CN110411432A - 一种serf原子气室用的双层加热保温装置 - Google Patents

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Abstract

一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，包括：外层保温层，中间加热层，内层加热层，无磁加热片，温度传感器以及基于数字PID控制的加热系统。将原子气室紧贴内层加热层，并将无磁加热片和温度探测器置于内层加热层以及中间加热层表面，通过温度探测器采集的温度电信号反馈至基于数字PID控制的加热系统实现内层及中间层的加热控制。通过大功率中间加热层长期加热可以实现对内部系统0.1℃的稳定控制，通过小功率内层加热层长期加热可以实现对原子气室优于0.1℃高稳定性的温度控制，并且通过采用聚四氟乙烯材料做外层保温层避免了因高低温冲击带来的温度不平衡。

Description

一种SERF原子气室用的双层加热保温装置
技术领域
本发明涉及一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，属于SERF陀螺仪的原子气室温度稳定控制技术领域。
背景技术
SERF陀螺仪是利用电子自旋定轴性测试载重转动信息，其核心器件为原子气室。原子气室中充有碱金属原子、惰性气体、缓冲气体。缓冲气体的作用是减少碱金属原子和惰性气体原子与气壁的碰撞，一般通过充有高于一个大气压的缓冲气体。碱金属原子在室温下处于固态，通过加热后实现气化与激光及惰性气体原子相互作用。SERF陀螺仪工作在无自旋交换弛豫(SERF)状态下，碱金属原子的电子自旋和惰性气体原子的核子自旋强烈耦合，核子自旋补偿外界磁场波动，保证电子自旋处于无干扰的惯性空间中。碱金属原子的密度与原子气室温度密切相关，SERF陀螺仪工作时，原子气室温度需要稳定在180℃附近，同时温度需要稳定控制在一个温度点上，保证碱金属原子密度是稳定的，气室温度的稳定对陀螺信号的稳定至关重要。
SERF陀螺仪原子气室加热一般通过在碱金属原子气室外层加热体上粘贴加热片，利用交流电加热方式将加热体温度稳定在设置的温度点上，通过热传导保证原子气室温度和加热体温度一致。通常情况下，由于加热体较小，加热体温度难以控制在0.1℃以内。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，解决了现有技术中SERF原子气室控温不稳定的问题。
本发明的技术方案是：
一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，包括：外层保温层，中间加热层，内层加热层，无磁加热片，温度传感器，加热系统；
内层加热层、中间加热层和外层保温层由内至外依次包裹在待加热保温的原子气室的外壁上；
所述内层加热层和所述中间加热层之间存在用于填充保温隔热材料的间隙，所述中间加热层和外层保温层之间存在用于填充保温隔热材料的间隙；所述保温隔热材料为石棉或陶瓷材料；
所述内层加热层、中间加热层上设置有温度传感器，所述温度传感器用于检测所述内层加热层和中间加热层的实时温度；
所述内层加热层为外壁粘贴有无磁加热片的金属壳体，所述中间加热层为外壁粘贴有无磁加热片的金属壳体；
所述加热系统用于根据所述温度传感器的实时温度控制所述无磁加热片的电压，所述无磁加热片用于给内层加热层、中间加热层加热，使所述待加热保温的原子气室的温度满足使用要求；
所述加热系统包括：测温模块、控压模块、FPGA处理器；所述测温模块、控压模块、FPGA处理器依次串联；所述温度传感器的两端连接所述测温模块；
所述测温模块包括：AD7792芯片、电阻R23、电阻R24、电容C48、电容C49、电容C50、电容C51、电容C52、磁珠B4；
