基于高精度保偏光纤的原子气室温控系统

技术领域

本发明属于控制技术领域，具体涉及一种基于高精度保偏光纤的原子气室温控系统。

背景技术

原子气室作为原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等系统的核心敏感部件，对光、热、磁等方面均有较高的要求，需要工作在无磁、高温的环境下才能保证原子传感的分辨力、稳定性等。原子气室为内部充铷、铯、钾等碱金属原子的玻璃容器，是原子极化、自旋弛豫、原子跃迁等过程发生的物理场所，原子气室内部的稳定性直接影响着系统的性能。碱金属原子的密度与温度成指数关系，随温度的升高，碱金属原子密度和碱金属之间的热运动增加，当温度过高时，易引起碱金属原子退极化，因此原子气室的温度应加热在150℃-180℃内，同时温度的波动会导致极化原子数不稳定，影响系统性能，因此需要对原子气室进行温度控制。

目前国内外在原子气室温控领域，普遍利用热敏电阻测温，全电子继电器关断式控制激光、加热丝、热气流等对原子气室加热至200℃内，但热敏电阻等测温方式不可避免的会在测量过程中对系统产生电磁干扰。在加热和温度控制方面，采用继电器等开关型的加热方式，会产生气室环境磁场的突变，尽管采用了对称加热结构，剩余的电流不对称性也会引入较大的干扰和噪声；传统的气室温度测量和控制技术能实现的温度控制精度一般为0.01℃，尚不能满足完全高精度低噪声原子测量和传感系统的需求。

发明内容

为了解决上述问题，即为了解决原子气室传统温度测量和控制中存在的温度控制精度低、波动大和残余电磁干扰大等问题，本发明提供了一种基于高精度保偏光纤的原子气室温控系统，该系统包括原子气室、光纤温度传感模块、光纤光谱测量模块、变幅值交流电加热模块和无磁电加热膜，所述光纤温度传感模块、所述变幅值交流电加热模块均与所述光纤光谱测量模块通信连接，所述变幅值交流电加热模块与所述无磁电加热膜通信连接；

所述光纤温度传感模块沿所述原子气室表面螺旋环绕设置；

所述光纤光谱测量模块用于检测所述光纤温度传感模块形成的光谱信号，并输出温度值；

所述变幅值交流电加热模块基于接收的所述光纤光谱测量模块输出的温度值以及设定温度值调整输出交流信号幅值，以进行所述无磁电加热膜的加热功率调控；

所述无磁电加热膜设置于所述原子气室的气室框架上。

在一些优选实施例中，所述变幅值交流电加热模块包括单片机、压控增益放大器和功率放大器，所述单片机、所述压控增益放大器与所述功率放大器依次通信连接；

所述单片机与所述光纤光谱测量模块通信连接，用于接收所述光纤光谱测量模块输出的当前时刻原子气室的温度；

所述压控增益放大器通过控制端电压改变输出增益；

所述变幅值交流电加热模块通过PID算法输出的电压信号，根据

在一些优选实施例中，所述单片机为STM32单片机；

所述压控增益放大器为VCA821；

所述功率放大器为OPA548功放芯片；

所述变幅值交流电加热模块的幅值调整范围为[-20dB，20dB]。

在一些优选实施例中，所述光纤温度传感模块包括光源、耦合器、光纤偏振分束器、保偏光纤，所述保偏光纤沿所述原子气室螺旋绕设，以进行气室温度的立体测量；

所述光源的尾纤、所述光纤光谱测量模块的尾纤与所述耦合器的入纤熔接；所述光纤偏振分束器的尾纤与所述保偏光纤的入纤熔接；所述保偏光纤远离所述耦合器的一端设置有反射膜；

所述光纤偏振分束器的光轴与所述保偏光纤主轴的熔接点构成第一夹角θ；θ∈(0，90°)；

所述光纤光谱测量模块基于谷值波长变化量获得原子气室被测温度T，并将所述被测温度T输出给变幅值交流电加热模块。

在一些优选实施例中，

所述保偏光纤的输出光谱为：

在一些优选实施例中，θ为45度。

在一些优选实施例中，所述保偏光纤长度为661.14mm。

在一些优选实施例中，所述无磁电加热膜使用双层无磁电阻丝绕制而成。

在一些优选实施例中，所述保偏光纤使用聚酰亚胺和金属涂覆的保偏光纤。

在一些优选实施例中，所述光纤光谱测量模块使用SM125光纤光谱仪。

1)本发明结合高精度保偏光纤和变幅值加热功率控制技术，实现了一种基于高精度保偏光纤的原子气室温控系统，能实现气室温度的立体检测，具有高精度、高灵敏度、无电磁干扰的优点，保证气室温度在时间和空间上的均匀性，能明显改善原子气室的工作条件，降低原子系统的误差和噪声。

2)本发明采用变幅值交流加热方法，结构简单，克服了传统加热方法的缺点，具有控制精度高、温度波动小、噪声低和可靠性高等优点，能够保证原子气室加热过程中时间和空间的温度均匀性，明显改善气室的工作条件，提高原子测量和传感系统的精度和性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一种具体实施例的温控装置结构示意图；

