CN109871051A - 用于原子气室的温度控制系统及温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于原子气室的温度控制系统，包括：加热丝，缠绕在原子气室的外表面；加热驱动电路，与加热丝的两端连接；控制器，与加热驱动电路连接，用于控制加热驱动电路工作，以实现控制加热丝的温度；电流表，设置在加热驱动电路与加热丝的连接支路上，用于测量流经加热丝的电流值；以及电压表，其两端分别与加热丝的两端连接，用于测量加热丝两端的电压值。本公开还提供了一种光泵磁力仪、一种核磁共振陀螺仪、一种由温度控制系统实现的温度控制方法。

Description

用于原子气室的温度控制系统及温度控制方法

技术领域

本公开涉及一种用于原子气室的温度控制系统、一种光泵磁力仪、一种核磁共振陀螺仪、一种由温度控制系统实现的温度控制方法。

背景技术

在核磁共振陀螺仪和磁力仪等高端科技产品中，其核心部件包括原子气室，而原子气室内的原子密度与原子气室内的温度密切相关。因此，对原子气室内的温度进行控制是至关重要的。

在相关技术中，通常采用欧姆加热的方式使得原子气室内的温度达到预期的温度状态，但采用此方式需要检测原子气室内的温度作为加热的反馈信号，从而使原子气室内的温度维持在设计的温度范围内。

目前，检测原子气室内的温度的检测手段通常以温度传感器为主。通过将温度传感器设置在原子气室表面或者内部，检测原子气室内的温度。

但是在实现本公开的过程中，发明人发现，将温度传感器设置在原子气室内部或表面会对磁场等相关关键物理量的测量产生影响，而且增加了设备的复杂程度，降低了设备的稳定性与可靠性。

发明内容

本公开的一个方面提供了一种用于原子气室的温度控制系统，包括加热丝、加热驱动电路、控制器、电流表和电压表。

根据本公开的实施例，加热丝缠绕在上述原子气室的外表面；

根据本公开的实施例，加热驱动电路与上述加热丝的两端连接；

根据本公开的实施例，控制器与上述加热驱动电路连接，用于控制上述加热驱动电路工作，以实现控制上述加热丝的温度；

根据本公开的实施例，电流表设置在上述加热驱动电路与上述加热丝的连接支路上，用于测量流经上述加热丝的电流值；

根据本公开的实施例，电压表两端分别与上述加热丝的两端连接，用于测量上述加热丝两端的电压值。

根据本公开的实施例，温度控制系统还包括温度传感器，可拆卸的安装于上述原子气室的外表面，用于测量上述加热丝的温度。

根据本公开的实施例，上述温度传感器与上述控制器相连，用于将测量得到的上述加热丝的温度传输给上述控制器。

根据本公开的实施例，上述控制器还用于根据上述电流表测量的电流值和上述电压表测量的电压值控制上述加热驱动电路工作，以实现控制上述加热丝的温度。

根据本公开的实施例，温度控制系统还包括保温腔，套设在上述原子气室的外围，用于维持上述原子气室内的温度。

根据本公开的实施例，上述加热丝按照预设间隔均匀缠绕在上述原子气室的外表面。

本公开的另一个方面提供了一种光泵磁力仪，包括第一本体和用于原子气室的温度控制系统。

根据本公开的实施例，上述第一本体包括原子气室。

本公开的另一个方面提供了一种核磁共振陀螺仪，包括第二本体和用于原子气室的温度控制系统。

根据本公开的实施例，上述第二本体包括原子气室。

本公开的另一个方面提供了一种由上述的温度控制系统实现的温度控制方法，包括：上述电流表测量流经上述加热丝的电流值；上述电压表测量上述加热丝两端的电压值；以及上述控制器根据上述电流表测量的电流值和上述电压表测量的电压值计算上述加热丝的温度，并基于计算得到的上述加热丝的温度控制上述加热驱动电路工作。

根据本公开的实施例，基于计算得到的上述加热丝的温度控制上述加热驱动电路工作包括在上述加热丝的温度高于预设温度的情况下，上述控制器控制上述加热驱动电路对上述加热丝停止加热；以及在上述加热丝的温度小于等于上述预设温度的情况下，上述控制器控制上述加热驱动电路对上述加热丝进行加热。

