号通过微波天线辐射到NV色 被测物。金刚石 NV 色心量子磁传感器由螺旋式

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2024 年 第 46 卷 第 8 期
无损检测