图2(a)为本发明中的光纤温度传感器的一种具体实施例的结构示意图；

图2(b)为本发明中的光纤温度传感器的另一种具体实施例的结构示意图；

图3为温度变化前后的典型干涉光谱图；

图4为本发明中的光纤温度传感器与原子气室位置结构示意图；

图5为本发明中的变幅值交流电加热模块的一种具体实施例的结构框图；

图6为本发明的一种具体实施例的结构组成示意图；

图7为利用该系统实测的温度控制曲线图。

附图标记说明依次如下：

1、无磁电加热膜，2、光纤温度传感器，3、光纤光谱测量模块，4、变幅值交流电加热模块，5、原子气室，6、气室框架，2-1、光源，2-2、耦合器，2-3、光纤偏振分束器，2-4、保偏光纤，2-5、熔接点，2-6、反射膜，4-1、单片机，4-2、压控增益放大器，4-3、功率放大器。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种基于高精度保偏光纤的原子气室温控系统，该系统包括原子气室、光纤温度传感模块、光纤光谱测量模块、变幅值交流电加热模块和无磁电加热膜，光纤温度传感模块、变幅值交流电加热模块均与光纤光谱测量模块通信连接，变幅值交流电加热模块与无磁电加热膜通信连接；光纤温度传感模块沿所述原子气室表面螺旋环绕设置；光纤光谱测量模块用于检测光纤温度传感模块形成的光谱信号，并输出温度值；变幅值交流电加热模块基于接收的光纤光谱测量模块输出的温度值以及设定温度值调整输出交流信号幅值，以进行无磁电加热膜的加热功率调控；无磁电加热膜安装在气室框架上；其中，光纤温度传感模块使用金属或聚酰亚胺涂覆的保偏光纤作为传感光纤，布设在气室表面，基于其偏振模干涉实现温度测量，进而实现气室温度的立体测量，形成的光谱信号由光纤光谱测量模块检测和处理，并输出温度值；变幅值交流电加热模块由单片机、压控增益运放和功放电路组成，接收光纤光谱测量模块输出的温度值并根据设定温度值调整输出交流信号幅值，实现电加热功率调整，精确控制气室温度；本发明能实现气室温度的立体检测，具有高精度、高灵敏度、无电磁干扰的优点，保证气室温度在时间和空间上的均匀性，能明显改善原子气室的工作条件，降低原子系统的误差和噪声。

进一步地，单片机、压控增益放大器与功率放大器依次通信连接；单片机与光纤光谱测量模块通信连接，用于接收光纤光谱测量模块输出的当前时刻原子气室的温度；压控增益放大器通过控制端电压改变输出增益；变幅值交流电加热控制通过处理器输出的电压值控制压控增益放大器以改变交流信号的增益倍数，通过处理器内部算法控制交流电幅值的增益倍数发生实时改变以改变对无磁电加热片的加热功率；现有的对温度控制的办法主要为继电器控制及PWM控制，继电器控制通过开关的方式控制是否加热，以控制温度导致温度波动范围较大，PWM控制主要对直流电调控以改变温度，而直流电信号会对原子气室造成较大的温度干扰；通过本发明公开的基于高精度保偏光纤的原子气室温控系统，能实现气室温度的立体检测，具有高精度、高灵敏度、无电磁干扰的优点，保证气室温度在时间和空间上的均匀性，能明显改善原子气室的工作条件，降低原子系统的误差和噪声。

以下参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。

参照附图1至附图7，图1为本发明的一种具体实施例的温控装置结构示意图，图2(a)为本发明中的光纤温度传感器的一种具体实施例的结构示意图，图2(b)为本发明中的光纤温度传感器的另一种具体实施例的结构示意图，图3为温度变化前后的典型干涉光谱图，图4为本发明中的光纤温度传感器与原子气室位置结构示意图，图5为本发明中的变幅值交流电加热模块的一种具体实施例的结构框图，图6为本发明的一种具体实施例的结构组成示意图，图7为利用该系统实测的温度控制曲线图；本发明公开了一种基于高精度保偏光纤的原子气室温控系统，该系统包括原子气室5、光纤温度传感模块(光纤温度传感器2)、光纤光谱测量模块3、变幅值交流电加热模块4和无磁电加热膜1，光纤温度传感模块、变幅值交流电加热模块均与光纤光谱测量模块通信连接，变幅值交流电加热模块与无磁电加热膜通信连接；光纤温度传感模块沿原子气室表面螺旋环绕设置，基于偏振模干涉的原理进行温度测量，实现气室温度的立体测量，保证空间上温度测量的均匀性；光纤光谱测量模块用于检测光纤温度传感模块形成的光谱信号，并输出温度值；变幅值交流电加热模块基于接收的光纤光谱测量模块输出的温度值以及设定温度值调整输出交流信号幅值，以进行无磁电加热膜的加热功率调控，精确控制气室温度；无磁电加热膜设置于原子气室的气室框架6上。

