CN103501561A - 自动降低功耗的吸收室激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动降低功耗的吸收室激励装置，蓄电池分别与驱动电路、功率电路和偏置电路连接，驱动电路经功率电路、高频振荡电路、吸收室、光敏元件、光电转换电路、A/D转换电路、微控制器和分压电路与驱动电路连接，功率电路与分压电路4连接，偏置电路与高频振荡电路连接构成。单一蓄电池供电减小整个装置的体积和重量。上电后，通过无极放电立即自动点亮吸收室而无需特斯拉线圈的高压激励，防止高压脉冲对信号检测电路的干扰。通过反馈控制电路自动调节直流电源的输出电压，将整体电路的功耗降低至最小，延长了吸收室的寿命。整个电路结构简单，成本低廉，各级电路间以及电路与负载间不需要阻抗匹配，有效地避免了繁琐的匹配调试过程。

Description

自动降低功耗的吸收室激励装置

技术领域

本发明涉及一种氦光泵磁力仪磁场测量领域，具体是涉及一种能自动降低功耗的吸收室激励装置。

背景技术

光泵磁力仪主要应用于航空探测、海洋探测和空间探测。它以具有一定磁矩的原子在外磁场中产生塞曼分裂(Zeeman Effect)为基础，并采用光泵技术和磁共振技术研制而成。光泵磁敏传感器中吸收室的工作状态直接影响整个仪器的性能和质量。根据量子物理学可知，吸收室中的原子在正常情况下处于基态，原子总的磁矩为零，无法应用于磁场测量中。当外加激励源后，基态的原子跃迁至相对稳定的亚稳态，在外磁场作用下，产生塞曼效应，进而通过测量次能级之间的共振频率推算外磁场的大小。

现有的一般采用高频气体放电方式激励吸收室，这需要激励源能够产生一定功率的高频电磁场，该类放电主要分为两种形式：E型放电和H型放电。

CN1034069公开了一种“跟踪式氦(Ｈe4)光泵磁力仪”利用E型放电，其基本电路形式分为三级：高频振荡源、高频功率放大器和调谐回路。该种激励源需要利用变压器和LC网络，进行严格的级间阻抗匹配和负载阻抗匹配，否则高频功率无法有效地输送到吸收室，点不亮吸收室，却造成能量的浪费和器件的损耗。由于阻抗匹配的调试过程是很繁琐和耗时的，而且不同电路板走线形式和外界的干扰都可能导致该种电路无法正常工作，这使得该种激励源可靠性较差。

“An oscillator circuit to produce a radio-frequency discharge andapplication to metastable helium saturated absorption spectroscopy”采用一级Colpitts振荡电路，H型放电激励吸收室。该电路的电源需要利用变压器、整流桥和滤波电路将交流转变成直流，进而给振荡电路供电，虽然电路形式简单，但是整体电路体积和重量均较大，且需要交流输入，缺少灵活性。

“Solid-state frequency oscillator for optogalvanic spectroscopy:Detection of nitirc oxide using the2-0overtone transition”利用H型放电激励吸收室的激励装置，它们需要借助Tesla线圈手动产生高压脉冲来辅助点亮吸收室，这可能会导致后续检测电路受到干扰，甚至损坏。以上均为功率不可调节的激励源。由于吸收室的点亮功率大于维持功率，所以国内外设计了功率可调节的激励源：“铷光谱灯激励电路反馈控制研究”和中国科学院武汉物理与数学研究所设计的铷原子光谱灯激励电路，基本原理是通过改变分压电阻阻值来改变振荡器晶体管基极电流，从而调节输出功率。

US4456891A“Radio Frequency Source Circuit Primarily for Ignitingthe Lamp of A Rubidium Frequency Standard”

US5489821A“Lamp Oscillator for Atomic Frequency Standards”利用光敏信号反馈给振荡三极管和FET，其中后者是通过改变源极并联电阻网络阻值来改变漏极电流来实现点亮模式和工作模式功率的切换。

鉴于半导体激光器功率可调，光准直性良好等优点，利用激光器代替光谱灯已成为设计光泵磁力仪的发展趋势，为了研究信号质量与光功率之间的优化关系，需要设计一个功率可调节的激励装置。一般为了节省空间和承载量，在航空和水下测磁要求光泵磁力仪体积和重量都要降至最小，同时为保证长时间、不间断测量，还要求整个仪器的功耗尽量最低，即利用最大功率启动点亮，之后降低激励装置功率来维持吸收室工作。在复杂的测磁环境中，吸收室可能会由于振动而光强发生改变或者熄灭，此时需要激励装置自动、快速地将其点亮，尽量保持一个稳定的工作状态。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种自动降低功耗的吸收室激励装置

一种自动降低功耗的吸收室激励装置，是由蓄电池(1)分别与驱动电路(2)、功率电路3和偏置电路6连接，驱动电路2经功率电路3、高频振荡电路5、吸收室7、光敏元件8、光电转换电路9、A/D转换电路10、微控制器11和分压电路4与驱动电路2连接，功率电路3与分压电路4连接，偏置电路6与高频振荡电路5连接构成。

