一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，其温控步骤为：首先将充有N2、4He和碱金属原子R

【技术实现步骤摘要】
一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法


[0001]本专利技术涉及一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，属于量子传感和精密仪器领域。

技术介绍

[0002]惯性传感器是惯性导航系统的核心器件，核磁共振惯性传感器作为惯性传感器发展的新方向，有着广阔前景，而碱金属气室是核磁共振惯性传感器的敏感核心，其气室内部的温度对原子的极化率有着直接影响，直接影响惯性传感器输出信号。因此碱金属气室的内部精密温控具有重要意义。
[0003]目前碱金属气室的温度控制是基于铂电阻测量气室外壁的单点温度，文献[1]和文献[2]分别采用基于铂电阻四线制测温和铂电阻交流电桥测温的方式实现了气室的温度控制，基于铂电阻测温的温控实现了mk量级温控稳定度，但这种测温方式只能测量和控制碱金属气室外壁的单点温度，无法反应气室内的真实温度。文献[3]给出了一种基于压力展宽法的碱金属气室内温度测量方法，并将该方法应用于碱金属气室内温度梯度的测量，这种测温方法耗时久，无法基于此方法实现温度的实时控制。另外常规的光吸收测温方式需要扫描光谱然后解算温度，无法实时控制温度。
[0004][1]郝杰鹏,周斌权.碱金属气室无磁电加热技术研究与系统设计[J].计算机测量与控制,2017,25(05):180
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183
[0005][2]符满华.基于交流电桥测温的无磁测温系统实验研究[D].北京:北京航空航天大学,2020
[0006][3]房建成,王许琳,池浩湉,全伟.一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法[P].北京：CN107167437B,2019
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07
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26.