变幅值交流电加热模块包括单片机4-1、压控增益放大器4-2和功率放大器4-3，所述单片机、压控增益放大器与功率放大器依次通信连接；单片机与光纤光谱测量模块通信连接，用于接收光纤光谱测量模块输出的当前时刻原子气室的温度；压控增益放大器通过控制端电压改变输出增益。

变幅值交流电加热模块通过PID算法输出的电压信号，根据

在本发明中，变幅值交流电加热控制通过处理器输出的电压值控制压控增益放大器以改变交流信号的增益倍数，通过处理器内部算法控制交流电幅值的增益倍数发生实时改变以改变对无磁电加热片的加热功率；现有的对温度控制的办法主要为继电器控制及PWM控制，继电器控制通过开关的方式控制是否加热，会导致温度波动范围较大，PWM控制主要对直流电调控以改变温度，而直流电信号会对原子气室造成较大的电磁干扰；通过本发明公开的基于高精度保偏光纤的原子气室温控系统，能实现气室温度的立体检测，具有高精度、高灵敏度、无电磁干扰的优点，保证气室温度在时间和空间上的均匀性，能明显改善原子气室的工作条件，降低原子系统的误差和噪声。

优选地，单片机为STM32单片机；压控增益放大器为VCA821；功率放大器为OPA548功放芯片。

优选地，变幅值交流电加热模块的幅值调整范围为[-20dB，20dB]，能很好满足电加热功率的大范围，精确调整。

进一步地，光纤偏振分束器的光轴与保偏光纤主轴的熔接点2-5构成第一夹角θ；θ∈(0，90°)；光纤光谱测量模块基于谷值波长变化量获得原子气室被测温度T，并将所述被测温度T输出给变幅值交流电加热模块。

光纤温度传感模块的传感部分可以是环形(图2a)，也可以是反射型(图2b)光纤干涉仪结构，光纤温度传感模块包括光源2-1、耦合器2-2、光纤偏振分束器2-3、保偏光纤2-4，保偏光纤沿原子气室的螺旋绕设，以进行气室温度的立体测量；光源的尾纤、光纤光谱测量模块的尾纤与耦合器的入纤熔接；光纤偏振分束器的尾纤与保偏光纤的入纤熔接；保偏光纤远离耦合器的一端设置有反射膜2-6。

保偏光纤的两个偏振模发生干涉，传感器输出光谱由下式给出

在基于偏振模干涉的光纤温度传感系统中，与环形光纤传感系统相比，反射型传感系统的光路采用全保偏结构，能够保证光路传输的稳定性；此外，反射型传感系统利用反射膜结构大大减小了系统尤其是传感部分的结构，使传感头体积较小，易深入人体或其他小型测量系统中，在医疗领域、便携式测量领域具有很高的应用价值。与传统的干涉光路系统相比，在接入至光纤光栅解调仪后，采用新型波长解调算法对波长数据进行解调以得到温度变化。

进一步地，典型干涉光谱如图3所示，在干涉光谱中波谷满足表达式

式中，B和L分别为所用保偏光纤的固有双折射和长度，C

由于气室工作温度可能需要达到200℃，而传统的光纤只能在约80℃长期工作，为此，本发明采用了聚酰亚胺和金属涂覆保偏光纤，并将光纤环绕在气室周围(如图4所示)，这样，引起输出光谱变化的将是气室所处空间的3D温度场，能全面准确反映气室3D温度场状态，为气室的空间域和时间域的温度控制提供全面准确的温度信息。

进一步地，

保偏光纤的输出光谱为：

优选地，保偏光纤长度为661.14mm。

优选地，无磁电加热膜使用双层无磁电阻丝绕制而成，利用双层对绕能够抵消加热时产生的附加磁场，精确控制交流电幅值实现对无磁电加热膜加热功率连续调整，在实现对气室温度的控制的同时，避免对气室引入产生额外的电磁噪声。

优选地，使用聚酰亚胺或金属涂覆保偏光纤的表面，光纤涂覆金属包括但不仅限于金、铝、锡等，金属涂覆层的热膨胀系数低、耐高温。

本发明采用聚酰亚胺或金属涂覆保偏光路实现温度传感，相比传统使用热敏电阻、铂电阻等方法，具有精度高、无电磁干扰和能实现3D温度测量的特点，聚酰亚胺和金属涂覆光纤耐高温、可靠性高的特点，增强了系统的高温稳定性、可靠性和寿命。

进一步地，光纤光谱测量模块由宽谱光源+光谱分析仪器、专用光纤光谱解调仪等光纤光谱测量装置实现。

图7为利用该装置实测的温度控制曲线，由于采用变幅值加热方式，将气室温度初始加热时间缩短到约5分钟，稳态条件下温度波动小于0.003℃。

原子气室内按设定比例充有钾铷氖元素和气体，工作温度为180℃；温度传感器灵敏度为1.16nm/℃，光纤光谱仪采用MOI公司生产的SM125光纤光谱仪，波长分辨率为1pm，光纤温度传感器的测量精度优于0.001℃，明显优于传统的温度控制系统。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述模块或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/模块不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/模块所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。