通过本公开的实施例，通过将加热丝缠绕在原子气室的外表面，通过设置在所述加热驱动电路与所述加热丝的连接支路上的电流表测量流经所述加热丝的电流值，通过与所述加热丝的两端连接的电压表测量所述加热丝两端的电压值，根据测量得到的流经所述加热丝的电流值和测量得到的加热丝两端的电压值可以计算得到加热丝的温度，从而通过控制器控制加热驱动电路工作，以实现控制所述加热丝的温度。通过本公开的实施例，在控制加热驱动电路工作的过程中，无需将温度传感器设置在原子气室内部或表面，通过测量得到的流经加热丝的电流值和测量得到的加热丝两端的电压值可以计算得到加热丝的温度，降低了设备的复杂程度，提高了设备的稳定性与可靠性。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的光泵磁力仪的示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的用于原子气室的温度控制系统的示意图；

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的用于原子气室的温度控制系统的示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的由温度控制系统实现的温度控制方法的流程图；以及

图5示意性示出了根据本公开实施例的基于计算得到的加热丝的温度控制加热驱动电路工作的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

图1示意性示出了根据本公开实施例的光泵磁力仪的示意图。需要注意的是，图1所示仅为可以应用本公开实施例的光泵磁力仪的示例，以帮助本领域技术人员理解本公开的技术内容，但并不能因此而对本公开实施例的光泵磁力仪进行不当限定。

如图1所示，光泵磁力仪包括用于原子气室的温度控制系统110和第一本体120。

根据本公开的实施例，第一本体120至少包括原子气室121。

根据本公开的实施例，第一本体120还可以包括光源122、光学系统123、光电探测器124和示波器125等。

根据本公开的实施例，用于原子气室的温度控制系统110包括加热丝111、加热驱动电路112、控制器113、电流表114和电压表115。

根据本公开的实施例，如图1所示，加热丝111缠绕在上述原子气室121的外表面。

根据本公开的实施例，如图1所示，上述加热丝111可以按照预设间隔均匀缠绕在上述原子气室121的外表面。

根据本公开的实施例，本领域技术人员可以根据实际情况确定预设间隔的大小。

根据本公开的实施例，加热丝111用于对原子气室121进行加热，使原子气室121中的原子密度处在较佳状态。加热丝111可以设计成正向电流与反向电流相结合的方式，以抵消相反方向的磁场。

根据本公开的实施例，通过正向电流与反向电流相结合的方式将加热丝111对称均匀地缠绕在原子气室121的外表面，电流通过加热丝111时，产生的磁场大小是相等的，但方向相反，产生的磁场可以抵消，从而可以减小加热丝111对磁场的影响。

根据本公开的实施例，如图1所示，加热驱动电路112与上述加热丝111的两端连接。

根据本公开的实施例，如图1所示，控制器113与上述加热驱动电路112连接，用于控制上述加热驱动电路112工作，以实现控制上述加热丝111的温度。

根据本公开的实施例，如图1所示，电流表114设置在上述加热驱动电路112与上述加热丝111的连接支路上，用于测量流经上述加热丝111的电流值。也即，加热丝111与电流表114可以是串联。

根据本公开的实施例，如图1所示，电压表115两端分别与上述加热丝111的两端连接，用于测量上述加热丝111两端的电压值。

根据本公开的实施例，光源122可以产生特定波长的光，经过光学系统123进入原子气室121，与原子气室121内的原子蒸汽发生物理反应，通过光电探测器124探测由于外磁场的引入而对光信号产生的变化，进而确定磁场的大小。其中，如图1所示，外磁场的磁场方向如原子气室内的箭头方向。

根据本公开的实施例，在上述确定磁场大小的过程中，原子气室121内的原子蒸汽的密度靠加热丝111维持，同时加热丝111起到测温作用，通过加热丝111省去了使用测温传感器。

根据本公开的实施例，当测得加热丝111的温度高于控制器113的预设温度后，停止加热。当测得加热丝111的温度低于控制器113的预设温度时，开始加热，最终达到控制器113的预设温度，以达到最优的温度条件，最终使原子气室内原子密度达到最优。

通过本公开的实施例，用于原子气室的温度控制系统110简洁、易行、适应性好，并且不干扰被加热的原子气室。对于加热微型系统或者紧凑系统时，该温度控制系统具有较大的优势。

根据本公开的实施例，根据测量得到的流经所述加热丝的电流值和测量得到的加热丝两端的电压值可以计算得到加热丝的温度，达到了测温的效果。从而可以通过控制器控制加热驱动电路工作，以实现控制加热丝的温度。

具体地，通过计算出加热丝的电阻，根据加热丝的电阻率与温度的关系，从而得到加热丝的温度。加热丝与原子气室紧贴着，因此加热丝的温度可以视为原子气室的温度，计算加热丝的温度的推理过程可以是如下。

