[發明專利]基于高精度保偏光纖的原子氣室溫控系統

在審

• 申請號: 202110292108.2
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113050727A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 楊遠洪;谷靈茜
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D23/24
• 分類號: G05D23/24
• 代理公司: 北京市恒有知識產權代理事務所(普通合伙) 11576
• 代理人: 郭文浩;尹文會

本發明屬于控制技術領域，旨在解決原子氣室傳統溫度測量和控制中溫度控制精度低、波動大和殘余電磁干擾大等問題，具體涉及一種基于高精度保偏光纖的原子氣室溫控系統，包括原子氣室、光纖溫度傳感模塊、光纖光譜測量模塊、變幅值交流電加熱模塊和無磁電加熱膜，光纖溫度傳感模塊沿原子氣室表面螺旋環繞設置；光纖光譜測量模塊用于檢測光纖溫度傳感模塊形成的光譜信號，并輸出溫度值；變幅值交流電加熱模塊基于接收的光纖光譜測量模塊輸出的溫度值以及設定溫度值調整輸出交流信號幅值，以進行無磁電加熱膜的加熱功率調控；無磁電加熱膜設置于原子氣室的氣室框架上；通過本發明能實現氣室溫度的立體檢測，具有高精度、高靈敏度、無電磁干擾的優點。

技術領域

本發明屬于控制技術領域，具體涉及一種基于高精度保偏光纖的原子氣室溫控系統。

背景技術

原子氣室作為原子鐘、原子磁力計、原子陀螺儀等系統的核心敏感部件，對光、熱、磁等方面均有較高的要求，需要工作在無磁、高溫的環境下才能保證原子傳感的分辨力、穩定性等。原子氣室為內部充銣、銫、鉀等堿金屬原子的玻璃容器，是原子極化、自旋弛豫、原子躍遷等過程發生的物理場所，原子氣室內部的穩定性直接影響著系統的性能。堿金屬原子的密度與溫度成指數關系，隨溫度的升高，堿金屬原子密度和堿金屬之間的熱運動增加，當溫度過高時，易引起堿金屬原子退極化，因此原子氣室的溫度應加熱在150℃-180℃內，同時溫度的波動會導致極化原子數不穩定，影響系統性能，因此需要對原子氣室進行溫度控制。

目前國內外在原子氣室溫控領域，普遍利用熱敏電阻測溫，全電子繼電器關斷式控制激光、加熱絲、熱氣流等對原子氣室加熱至200℃內，但熱敏電阻等測溫方式不可避免的會在測量過程中對系統產生電磁干擾。在加熱和溫度控制方面，采用繼電器等開關型的加熱方式，會產生氣室環境磁場的突變，盡管采用了對稱加熱結構，剩余的電流不對稱性也會引入較大的干擾和噪聲；傳統的氣室溫度測量和控制技術能實現的溫度控制精度一般為0.01℃，尚不能滿足完全高精度低噪聲原子測量和傳感系統的需求。

發明內容

為了解決上述問題，即為了解決原子氣室傳統溫度測量和控制中存在的溫度控制精度低、波動大和殘余電磁干擾大等問題，本發明提供了一種基于高精度保偏光纖的原子氣室溫控系統，該系統包括原子氣室、光纖溫度傳感模塊、光纖光譜測量模塊、變幅值交流電加熱模塊和無磁電加熱膜，所述光纖溫度傳感模塊、所述變幅值交流電加熱模塊均與所述光纖光譜測量模塊通信連接，所述變幅值交流電加熱模塊與所述無磁電加熱膜通信連接；

所述光纖溫度傳感模塊沿所述原子氣室表面螺旋環繞設置；

所述光纖光譜測量模塊用于檢測所述光纖溫度傳感模塊形成的光譜信號，并輸出溫度值；

所述變幅值交流電加熱模塊基于接收的所述光纖光譜測量模塊輸出的溫度值以及設定溫度值調整輸出交流信號幅值，以進行所述無磁電加熱膜的加熱功率調控；

所述無磁電加熱膜設置于所述原子氣室的氣室框架上。

在一些優選實施例中，所述變幅值交流電加熱模塊包括單片機、壓控增益放大器和功率放大器，所述單片機、所述壓控增益放大器與所述功率放大器依次通信連接；

所述單片機與所述光纖光譜測量模塊通信連接，用于接收所述光纖光譜測量模塊輸出的當前時刻原子氣室的溫度；

所述壓控增益放大器通過控制端電壓改變輸出增益；

所述變幅值交流電加熱模塊通過PID算法輸出的電壓信號，根據獲取；其中，k_p是比例系數，k_i是積分系數，k_d是微分系數，e(k)是預期的原子氣室溫度T₀與當前時刻原子氣室溫度T的差值，e(k-1)是預期的原子氣室溫度與在上一采樣時刻原子氣室的溫度的差值。

在一些優選實施例中，所述單片機為STM32單片機；

所述壓控增益放大器為VCA821；