AD7792芯片的4号管脚作为电流输出端连接温度传感器的一端，AD7792芯片的11号电流输入端连接温度传感器的另一端，AD7792芯片的5号管脚作为芯片内置运放的正向输入端连接温度传感器的一端，AD7792芯片的6号管脚作为芯片内置运放的负向输入端连接温度传感器的另一端；AD7792芯片的9号管脚作为芯片内置运放的正向输入端连接温度传感器的另一端，电阻R23的一端连接温度传感器的另一端，电阻R23的另一端连接电容C51的一端和电阻R24的一端，电容C49的一端连接温度传感器的一端，电容C50的一端连接温度传感器的另一端，电容C49的另一端、电容C50的另一端、电容C51的另一端、电阻R24的另一端接地处理；AD7792芯片的9号管脚连接电阻R24的一端；AD7792芯片的10号管脚作为芯片内置运放负向输入端连接电阻R24的另一端；AD7792芯片的15号管脚作为AD7792芯片的信号输出端连接FPGA处理器，将温度传感器的输出电压对应的温度值输出给FPGA处理器，AD7792芯片的16号管脚作为AD7792芯片的信号输入端连接FPGA处理器，AD7792芯片的1号管脚用于接收FPGA处理器发送的时钟输出信号，AD7792芯片的3号管脚用于接收FPGA处理器发送的使能信号，电容C48用于滤除数字电压的噪声，电容C53用于滤除模拟电压的噪声，C48的一端连接外部数字电源，C48的另一端连接AD7792芯片的14号管脚和磁珠B4的一端；磁珠B4的另一端连接AD7792芯片的13号管脚和电容C53的一端，磁珠B4的一端接地处理，电容C53的另一端接地处理；AD7792芯片的14号管脚接收外部输入的数字电压，AD7792芯片的13号管脚接收外部输入的模拟电压；
所述控压模块包括：电阻R22、电阻R26、电阻R28、电阻R29、电容C47、AD5445芯片、AD8512芯片；
AD5445芯片的1号管脚作为电流输出端连接作为AD8512芯片内置运放负向输入端的2号管脚，AD5445芯片的2号管脚作为电流输入端连接作为AD8512芯片内置运放的正向输入端的3号管脚，AD5445芯片的3号管脚接地处理，AD5445芯片的4号管脚～15号管脚用于分别接收FPGA处理器输出的D/A转换信号，AD5445芯片的16号管脚接收FPGA发送的使能信号，AD5445芯片的17号管脚用于接收FPGA发送的读写信号，AD5445芯片的18号管脚接收外部输入的模拟电压；AD5445芯片的19号管脚用于接收外部输入的参考电压，AD5445芯片的20号管脚连接AD8512芯片1号管脚；电阻R22的一端连接电容C47的一端，电阻R22的另一端连接AD5445芯片的20号管脚；电容C47的另一端连接AD8512芯片的2号管脚；
AD8512芯片的1号管脚作为第一内置运放的输出端，AD8512芯片的2号管脚作为第一内置运放的负向输入端，AD8512芯片的3号管脚作为第一内置运放的正向输入端，AD8512芯片的4号管脚连接外部电压的负向输入端，AD8512芯片的5号管脚作为第二内置运放的负向输入端，AD8512芯片的6号管脚作为第二内置运放的正向输入端，AD8512芯片的7号管脚作为第二内置运放的输出端和控压模块的输出端连接OPA544芯片，向所述OPA544芯片输出无磁加热片的控制电压，AD8512芯片的8号管脚连接外部电压的正向输入端；电阻R26的一端连接AD8512芯片的1号管脚，电阻R26的另一端连接AD8512芯片的5号管脚；电阻R28的一端连接AD5445芯片的19号管脚，电阻R28的另一端连接AD8512芯片的6号管脚，电阻R29的一端连接AD8512芯片的6号管脚，电阻R29的另一端连接AD8512芯片的7号管脚，AD8512芯片的5号管脚和3号管脚连接后接地处理；
OPA544芯片接收AD8512芯片7号管脚输入的无磁加热片的控制电压，所述OPA544芯片用于根据所述控制电压控制无磁加热片的电压；
所述FGPA处理器包括：PID模块和DDS模块；
所述PID模块根据外部输入的无磁加热片的温度设定值和测温模块发送的温度传感器的温度值，进行PID运算，获得温度电压，将所述温度电压传输给DDS模块；
