[發(fā)明專利]一種基于光吸收測溫的堿金屬氣室溫控方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110894518.4
• 申請日: 2021-08-05
• 公開（公告）號(hào): CN113670466B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周新秀;馮文平;崔培玲;毛琨
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01K11/00
• 分類號(hào): G01K11/00;G05D23/19;G01C21/16
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗;顧煒

本發(fā)明公開了一種基于光吸收測溫的堿金屬氣室溫控方法，其溫控步驟為：首先將充有N₂、⁴He和堿金屬原子R_b的堿金屬氣室加熱至某一待測溫度；測量加熱后堿金屬氣室內(nèi)銣原子D1線吸收光譜；改變加熱溫度獲得多組吸收曲線并擬合計(jì)算溫度值；擬合光學(xué)深度峰值和溫度的函數(shù)關(guān)系，以光學(xué)深度峰值敏感溫度，并基于此實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)控制，其中光深采集過程利用分光比為50％的分光棱鏡將入射光分成兩束，一束入射氣室，一束作為參考光，出射光強(qiáng)除以參考光強(qiáng)計(jì)算光學(xué)深度。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)控溫方式無法控制氣室內(nèi)溫度的問題，且避免了核磁共振慣性傳感器鉑電阻測溫帶來的磁場干擾對陀螺信號(hào)的影響，對提高慣性傳感器指標(biāo)有重要意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于光吸收測溫的堿金屬氣室溫控方法，屬于量子傳感和精密儀器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

慣性傳感器是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件，核磁共振慣性傳感器作為慣性傳感器發(fā)展的新方向，有著廣闊前景，而堿金屬氣室是核磁共振慣性傳感器的敏感核心，其氣室內(nèi)部的溫度對原子的極化率有著直接影響，直接影響慣性傳感器輸出信號(hào)。因此堿金屬氣室的內(nèi)部精密溫控具有重要意義。

目前堿金屬氣室的溫度控制是基于鉑電阻測量氣室外壁的單點(diǎn)溫度，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]分別采用基于鉑電阻四線制測溫和鉑電阻交流電橋測溫的方式實(shí)現(xiàn)了氣室的溫度控制，基于鉑電阻測溫的溫控實(shí)現(xiàn)了mk量級(jí)溫控穩(wěn)定度，但這種測溫方式只能測量和控制堿金屬氣室外壁的單點(diǎn)溫度，無法反應(yīng)氣室內(nèi)的真實(shí)溫度。文獻(xiàn)[3]給出了一種基于壓力展寬法的堿金屬氣室內(nèi)溫度測量方法，并將該方法應(yīng)用于堿金屬氣室內(nèi)溫度梯度的測量，這種測溫方法耗時(shí)久，無法基于此方法實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制。另外常規(guī)的光吸收測溫方式需要掃描光譜然后解算溫度，無法實(shí)時(shí)控制溫度。

[1]郝杰鵬,周斌權(quán).堿金屬氣室無磁電加熱技術(shù)研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2017,25(05):180-183

[2]符滿華.基于交流電橋測溫的無磁測溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[D].北京:北京航空航天大學(xué),2020

[3]房建成,王許琳,池浩湉,全偉.一種基于混合光抽運(yùn)的原子密度精確測量方法[P].北京：CN107167437B,2019-07-26.

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光吸收測溫的堿金屬氣室溫控方法，解決了傳統(tǒng)鉑電阻測溫?zé)o法測量氣室內(nèi)溫度以及常規(guī)光吸收測溫方法無法實(shí)現(xiàn)溫度控制的問題，實(shí)現(xiàn)了堿金屬氣室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)測量與控制。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于光吸收測溫的堿金屬氣室溫控方法，該方法適用于核磁共振慣性傳感器的堿金屬氣室，所述步驟如下：

步驟一、首先基于鉑電阻溫度傳感器測量氣室外壁溫度，將核磁共振慣性傳感器的堿金屬氣室加熱至某待測溫度點(diǎn)；

步驟二、設(shè)計(jì)光路，選擇波長調(diào)諧范圍在銣原子D1線附近的DFB激光器作為檢測激光器，入射光經(jīng)過分光比為50％的分光棱鏡分為兩束，一束光I₁入射步驟一中加熱后的堿金屬氣室，另一束光I₂為參考光，測量不同頻率v的透過光光強(qiáng)和參考光I₂光強(qiáng)，并計(jì)算光學(xué)深度OD，得到關(guān)于頻率v和光學(xué)深度OD的吸收曲線：

步驟三、利用洛倫茲線型函數(shù)擬合關(guān)于光學(xué)深度OD與入射光頻率v的吸收曲線，通過擬合得到壓力展寬并計(jì)算堿金屬原子數(shù)密度，然后根據(jù)堿金屬原子數(shù)密度和氣室內(nèi)溫度的關(guān)系得到氣室內(nèi)溫度；

步驟四、改變加熱溫度重復(fù)上述三個(gè)步驟，獲得不少于六條不同溫度下的吸收曲線并計(jì)算溫度，擬合關(guān)于光學(xué)深度峰值OD_max和溫度的函數(shù)曲線；

步驟五、以光學(xué)深度峰值OD_max作為氣室內(nèi)溫度的敏感信號(hào)，進(jìn)行溫度測量，結(jié)合PID控制，實(shí)現(xiàn)基于光吸收測溫的堿金屬氣室溫控。