电感线圈缠绕在吸收室7外，吸收室7发出的光束辐射到光敏元件8上。

有益效果：采用单一的蓄电池减小了装置的体积和重量，能够在点亮吸收室后自动降低功耗，提高了电源利用效率。启动点亮吸收室时无需Tesla线圈辅助，即自动点亮；以最大功率启动点亮吸收室，点亮后通过反馈控制电路减小直流输出电压来降低功率，维持吸收室发光；电路调试无需级间阻抗匹配和负载阻抗匹配；延长了吸收室寿命。

附图说明

图1是自动降低功耗的吸收室激励装置结构框图

1蓄电池，2驱动电路，3功率电路，4分压电路，5高频振荡电路，6偏置电路，7吸收室，8光敏元件，9光电转换电路，10A/D转换电路，11微控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

自动降低功耗的吸收室激励装置，是由蓄电池(1)分别与驱动电路(2)、功率电路3和偏置电路6连接，驱动电路2经功率电路3、高频振荡电路5、吸收室7、光敏元件8、光电转换电路9、A/D转换电路10、微控制器11和分压电路4与驱动电路2连接，功率电路3与分压电路4连接，偏置电路6与高频振荡电路5连接构成。

电感线圈缠绕在吸收室7外，吸收室7发出的光束辐射到光敏元件8上。

本发明的技术方案是：由蓄电池、直流升压电路、高频激励电路和反馈控制电路组成了自动降低功耗的吸收室激励装置。直流升压电路采用boost拓扑结构，利用专用集成芯片驱动功率管，所产生的升压电压经过分压电路反馈给集成芯片，通过芯片内部的回路控制来稳定输出电压，将该电压提供给高频振荡电路作为电源电压，以提高激励磁场的频率和幅度。采用独立的偏置电路给高频振荡电路提供偏置电压。高频振荡电路中谐振线圈缠绕在吸收室外，采用高频放电中的H型无极放电，利用高频磁场点亮吸收室。电路工作后，吸收室发出的光束由光敏元件接收，所得的信号经过光电转换电路、A/D转换电路最后送入微控制器，经过处理，由微控制器输出控制信号，调节分压电路中电阻的阻值，从而改变集成芯片的驱动波形、升压电路的输出电压，最终改变吸收室的激励磁场大小，实现整体电路功率的自动调节。

在图1中，直流升压电路主要由驱动电路2、功率电路3和分压电路4组成，高频激励电路主要由高频振荡电路5、偏置电路6和吸收室7组成，反馈控制电路主要由光敏元件8、光电转换电路9、A/D转换电路10和微控制器11组成。蓄电池1给驱动电路2、功率电路3和偏置电路6提供电源，功率电路3与驱动电路2、分压电路4和高频振荡电路5连接，偏置电路6与高频振荡电路5连接，高频振荡电路5中的电感线圈缠绕在吸收室7外，吸收室7发出的光束辐射到光敏元件8上，光敏元件8与光电转换电路9连接，光电转换电路9与A/D转换电路10连接，A/D转换电路10与微控制器11连接，分压电路4与功率电路3和微控制器11连接。

上电后，驱动电路2产生驱动波形来驱动功率电路3场效应管，利用分压电路4对直流输出电压进行采样，将采样后的电压反馈至驱动电路2的控制端，改变驱动波形的占空比或者频率，从而改变直流升压电路的直流输出电压。直流输出电压供给高频振荡电路5作为直流电源，利用蓄电池1给偏置电路6供电，偏置电路6给高频振荡电路5提供偏置电压，从而形成高频振荡。高频振荡电路5中的电感线圈包围在吸收室7外，利用无极放电激励吸收室7，吸收室7被点亮后，产生的光束辐射在光敏元件8上，形成的电流信号经过光电转换电路9再转换成电压信号，该电压信号经由A/D转换电路10采集后输入给微控制器11，微控制器11改变分压电路4电阻阻值，利用反馈回路调节驱动电路2的驱动波形，进而降低直流升压电路的输出电压。

Claims (2)

1.一种自动降低功耗的吸收室激励装置，其特征在于：蓄电池(1)分别与驱动电路(2)、功率电路(3)和偏置电路(6)连接，驱动电路(2)经功率电路(3)、高频振荡电路(5)、吸收室(7)、光敏元件(8)、光电转换电路(9)、A/D转换电路(10)、微控制器(11)和分压电路(4)与驱动电路(2)连接，功率电路(3)与分压电路(4)连接，偏置电路(6)与高频振荡电路(5)连接构成。

2.按照权利要求1所述的一种自动降低功耗的吸收室激励装置，其特征在于：电感线圈缠绕在吸收室(7)外，吸收室(7)发出的光束辐射到光敏元件(8)上。

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