技术实现思路

[0007]本专利技术解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，解决了传统铂电阻测温无法测量气室内温度以及常规光吸收测温方法无法实现温度控制的问题，实现了碱金属气室内温度的实时测量与控制。
[0008]本专利技术的技术解决方案为：一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，该方法适用于核磁共振惯性传感器的碱金属气室，所述步骤如下：
[0009]步骤一、首先基于铂电阻温度传感器测量气室外壁温度，将核磁共振惯性传感器的碱金属气室加热至某待测温度点；
[0010]步骤二、设计光路，选择波长调谐范围在铷原子D1线附近的DFB激光器作为检测激光器，入射光经过分光比为50％的分光棱镜分为两束，一束光I1入射步骤一中加热后的碱金属气室，另一束光I2为参考光，测量不同频率v的透过光光强和参考光I2光强，并计算光学深度OD，得到关于频率v和光学深度OD的吸收曲线：
[0011]步骤三、利用洛伦兹线型函数拟合关于光学深度OD与入射光频率v的吸收曲线，通
过拟合得到压力展宽并计算碱金属原子数密度，然后根据碱金属原子数密度和气室内温度的关系得到气室内温度；
[0012]步骤四、改变加热温度重复上述三个步骤，获得不少于六条不同温度下的吸收曲线并计算温度，拟合关于光学深度峰值OD
max
和温度的函数曲线；
[0013]步骤五、以光学深度峰值OD
max
作为气室内温度的敏感信号，进行温度测量，结合PID控制，实现基于光吸收测温的碱金属气室温控。
[0014]所述步骤二中，光学深度OD的计算公式如下：
[0015][0016]其中v为入射光频率，为透过光强，I2为参考光强。
[0017]所述步骤三中，洛伦兹线型函数拟合光学深度OD
′
的公式为：
[0018][0019]式中v为入射光频率，v0为铷原子的中心频率，Γ为拟合曲线的压力展宽，即洛伦兹曲线的半高宽，k、v0和Γ都是需要拟合的参数。
[0020]所述步骤三中，计算碱金属原子数密度的公式如下：
[0021][0022]n为气室内温度为T时碱金属原子数密度，OD
max
为吸收曲线光学深度峰值，c为光速，r
e
为电子电磁半径，f为振子线强度，此处取值l为光程，Γ为拟合得到的压力展宽，c,r
e
,f，l皆为常量；
[0023]碱金属原子(铷)数密度和气室内温度的关系符合饱和蒸气压公式：
[0024][0025]所述步骤2中，设计的光路如图2所示，包括：DFB激光器、分光棱镜(PBS)、光纤耦合器、波长计、准直透镜、半波片(HWP)、碱金属气室、光电探测器；DFB激光器出射的激光首先经半波片和分光棱镜分束，一部分光束经光纤耦合器进入波长计检测波长，另一部分进入主光路经半波片和准直进入碱金属气室，通过调节半波片即可调节分光比，光强通过光电探测器采集。
[0026]本专利技术的原理在于：根据拟合吸收曲线和饱和蒸气压公式计算得到气室温度，拟合函数采用洛伦兹线型的原因是碱金属气室一般所充气体的压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽。通过拟合计算得到碱金属原子数密度和温度，此测温过程耗时久，因此通过扫描不同温度的吸收曲线，直接建立吸收曲线中光学深度峰值和温度的函数关系，以光学深度峰值信号敏感温度，可实现温度的实时测量，并基于此实现温度的实时控制。
[0027]本专利技术相比于一般的碱金属气室温控方法的优点在于：相较于一般的铂电阻测控，本专利技术是对气室内部温度的测量与控制，能准确反应气室内碱金属原子数密度，并保证碱金属原子的高密度和密度稳定性。
附图说明
[0028]图1为本专利技术的温控方法流程图；
[0029]图2为本专利技术的基于光吸收测温的碱金属气室温控系统组成框图。
具体实施方式
[0030]下面结合附图及实施例对本专利技术进行详细说明。
[0031]如图1所示，本专利技术的具体实施步骤如下：
[0032](1)首先将充有N2、4He、
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Xe和碱金属原子的碱金属气室加热至某一待测温度(充入的N2、4He在百torr量级)，稳定加热温度至少30分钟。
[0033](2)用波长可调谐范围在铷原子D1线附近的DFB激光器，产生光强和波长稳定的扫描激光，其中激光功率稳定在
±
0.005mw。入射光经半波片HWP和偏振分光棱镜PBS1分为两束，一束I0进入光纤耦合器连接波长计记录波长信息，另一路I作为主光路经准直整形后进入分光比为1:1的分光棱镜分为两束，其中一束进入碱金属气室光强记为I1，透过气室后光强记为经光电探测器PD1采集。另一束透过参考气室后由PD2采集，记为I2。参考气室内没有碱金属原子，不吸收入射光；光电探测器采集的信号经前置放大器后进入DAQ数据采集板卡由上位机处理。加热电路部分采用高频电加热方式，即使用高频电流经过功率放大后激励加热膜的电热丝。碱金属气室和烤箱置于惯性传感器的磁屏蔽桶内。
[0034](3)在铷原子D1线附近扫频，为保证测量准确性，在铷原子D1线中心频率(794.98nm)附近设置步距为0.002nm，在其他位置步距0.005nm；通过调节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，适用于核磁共振惯性传感器的碱金属气室，其特征在于：所述步骤如下：步骤一、首先基于铂电阻温度传感器测量气室外壁温度，将核磁共振惯性传感器的碱金属气室加热至某待测温度点；步骤二、设计光路，选择波长调谐范围在铷原子D1线附近的DFB激光器作为检测激光器，入射光经过分光比为50％的分光棱镜分为两束，一束光I1入射步骤一中加热后的碱金属气室，另一束光I2为参考光，测量不同频率v的透过光光强和参考光I2光强，并计算光学深度OD，得到关于频率v和光学深度OD的吸收曲线：步骤三、利用洛伦兹线型函数拟合关于光学深度OD与入射光频率v的吸收曲线，通过拟合得到压力展宽并计算碱金属原子数密度，然后根据碱金属原子数密度和温度的关系得到气室内温度；步骤四、改变加热温度重复上述三个步骤，获得不少于六条不同温度下的吸收曲线并计算温度，拟合关于光学深度峰值OD
max
和温度的函数曲线；步骤五、以光学深度峰值OD
max
作为气室内温度的敏感信号，进行温度测量，结合PID控制，实现基于光吸收测温的碱金属气室温控。2.根据权利要求1所述的基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，其特征在于：所述步骤二中，光学深度OD的计算公式如下：其中为透过光强，I2为参考光强。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：周新秀，冯文平，崔培玲，毛琨，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：