CN103901924A - 一种基于光加热的无磁温控装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无磁温控领域，具体涉及一种用于原子磁力仪系统中利用热气流加热原子气室的基于光加热的无磁温控装置。基于光加热的无磁温控装置，包括激光器、光开关和1×2波分复用器，原子加热室和温度控制器，激光器、光开关和1×2波分复用器通过光纤连接，光器通过光纤将光束导入到1×2波分复用器中，通过1×2波分复用器后光束变为两束功率相同的光束，通过光纤导入到原子加热室中。原子加热室采用耐高温无磁材料泡沫玻璃，自身不产生干扰磁场；激光器、光开关以及温度控制器等能够产生干扰磁场的电气部分与原子加热室存在足够的跨度，避免了对原子气室工作区域产生磁场干扰。

Description

一种基于光加热的无磁温控装置

技术领域

本发明属于无磁温控领域，具体涉及一种用于原子磁力仪系统中利用热气流加热原子气室的基于光加热的无磁温控装置。

背景技术

原子气室温控装置是原子磁力仪的重要组成部分，在原子磁力仪系统中通常需要对原子气室进行加热，加热的主要有两个目的：一是保证碱金属处于气体状态，二是提高原子的数密度进而提高原子磁力仪系统的灵敏度。目前几种主要的加热方式为：电加热（包括交流电双绕线加热和间断电加热），热气流加热和光加热。交流双绕电加热会引进磁噪声，间断电加热温度稳定性差会产生温度梯度，加热速度慢、热气流波动会影响光路且系统较复杂，这三种方法或严重影响原子磁力仪系统的灵敏度，或增加了整套设备的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是提供一种避免了磁噪声和光噪声的引入，保证了原子磁力仪系统的灵敏度的基于光加热的无磁温控装置。

本发明的目的是这样实现的：

基于光加热的无磁温控装置，包括激光器、光开关和1×2波分复用器，原子加热室和温度控制器，激光器、光开关和1×2波分复用器通过光纤连接，光器通过光纤将光束导入到1×2波分复用器中，通过1×2波分复用器后光束变为两束功率相同的光束，通过光纤导入到原子加热室中，光纤的出光端粘接在原子气室的侧壁上，通过两端加热的方式可以保证原子加热室的温度均匀性，通过设置温度控制器的神经元网络PID的参数设置光开关的开关频率，间接的控制加热光功率，从而达到调整原子气室温度的目的，磁铂电阻温度传感器实时监测原子气室的温度，作为温度反馈信号输入给温度控制器控制光开关保证加热温度的稳定性，此时形成了闭环控制系统。激光器为半导体激光器，最大光功率为2W，中心波长为1064nm。光纤纤径为150μm。光开关的光纤接头为FC接头，最大承受光功率为2W，响应时间为10ms，使用寿命10⁹次。1×2波分复用器的出光光纤的中光功率比为50:50，即两束光功率相等。温度控制器采用模糊自整定控制神经网络PIN控制光开关的通断，从而达到控制加热光功率的目的，其温度精度达到0.5℃。原子加热室中间置有聚酰亚胺网络板，原子气室被固定在聚酰亚胺网络板上，并置于加热室内的中心位置。原子加热室由无磁材料泡沫玻璃制作成。原子加热室中原子气室的两侧面粘接1×2波分复用器后端的出光光纤，过两端加热的方式保证原子气室有较小的温度梯度。原子加热室无磁铂电阻温度传感器作为无磁温度传感器，通过高温点焊的方式焊接，最大剩磁优于10pT。

本发明的有益效果在于：原子加热室采用耐高温无磁材料泡沫玻璃，自身不产生干扰磁场；激光器、光开关以及温度控制器等能够产生干扰磁场的电气部分与原子加热室存在足够的跨度，避免了对原子气室工作区域产生磁场干扰；采用激光加热方式进行加热，同样避免引入磁噪声的影响；采用模糊控制自整定神经元网络PID作为温度控制器控制加热温度，温度稳定性好；使用无磁铂电阻温度传感器，替代了布拉格光纤光栅作为温度传感器，不但避免了磁噪声的干扰、保证了测量温度的准确度，同时也简化了装置。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图，

图2是结构结构图中加热室的放大部分。

具体实施方案

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的目的是提供一种用于在原子磁力仪系统中利用光加热的方法来加热原子气室的装置，不但实现了对原子气室的恒温加热，温度稳定性高，还避免了磁噪声和光噪声的引入，保证了原子磁力仪系统的灵敏度。

本发明的目的是这样实现的：一种无磁加热温控装置，包括激光器1、光开关3和1×2波分复用器4，原子加热室6和温度控制器10，激光器1、光开关3和1×2波分复用器4通过光纤2连接。激光器1为半导体激光器，中心波长为1064nm，最大出纤功率为2W。光开关3为工作5V、响应时间4ms以及最大承受光功率3W的机械型光开关。1×2波分复用器4，两臂光功率比为50:50，最大承受光功率为3W。光纤5穿过原子加热室6与原子气室8连接。原子加热室由泡沫玻璃制成，保温性能好，热传导系数为0.039W/（m·K），外部尺寸为25mm×25mm×25mm，内部尺寸为20mm×20mm×20mm。原子加热室6中间夹置聚酰亚胺网络板7，用于支撑并安置原子气室8。原子气室8原子加热室6的中间。在原子加热室6中采用的温度传感器为无磁铂电阻温度传感器9。温度控制器10采用模糊控制自整定神经网络PID，通过导线11与光开关3连接，控制光开关3的通断来控制加热功率，其温度精度达到0.5℃。

