一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统技术方案

本发明专利技术属于气体温度控制技术领域，具体涉及一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统；该系统壳体模块构成原子气室；温控模块的三号温控传感器和二号电加热薄膜配合，将原子气室内温度控制在设定温度，位于一号电加热薄膜正上方外壳外表面处设置一号温度传感器，一号电加热薄膜正下方内壳中嵌入二号温度传感器；当外界环境温度波动时，一号温度传感器感知环境温度的变化，并将环境温度变化信号传输至温控模块，温控模块对接收到的信号处理后，控制一号电加热薄膜的功率，抑制环境温度对原子气室顶部温度的影响；同理，二号温控传感器消除原子气室顶部的温度波动。本发明专利技术抑制了原子气室温度梯度，提升了原子陀螺和原子磁强计标度因数稳定性的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统
本专利技术属于气体温度控制
，具体涉及一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统。
技术介绍
原子陀螺的标度因数稳定性与原子气室的温度稳定性密切相关。因此，需要对其进行高精度温度控制。美国普林斯斯顿大学、加州大学欧文分校、北京航空航天大学等相关研究机构相继开展了气室高精度温控方面的工作，并且在温度传感器位置处，相继实现了较高的温控精度。但是由于气室玻璃导热率较低，因此其不同的位置处的温度很可能相差较大，即容易产生较大的温度梯度。在传统单传感器温控模式下，即便经过控制后传感器处温度波动较小，但是在环境温度和温度梯度的影响下，气室上距离传感器较远处温度稳定性难以达到较高的水平，这种缺陷难以克服。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术的目的在于提供一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，解决单传感器温控模式下气室上距离传感器较远处温度稳定性难以达到较高的水平的问题。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案。本专利技术一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，该系统包括：加热组件、温控模块和壳体模块；壳体模块包括内壳和外壳；内壳为无磁材料加工而成，内壳形成的中空密闭腔室构成原子气室；所述加热组件包括一号电加热薄膜和二号电加热薄膜；所述一号电加热薄膜设置在内壳外侧，位于原子气室顶部，所述二号电加热薄膜设置在内壳内侧，位于原子气室底部，内壳外侧设置外壳，外壳为无磁材料加工而成；所述加热组件还包括一号温度传感器、二号温度传感器和三号温度传感器；三号温度传感器贴在二号电加热薄膜上；所述三号温控传感器和二号电加热薄膜配合，将原子气室内温度控制在设定温度，在外壳外表面，位于一号电加热薄膜正上方设置一号温度传感器，一号电加热薄膜正下方内壳中嵌入二号温度传感器；当外界环境温度波动时，一号温度传感器感知环境温度的变化，并将环境温度变化信号传输至温控模块，温控模块对接收到的信号处理后，控制一号电加热薄膜的功率，抑制环境温度对原子气室顶部温度的影响；当二号温控传感器感知到原子气室顶部的温度波动时，将原子气室顶部温度变化信号传输至温控模块，温控模块对接收到的信号处理后，温控模块控制一号电加热薄膜的功率，消除原子气室顶部的温度波动。进一步，所述温控模块包括温度传感电路、信号处理电路和功率放大电路；所述温度传感电路包括2个电桥电路；一号温度传感器、二号温度传感器配合精密电阻R1和R2构成第一电桥，第一电桥与第一仪表放大器相连构成第一电桥电路，第一电桥输出信号经第一仪表放大器差分放大后传输给信号处理电路；三号温度传感器与精密电阻R3、R4和R5构成第二电桥，第二电桥与第二仪表放大器相连构成第二电桥电路，第二电桥输出信号经第二仪表放大器差分放大后传输给信号处理电路；所述信号处理电路包括A/D模块、处理单元和D/A模块；第一电桥电路和第二电桥电路输出的信号经A/D模块采样后得到离散信号，处理单元对离散信号进行处理，并通过处理单元PID模块输出控制信号给D/A模块，D/A模块对接收到的控制信号进行转换后输出给功率放大电路，功率放大电路驱动加热组件的一号电加热薄膜和二号电加热薄对原子气室进行温度控制。