所述DDS模块接收PID模块传输的所述温度电压，改变所述温度电压正弦信号的幅值，将改变后的正弦信号处理为12位D/A转换信号并口输出给控压模块4号～15号管脚。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明采用双层加热装置，外层加热结构可有效抑制外部环境温度的变化，使得内部原子气室的温度环境受到较小的干扰，同时保温结构采用石棉或陶瓷结构，保证了内部温度的长期有效性，不仅保证原子气室状态的稳定，还能够减小因环境变化导致的加热功率的变化。
2)本发明采用DDS模块产生100KHz高频正弦波，通过控压模块以及OPA544芯片输出电压至加热电阻，可有效降低加热电阻产生的磁场噪声，进而保证原子气室的稳定性。
3)本发明采用OPA544作为加热功率放大芯片，可有效提高加热效率，使得原子气室内部原子较快进入SERF态。
附图说明
图1为本发明双层加热保温装置示意图；
图2为本发明测温模块示意图；
图3为本发明控压模块示意图；
图4为本发明装置控制原理图。
具体实施方式
原子气室是SERF陀螺仪的核心器件，原子气室温度的稳定性直接影响原子的极化率，进而影响SERF陀螺的信号输出。保证原子气室温度的稳定性对SERF陀螺仪的信号稳定至关重要。该双层加热系统通过大功率中间加热层长期加热可以实现对内部系统0.1℃的稳定控制，通过小功率内层加热层长期加热可以实现对原子气室优于0.1℃高稳定性的温度控制，并且通过采用聚四氟乙烯材料做外层保温层避免了因高低温冲击带来的温度不平衡，该结构能够有效稳定SERF陀螺仪输出信号。
本发明的目的在于将原子气室加热到设置温度点，并将温度稳定控制在0.1℃以内，保证原子气室中碱金属原子密度不发生波动，原子气室能够稳定工作。本发明针对现有的加热方式作出改进，通过双层加热体加热方式，内外两层加热通过不同的PID反馈控制，外层加热采用粗加热，将加热体温度加热到设置温度点2℃，再通过内层加热体精确PID控制将加热体温度加热到设置温度点，同时将温度稳定到0.1℃以内。实现了原子气室的温度稳定控制，保证SERF陀螺仪长期稳定工作。
本发明一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，如图1所示，包括：外层保温层1，中间加热层2，内层加热层3，无磁加热片5，温度传感器6，加热系统7。内层加热层3、中间加热层2和外层保温层1由内至外依次包裹在待加热保温的原子气室4的外壁上。内层加热层3和所述中间加热层2之间存在用于填充保温隔热材料的间隙，所述中间加热层2和外层保温层1之间存在用于填充保温隔热材料的间隙；所述保温隔热材料为石棉或陶瓷材料。
内层加热层3、中间加热层2上设置有温度传感器6，所述温度传感器6用于检测所述内层加热层3和中间加热层2的实时温度。内层加热层3为外壁粘贴有无磁加热片5的金属壳体，所述中间加热层2为外壁粘贴有无磁加热片5的金属壳体。加热系统7用于根据所述温度传感器6的实时温度控制所述无磁加热片5的电压，所述无磁加热片5用于给内层加热层3、中间加热层2加热，使所述待加热保温的原子气室4的温度满足使用要求。实施例中的温度传感器6采用铂热电阻PT100实现。
如图4所示，所述加热系统7包括：测温模块、控压模块、FPGA处理器；所述测温模块、控压模块、FPGA处理器依次串联；所述温度传感器6的两端连接所述测温模块。本发明实施例中具体的所述温度传感器6采用热敏电阻实现，加热系统7用于根据热敏电阻的阻值控制输出给无磁加热片5的电压。
如图2所示，所述测温模块包括：AD7792芯片、电阻R23、电阻R24、电容C48、电容C49、电容C50、电容C51、电容C52、磁珠B4。