第一，基于欧姆加热的用于原子气室的温度控制系统主要包括加热丝和加热驱动电路中的加热电源两大部分。读取加热电压U和加热电流I。

第二，计算加热丝的电阻R：

第三，获取加热丝温度与电阻的关系：

其中，ρ为加热丝在绝对温度T下的电阻率，ρ₀为在绝对零度(T＝0K)下的电阻率，L为加热丝的长度，S为加热丝的截面积。一般情况下，L和S的变化可以忽略，可以认为是常数。α为电阻温度系数，数值与加热丝材料有关，通常金属材料的α值在0.4％左右，在一定温度范围内，其值与温度无关，可以认为是常数。

第四，将绝对温度T转换成摄氏度t：

T＝t+273.5 (3)

将等式(3)代入等式(2)，则：

因此，摄氏度与电阻的线性关系可写作：

t＝A*R-B (6)

其中，

第五，确定线性系数：

在温度与电阻的线性关系中，有两个未知参数A和B需要确定。可以通过理论计算获得A与B，可能存在误差(如线路、焊接等等因素会引起误差)，但可以根据实验数据校准。通过测量一组温度与电阻的关联数据，进行线性拟合，获得A与B。

根据本公开的实施例，可以通过控制器控制加热驱动电路对加热丝加热，对原子气室进行加热，此时利用电流表和电压表测出电阻丝的电流和电压，计算出电阻丝的电阻，同时利用温度传感器测出此时加热丝的温度，测量两组数据便可求出(6)式中的系数A和B，至此加热丝的标定完成，标定完成后将温度传感器取出。需要说明的是，温度传感器可以是仅仅在标定过程中使用，在标定完成之后，可以将温度传感器取出，无需将温度传感器设置在原子气室内部或表面。

根据本公开的实施例，温度控制系统110还包括温度传感器，可拆卸的安装于上述原子气室121的外表面，用于测量上述加热丝111的温度。

根据本公开的实施例，由于温度传感器可拆卸的安装于上述原子气室121的外表面，因此，在标定完成加热丝之后，可以将温度传感器取出。

根据本公开的实施例，在标定后的温度控制过程中，可以直接通过加热丝111的电流值和电压值计算得到其电阻值，进而根据拟合出的电阻与温度的关系，计算得到加热丝111的实际温度。根据预设温度对实际温度进行实时调节，使原子气室121温度维持在预设温度的误差范围内。

根据本公开的实施例，在拟合出的电阻与温度的关系之后，控制器113可以存储该拟合出的电阻与温度的关系。同时，加热丝111的电流值和电压值可以通过电流表114和电压表115反馈至控制器113，从而使得控制器113可以根据加热丝111的电流值和电压值控制加热驱动电路112工作。

根据本公开的实施例，上述温度传感器与上述控制器113相连，用于将测量得到的上述加热丝111的温度传输给上述控制器113。

根据本公开的实施例，上述控制器113还用于根据上述电流表114测量的电流值和上述电压表115测量的电压值控制上述加热驱动电路112工作，以实现控制上述加热丝111的温度。

根据本公开的实施例，温度控制系统110还包括保温腔116，套设在上述原子气室121的外围，用于维持上述原子气室121内的温度。

根据本公开的实施例，保温腔116可以是双层保温腔，原子气室121及加热丝111放入双层保温腔中，可以保证原子气室121内的温度维持在一定范围内。

通过本公开的实施例，通过将加热丝缠绕在原子气室的外表面，通过设置在加热驱动电路与加热丝的连接支路上的电流表测量流经所述加热丝的电流值，通过与所述加热丝的两端连接的电压表测量所述加热丝两端的电压值，根据测量得到的流经所述加热丝的电流值和测量得到的加热丝两端的电压值可以计算得到加热丝的温度，从而通过控制器控制加热驱动电路工作，以实现控制所述加热丝的温度。

通过本公开的实施例，在控制加热驱动电路工作的过程中，无需将温度探头或温度传感器设置在原子气室内部或表面，通过测量得到的流经所述加热丝的电流值和测量得到的加热丝两端的电压值可以计算得到加热丝的温度，降低了设备的复杂程度，提高了设备的稳定性与可靠性。

根据本公开的另一个实施例，还提供了一种核磁共振陀螺仪，包括第二本体和用于原子气室的温度控制系统。

核磁共振陀螺仪是利用原子核磁矩在磁场中的拉莫尔进动作为参照，实现对惯性载体的角速度进行测量的原子陀螺仪，原子气室是核磁共振陀螺仪的敏感表头，是整个系统的核心部件。