进一步，所述电桥激励信号由信号处理电路产生；设信号处理电路给两路电桥电路的电桥激励信号均为：V0＝A0sin(2πf0t)(1)式中：A0为正弦信号幅值；f0为信号频率，取值范围为50kHz到100kHz；t为时间；则，第一路电桥电路输出信号经A/D模块采样后得到离散信号V1(k)为：式中：Am为仪表放大器的放大倍数；f0为信号频率，取值范围为50kHz到100kHz；fs为A/D模块的采样频率；k为样本序号，k1为经第一电桥差分后输出信号幅值的衰减倍数，为经第一电桥差分后输出信号相对电桥激励信号的相角；第二路电桥电路输出信号经A/D模块采样后得到离散信号V2(k)为：式中：Am为仪表放大器的放大倍数；f0为信号频率，取值范围为50kHz到100kHz；fs为A/D模块的采样频率；k为样本序号，k2为经第二电桥差分后输出信号幅值的衰减倍数，为经第二电桥差分后输出信号相对电桥激励信号的相角。进一步，处理单元得到温度传感电路输出的A/D模块采样的离散信号V1(k)1和V2(k)后，与每一个样本信号对应的电桥激励信号V0(k)进行如下相关检测：式中：N为相关检测的采样数；Am为仪表放大器的放大倍数；f0为信号频率，取值范围为50kHz到100kHz；fs为A/D模块的采样频率；k为样本序号，k1为经第一电桥差分后输出信号幅值的衰减倍数，为经第一电桥差分后输出信号相对电桥激励信号的相角；k2为经第二电桥差分后输出信号幅值的衰减倍数，为经第二电桥差分后输出信号相对电桥激励信号的相角；X1与X2分别表征温度传感器处温度高低。进一步，所述内壳和外壳由无磁非金属材料加工而成。进一步，所述内壳加工材料为石墨.进一步，所述外壳加工材料为保温棉或气凝胶。进一步，相关检测的采样数N取值为0.1fs，fs为A/D模块的采样频率。进一步，A/D模块的采样频率fs取值为10f0，f0为信号频率，取值范围为50kHz到100kHz。进一步，所述一号温度传感器、二号温度传感器和三号温度传感器为铂电阻。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，抑制了原子气室温度梯度，提升了原子陀螺和原子磁强计标度因数稳定性的。本专利技术一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，通过在原子气室顶部设置温控模块，使得原子气室顶部温度稳定性提升了一个数量级。相比传统的电流源模式，本专利技术一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，通过加热组件和温控模块，使得原子气室的测温分辨率提升了约两个数量级。附图说明图1是本专利技术一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统示意图；图2是本专利技术一种温度传感电路示意图；图中：1-一号温度传感器，2-一号电加热薄膜，3-二号温度传感器，4-原子气室，5-二号电加热薄膜，6-三号温度传感器，7-内壳，8-外壳，9-温度传感电路，10-信号处理电路，11-处理单元。具体实施方式下面结合具体实施方式和附图对本专利技术一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统详细说明。如图1所示，本专利技术一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，包括加热组件、温控模块、内壳7和外壳8；内壳7形成的中空密闭腔室构成原子气室4，优选原子气室4为矩形腔室；内壳7为无磁非金属材料加工而成，内壳7加工材料优选石墨，内壳7使原子气室4受热更均匀，抑制了原子气室4内的温度梯度；所述加热组件包括一号电加热薄膜2和二号电加热薄膜5；原子气室4底部，内壳7内侧设置二号电加热薄膜5，原子气室4顶部，内壳7外侧设置一号电加热薄膜2，内壳外侧设置外壳8，外壳8为无磁非金属材料加工而成，外壳8加工材料优选保温棉或气凝胶，外壳8用于内壳7的保温，抑制原子气室4与周围环境之间的热交换。所述加热组件还包括一号温度传感器1、二号温度传感器3和三号温度传感器6；三号温度传感器6设置在原子气室4底部，贴在二号电加热薄膜5上。