AD7792芯片的4号管脚作为电流输出端连接温度传感器6的一端，AD7792芯片的11号电流输入端连接温度传感器6的另一端，AD7792芯片的5号管脚作为芯片内置运放的正向输入端连接温度传感器6的一端，AD7792芯片的6号管脚作为芯片内置运放的负向输入端连接温度传感器6的另一端；AD7792芯片的9号管脚作为芯片内置运放的正向输入端连接温度传感器6的另一端，电阻R23的一端连接温度传感器6的另一端，电阻R23的另一端连接电容C51的一端和电阻R24的一端，电容C49的一端连接温度传感器6的一端，电容C50的一端连接温度传感器6的另一端，电容C49的另一端、电容C50的另一端、电容C51的另一端、电阻R24的另一端接地处理；AD7792芯片的9号管脚连接电阻R24的一端；AD7792芯片的10号管脚作为芯片内置运放负向输入端连接电阻R24的另一端；AD7792芯片的15号管脚作为AD7792芯片的信号输出端连接FPGA处理器，将温度传感器6的输出电压对应的温度值输出给FPGA处理器，AD7792芯片的16号管脚作为AD7792芯片的信号输入端连接FPGA处理器，AD7792芯片的1号管脚用于接收FPGA处理器发送的时钟输出信号，AD7792芯片的3号管脚用于接收FPGA处理器发送的使能信号，电容C48用于滤除数字电压的噪声，电容C53用于滤除模拟电压的噪声，C48的一端连接外部数字电源，C48的另一端连接AD7792芯片的14号管脚和磁珠B4的一端；磁珠B4的另一端连接AD7792芯片的13号管脚和电容C53的一端，磁珠B4的一端接地处理，电容C53的另一端接地处理；AD7792芯片的14号管脚接收外部输入的数字电压，AD7792芯片的13号管脚接收外部输入的模拟电压，本发明实施例中的模拟电压＝3.3V；
如图3所示，所述控压模块包括：电阻R22、电阻R26、电阻R28、电阻R29、电容C47、AD5445芯片、AD8512芯片。AD5445芯片的1号管脚作为电流输出端连接作为AD8512芯片内置运放负向输入端的2号管脚，AD5445芯片的2号管脚作为电流输入端连接作为AD8512芯片内置运放的正向输入端的3号管脚，AD5445芯片的3号管脚接地处理，AD5445芯片的4号管脚～15号管脚用于分别接收FPGA处理器输出的D/A转换信号，即FPGA串口输出的12位D/A转换信号，AD5445芯片的16号管脚接收FPGA发送的使能信号，AD5445芯片的17号管脚用于接收FPGA发送的读写信号，AD5445芯片的18号管脚接收外部输入的模拟电压；AD5445芯片的19号管脚用于接收外部输入的参考电压，本发明实施例中的参考电压＝+10V，AD5445芯片的20号管脚连接AD8512芯片1号管脚；电阻R22的一端连接电容C47的一端，电阻R22的另一端连接AD5445芯片的20号管脚；电容C47的另一端连接AD8512芯片的2号管脚。AD8512芯片的1号管脚作为芯片第一内置运放的输出端，AD8512芯片的2号管脚作为芯片第一内置运放的负向输入端，AD8512芯片的3号管脚作为芯片第一内置运放的正向输入端，AD8512芯片的4号管脚连接外部电压的负向输入端，实施例具体电压为-12V，AD8512芯片的5号管脚作为芯片第二内置运放的负向输入端，AD8512芯片的6号管脚作为芯片第二内置运放的正向输入端，AD8512芯片的7号管脚作为芯片第二内置运放的输出端和控压模块的输出端连接OPA544芯片，向所述OPA544芯片输出无磁加热片5的控制电压，AD8512芯片的8号管脚连接外部电压的正向输入端，实施例具体电压为+12V；电阻R26的一端连接AD8512芯片的1号管脚，电阻R26的另一端连接AD8512芯片的5号管脚；电阻R28的一端连接AD5445芯片的19号管脚，电阻R28的另一端连接AD8512芯片的6号管脚，电阻R29的一端连接AD8512芯片的6号管脚，电阻R29的另一端连接AD8512芯片的7号管脚，AD8512芯片的5号管脚和3号管脚连接后接地处理。
OPA544芯片接收AD8512芯片7号管脚输入的无磁加热片5的控制电压，所述OPA544芯片用于根据所述控制电压控制无磁加热片5的电压。
FGPA处理器包括：PID模块和DDS模块。所述PID模块根据外部输入的无磁加热片5的温度设定值和测温模块发送的温度传感器6的温度值，进行PID运算，获得温度电压，将所述温度电压传输给DDS模块。DDS模块接收PID模块传输的所述温度电压，改变所述温度电压正弦信号的幅值，将改变后的正弦信号处理为12位D/A转换信号并口输出给控压模块4号～15号管脚。