根据本公开的实施例，上述第二本体包括原子气室。

根据本公开的实施例，需要说明的是，上述第二本体还可以包括现有核磁共振陀螺仪所包含的其他部件，例如，还可以包括陀螺仪等，在此不再赘述。

根据本公开的实施例，用于原子气室的温度控制系统包括加热丝、加热驱动电路、控制器、电流表和电压表。

通过本公开的实施例，用于原子气室的温度控制系统简洁、易行、适应性好，并且不干扰被加热的原子气室。对于加热微型系统或者紧凑系统时，该温度控制系统具有较大的优势。

根据本公开的实施例，加热丝缠绕在上述原子气室的外表面；

根据本公开的实施例，加热驱动电路与上述加热丝的两端连接；

根据本公开的实施例，控制器与上述加热驱动电路连接，用于控制上述加热驱动电路工作，以实现控制上述加热丝的温度；

根据本公开的实施例，电流表设置在上述加热驱动电路与上述加热丝的连接支路上，用于测量流经上述加热丝的电流值；

根据本公开的实施例，电压表两端分别与上述加热丝的两端连接，用于测量上述加热丝两端的电压值。

根据本公开的实施例，温度控制系统还包括温度传感器，可拆卸的安装于上述原子气室的外表面，用于测量上述加热丝的温度。

根据本公开的实施例，上述温度传感器与上述控制器相连，用于将测量得到的上述加热丝的温度传输给上述控制器。

根据本公开的实施例，上述控制器还用于根据上述电流表测量的电流值和上述电压表测量的电压值控制上述加热驱动电路工作，以实现控制上述加热丝的温度。

根据本公开的实施例，温度控制系统还包括保温腔，套设在上述原子气室的外围，用于维持上述原子气室内的温度。

根据本公开的实施例，上述加热丝按照预设间隔均匀缠绕在上述原子气室的外表面。

通过本公开的实施例，通过将加热丝缠绕在核磁共振陀螺仪的原子气室的外表面，通过设置在加热驱动电路与加热丝的连接支路上的电流表测量流经所述加热丝的电流值，通过与所述加热丝的两端连接的电压表测量所述加热丝两端的电压值，根据测量得到的流经所述加热丝的电流值和测量得到的加热丝两端的电压值可以计算得到加热丝的温度，从而通过控制器控制加热驱动电路工作，以实现控制所述加热丝的温度。

通过本公开的实施例，在控制加热驱动电路工作的过程中，无需将温度传感器设置在原子气室内部或表面，通过测量得到的流经所述加热丝的电流值和测量得到的加热丝两端的电压值可以计算得到加热丝的温度，降低了设备的复杂程度，提高了设备的稳定性与可靠性。

图2示意性示出了根据本公开实施例的用于原子气室的温度控制系统的示意图。

根据本公开的另一个实施例，用于原子气室的温度控制系统200包括加热丝201、加热驱动电路202、控制器203、电流表204和电压表205。

根据本公开的实施例，加热丝201缠绕在上述原子气室的外表面；

根据本公开的实施例，加热驱动电路202与上述加热丝201的两端连接；

根据本公开的实施例，控制器203与上述加热驱动电路202连接，用于控制上述加热驱动电路202工作，以实现控制上述加热丝201的温度；

根据本公开的实施例，电流表204设置在上述加热驱动电路202与上述加热丝201的连接支路上，用于测量流经上述加热丝201的电流值；

根据本公开的实施例，电压表205两端分别与上述加热丝201的两端连接，用于测量上述加热丝201两端的电压值。

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的用于原子气室的温度控制系统的示意图。

根据本公开的另一个实施例，用于原子气室的温度控制系统300包括加热丝301、加热驱动电路302、控制器303、电流表304和电压表305。

根据本公开的实施例，温度控制系统300还包括温度传感器306，可拆卸的安装于上述原子气室的外表面，用于测量上述加热丝301的温度。

根据本公开的实施例，上述温度传感器306可以与上述控制器303相连，用于将测量得到的上述加热丝301的温度传输给上述控制器。

根据本公开的实施例，温度控制系统300还包括保温腔307，套设在上述原子气室的外围，用于维持上述原子气室内的温度。

根据本公开的实施例，上述控制器303还用于根据上述电流表304测量的电流值和上述电压表305测量的电压值控制上述加热驱动电路302工作，以实现控制上述加热丝301的温度。