所述三号温控传感器6和二号电加热薄膜5配合，将原子气室4内温度控制在110℃左右，但由于原子气室4顶部距离三号温控传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，其特征在于，该系统包括：加热组件、温控模块和壳体模块；壳体模块包括内壳和外壳；内壳为无磁材料加工而成，内壳形成的中空密闭腔室构成原子气室；所述加热组件包括一号电加热薄膜和二号电加热薄膜；所述一号电加热薄膜设置在内壳外侧，位于原子气室顶部，所述二号电加热薄膜设置在内壳内侧，位于原子气室底部，内壳外侧设置外壳，外壳为无磁材料加工而成；所述加热组件还包括一号温度传感器、二号温度传感器和三号温度传感器；三号温度传感器贴在二号电加热薄膜上；所述三号温控传感器和二号电加热薄膜配合，将原子气室内温度控制在设定温度，在外壳外表面，位于一号电加热薄膜正上方设置一号温度传感器，一号电加热薄膜正下方内壳中嵌入二号温度传感器；当外界环境温度波动时，一号温度传感器感知环境温度的变化，并将环境温度变化信号传输至温控模块，温控模块对接收到的信号处理后，控制一号电加热薄膜的功率，抑制环境温度对原子气室顶部温度的影响；当二号温控传感器感知到原子气室顶部的温度波动时，将原子气室顶部温度变化信号传输至温控模块，温控模块对接收到的信号处理后，温控模块控制一号电加热薄膜的功率，消除原子气室顶部的温度波动。...

【技术特征摘要】
1.一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，其特征在于，该系统包括：加热组件、温控模块和壳体模块；壳体模块包括内壳和外壳；内壳为无磁材料加工而成，内壳形成的中空密闭腔室构成原子气室；所述加热组件包括一号电加热薄膜和二号电加热薄膜；所述一号电加热薄膜设置在内壳外侧，位于原子气室顶部，所述二号电加热薄膜设置在内壳内侧，位于原子气室底部，内壳外侧设置外壳，外壳为无磁材料加工而成；所述加热组件还包括一号温度传感器、二号温度传感器和三号温度传感器；三号温度传感器贴在二号电加热薄膜上；所述三号温控传感器和二号电加热薄膜配合，将原子气室内温度控制在设定温度，在外壳外表面，位于一号电加热薄膜正上方设置一号温度传感器，一号电加热薄膜正下方内壳中嵌入二号温度传感器；当外界环境温度波动时，一号温度传感器感知环境温度的变化，并将环境温度变化信号传输至温控模块，温控模块对接收到的信号处理后，控制一号电加热薄膜的功率，抑制环境温度对原子气室顶部温度的影响；当二号温控传感器感知到原子气室顶部的温度波动时，将原子气室顶部温度变化信号传输至温控模块，温控模块对接收到的信号处理后，温控模块控制一号电加热薄膜的功率，消除原子气室顶部的温度波动。2.根据权利要求1所述的一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，其特征在于：所述温控模块包括温度传感电路、信号处理电路和功率放大电路；所述温度传感电路包括2个电桥电路；一号温度传感器、二号温度传感器配合精密电阻R1和R2构成第一电桥，第一电桥与第一仪表放大器相连构成第一电桥电路，第一电桥输出信号经第一仪表放大器差分放大后传输给信号处理电路；三号温度传感器与精密电阻R3、R4和R5构成第二电桥，第二电桥与第二仪表放大器相连构成第二电桥电路，第二电桥输出信号经第二仪表放大器差分放大后传输给信号处理电路；所述信号处理电路包括A/D模块、处理单元和D/A模块；第一电桥电路和第二电桥电路输出的信号经A/D模块采样后得到离散信号，处理单元对离散信号进行处理，并通过处理单元PID模块输出控制信号给D/A模块，D/A模块对接收到的控制信号进行转换后输出给功率放大电路，功率放大电路驱动加热组件的一号电加热薄膜和二号电加热薄对原子气室进行温度控制。3.根据权利要求2所述的一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统，其特征在于：所述电桥激励信号由信号处理电路产生；设信号处理电路给两路电桥电路的电桥激励信号均为：V0＝A0sin(2πf0t)(1)式中：...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦杰，牛光星，汤恩琼，万双爱，刘建丰，韩文法，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11