如图1所示，基于光加热的无磁温控装置。包括激光器1、光开关3和1×2波分复用器4，原子加热室6和温度控制器10，激光器1、光开关3和1×2波分复用器4通过光纤2连接。激光器1通过光纤2将光束导入到1×2波分复用器4中，通过1×2波分复用器4后光束变为两束功率相同的光束。通过光纤5导入到原子加热室6中，光纤5的出光端粘接在原子气室8的侧壁上，通过两端加热的方式可以保证原子加热室6的温度均匀性。通过设置温度控制器10的神经元网络PID的参数设置光开关3的开关频率，间接的控制加热光功率，从而达到调整原子气室8温度的目的。无磁铂电阻温度传感器9实时监测原子气室8的温度，作为温度反馈信号输入给温度控制器10控制光开关3保证加热温度的稳定性，此时形成了闭环控制系统。

由于原子气室8需要工作在无磁环境中，因此采用无磁材料泡沫玻璃制作原子加热室6。这种材料具有较好的耐温、保温、防水和抗老化性，同时还具有较好的机械强度，更易于加工，同时密度较小使装置不会过重。原子加热室6中间置有聚酰亚胺网络板7，可将原子气室8置于原子加热室6的中心位置，保证原子加热室6内部整体温度具有良好的均匀性。

为监测原子气室8的温度，又不引入磁噪声，采用无磁铂电阻温度传感器9作为无磁温度传感器。无磁铂电阻温度传感器9的探头为纯铂制成，导线为纯铜，二者均为非铁磁性物质。通过高温点焊的方式焊接，最大程度地减少传感器的剩磁。实际应用时，无磁铂电阻温度传感器9将当前原子气室8的实时温度作为反馈信号传递给温度控制器10显示并调整。

Claims (10)

1.一种基于光加热的无磁温控装置，包括激光器（1）、光开关（3）和1×2波分复用器（4），原子加热室（6）和温度控制器（10），其特征在于：激光器（1）、光开关（3）和1×2波分复用器（4）通过光纤（2）连接，光器（1）通过光纤（2）将光束导入到1×2波分复用器（4）中，通过1×2波分复用器（4）后光束变为两束功率相同的光束，通过光纤（5）导入到原子加热室（6）中，光纤（5）的出光端粘接在原子气室（8）的侧壁上，通过两端加热的方式可以保证原子加热室（6）的温度均匀性，通过设置温度控制器（10）的神经元网络PID的参数设置光开关（3）的开关频率，间接的控制加热光功率，从而达到调整原子气室（8）温度的目的，磁铂电阻温度传感器（9）实时监测原子气室（8）的温度，作为温度反馈信号输入给温度控制器（10）控制光开关（3）保证加热温度的稳定性，此时形成了闭环控制系统。

2.根据权利要求1所述的基于光加热的无磁温控装置，其特征在于：所述的激光器（1）为半导体激光器，最大光功率为2W，中心波长为1064nm。

3.根据权利要求1或2所述的基于光加热的无磁温控装置，其特征在于：所述的光纤（2）纤径为150μm。

4.根据权利要求3所述的基于光加热的无磁温控装置，其特征在于：所述的光开关（3）的光纤接头为FC接头，最大承受光功率为2W，响应时间为10ms，使用寿命10⁹次。

5.根据权利要求4所述的基于光加热的无磁温控装置，其特征在于：所述的1×2波分复用器（4）的出光光纤（5）的中光功率比为50:50，即两束光功率相等。

6.根据权利要求5所述的基于光加热的无磁温控装置，其特征在于：所述的温度控制器（6）采用模糊自整定控制神经网络PIN控制光开关（3）的通断，从而达到控制加热光功率的目的，其温度精度达到0.5℃。

7.根据权利要求6所述的基于光加热的无磁温控装置，其特征在于：所述的原子加热室（6）中间置有聚酰亚胺网络板（7），原子气室（8）被固定在聚酰亚胺网络板（7）上，并置于加热室（7）内的中心位置。

8.根据权利要求7所述的基于光加热的无磁温控装置，其特征在于：所述的原子加热室（6）由无磁材料泡沫玻璃制作成。

9.根据权利要求8所述的基于光加热的无磁温控装置，其特征在于：所述的原子加热室（7）中原子气室（8）的两侧面粘接1×2波分复用器（4）后端的出光光纤（5），过两端加热的方式保证原子气室（8）有较小的温度梯度。

10.根据权利要求9所述的基于光加热的无磁温控装置，其特征在于：所述的原子加热室（6）无磁铂电阻温度传感器（9）作为无磁温度传感器，通过高温点焊的方式焊接，最大剩磁优于10pT。

Images