根据本公开的实施例，上述加热丝301按照预设间隔均匀缠绕在上述原子气室的外表面。

通过本公开的实施例，在温度传感器306测量加热丝301的温度之后，根据温度对加热丝进行标定，在标定完之后，可以将温度传感器306从原子气室的外表面拆卸下来。在控制加热驱动电路工作的过程中，无需将温度探头或温度传感器设置在原子气室内部或表面，通过测量得到的流经所述加热丝的电流值和测量得到的加热丝两端的电压值可以计算得到加热丝的温度，降低了设备的复杂程度，提高了设备的稳定性与可靠性。

图4示意性示出了根据本公开实施例的由温度控制系统实现的温度控制方法的流程图。

如图4所示，由上述的温度控制系统实现的温度控制方法包括操作S401～操作S403。

在操作S401，电流表测量流经加热丝的电流值。

在操作S402，电压表测量加热丝两端的电压值。

在操作S403，控制器根据电流表测量的电流值和电压表测量的电压值计算加热丝的温度，并基于计算得到的加热丝的温度控制加热驱动电路工作。

通过本公开的实施例，在控制加热驱动电路工作的过程中，无需将温度传感器设置在原子气室内部或表面，通过测量得到的流经所述加热丝的电流值和测量得到的加热丝两端的电压值可以计算得到加热丝的温度，控制方法简单，降低了设备的复杂程度，提高了设备的稳定性与可靠性。

图5示意性示出了根据本公开实施例的基于计算得到的加热丝的温度控制加热驱动电路工作的流程图。

如图5所示，基于计算得到的加热丝的温度控制加热驱动电路工作包括操作S501～操作S502。

在操作S501，在加热丝的温度高于预设温度的情况下，控制器控制加热驱动电路对加热丝停止加热。

在操作S502，在加热丝的温度小于等于预设温度的情况下，控制器控制加热驱动电路对加热丝进行加热。

通过本公开的实施例，通过控制器控制加热驱动电路工作，达到了自动化控制原子气室的温度的技术效果。

需要说明的是，本公开中各个实施例重点描述的是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分可以相互参见，不再赘述。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种用于原子气室的温度控制系统，包括：

加热丝，缠绕在所述原子气室的外表面；

加热驱动电路，与所述加热丝的两端连接；

控制器，与所述加热驱动电路连接，用于控制所述加热驱动电路工作，以实现控制所述加热丝的温度；

电流表，设置在所述加热驱动电路与所述加热丝的连接支路上，用于测量流经所述加热丝的电流值；以及

电压表，其两端分别与所述加热丝的两端连接，用于测量所述加热丝两端的电压值。

2.根据权利要求1所述的温度控制系统，还包括：

温度传感器，可拆卸的安装于所述原子气室的外表面，用于测量所述加热丝的温度。

3.根据权利要求2所述的温度控制系统，其中，所述温度传感器与所述控制器相连，用于将测量得到的所述加热丝的温度传输给所述控制器。

4.根据权利要求1所述的温度控制系统，其中，所述控制器还用于根据所述电流表测量的电流值和所述电压表测量的电压值控制所述加热驱动电路工作，以实现控制所述加热丝的温度。

5.根据权利要求1所述的温度控制系统，还包括：

保温腔，套设在所述原子气室的外围，用于维持所述原子气室内的温度。

6.根据权利要求1所述的温度控制系统，其中，所述加热丝按照预设间隔均匀缠绕在所述原子气室的外表面。

7.一种光泵磁力仪，包括：

第一本体，其中，所述第一本体包括原子气室；以及

权利要求1至6中任一项所述的温度控制系统。

8.一种核磁共振陀螺仪，包括：

第二本体，其中，所述第二本体包括原子气室；以及

权利要求1至6中任一项所述的温度控制系统。

9.一种由权利要求1至6中任一项所述的温度控制系统实现的温度控制方法，包括：

所述电流表测量流经所述加热丝的电流值；

所述电压表测量所述加热丝两端的电压值；以及

所述控制器根据所述电流表测量的电流值和所述电压表测量的电压值计算所述加热丝的温度，并基于计算得到的所述加热丝的温度控制所述加热驱动电路工作。

10.根据权利要求9所述的温度控制方法，其中，基于计算得到的所述加热丝的温度控制所述加热驱动电路工作包括：

在所述加热丝的温度高于预设温度的情况下，所述控制器控制所述加热驱动电路对所述加热丝停止加热；以及

在所述加热丝的温度小于等于所述预设温度的情况下，所述控制器控制所述加热驱动电路对所述加热丝进行加热。