内层加热层3对原子气室4进行加热的加热温度的取值范围为150℃～180℃。内层加热层3的加热温度比中间加热层2的加热温度高5℃-10℃。
一种加工制造上述SERF原子气室用的双层加热保温装置的方法流程，具体包括如下实现步骤：
步骤1)采用柔性PCB板工艺加工技术设计无磁加热片5，设置线宽4mil，线边距5mil并采用双线绕制方式布局布线，达到对原子气室大电流加热而产生无磁效果；所述无磁加热片5为表面缠绕有金属线的PCB板，所述金属线的线宽为4mil，两相邻金属线的线边距为5mil；具体包括两股金属线，所述两股金属线之间并排；
步骤2)采用导热硅胶或导热硅脂将无磁加热片5紧贴于内层加热层3外部以及中间加热层2外部；所述内层加热层3的外壁和所述的外壁均通过导热硅胶或导热硅脂依次粘贴有弓字形的无磁加热片5和温度传感器6；
步骤3)采用导热硅胶或导热硅脂将温度传感器6紧贴于内层加热层3外部以及中间加热层2外部；所述温度传感器6监测所述内层加热层3和中间加热层2的实时温度，将所述实时温度以电信号的形式发送给加热系统7；
步骤4)基于数字PID控制的加热系统7经温度传感器6反馈的电压信号经PID运算处理后对无磁加热片5进行加热控制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，其特征在于，包括：外层保温层(1)，中间加热层(2)，内层加热层(3)，无磁加热片(5)，温度传感器(6)，加热系统(7)；
内层加热层(3)、中间加热层(2)和外层保温层(1)由内至外依次包裹在待加热保温的原子气室(4)的外壁上；
所述内层加热层(3)和所述中间加热层(2)之间存在用于填充保温隔热材料的间隙，所述中间加热层(2)和外层保温层(1)之间存在用于填充保温隔热材料的间隙；所述保温隔热材料为石棉或陶瓷材料；
所述内层加热层(3)、中间加热层(2)上设置有温度传感器(6)，所述温度传感器(6)用于检测所述内层加热层(3)和中间加热层(2)的实时温度；
所述内层加热层(3)为外壁粘贴有无磁加热片(5)的金属壳体，所述中间加热层(2)为外壁粘贴有无磁加热片(5)的金属壳体；
所述加热系统(7)用于根据所述温度传感器(6)的实时温度控制所述无磁加热片(5)的电压，所述无磁加热片(5)用于给内层加热层(3)、中间加热层(2)加热，使所述待加热保温的原子气室(4)的温度满足使用要求；
所述加热系统(7)包括：测温模块、控压模块、FPGA处理器；所述测温模块、控压模块、FPGA处理器依次串联；所述温度传感器(6)的两端连接所述测温模块；
所述测温模块包括：AD7792芯片、电阻R23、电阻R24、电容C48、电容C49、电容C50、电容C51、电容C52、磁珠B4；
AD7792芯片的4号管脚作为电流输出端连接温度传感器(6)的一端，AD7792芯片的11号电流输入端连接温度传感器(6)的另一端，AD7792芯片的5号管脚作为芯片内置运放的正向输入端连接温度传感器(6)的一端，AD7792芯片的6号管脚作为芯片内置运放的负向输入端连接温度传感器(6)的另一端；AD7792芯片的9号管脚作为芯片内置运放的正向输入端连接温度传感器(6)的另一端，电阻R23的一端连接温度传感器(6)的另一端，电阻R23的另一端连接电容C51的一端和电阻R24的一端，电容C49的一端连接温度传感器(6)的一端，电容C50的一端连接温度传感器(6)的另一端，电容C49的另一端、电容C50的另一端、电容C51的另一端、电阻R24的另一端接地处理；AD7792芯片的9号管脚连接电阻R24的一端；AD7792芯片的10号管脚作为芯片内置运放负向输入端连接电阻R24的另一端；AD7792芯片的15号管脚作为AD7792芯片的信号输出端连接FPGA处理器，将温度传感器(6)的输出电压对应的温度值输出给FPGA处理器，AD7792芯片的16号管脚作为芯片的信号输入端连接FPGA处理器，AD7792芯片的1号管脚用于接收FPGA处理器发送的时钟输出信号，AD7792芯片的3号管脚用于接收FPGA处理器发送的使能信号，电容C48用于滤除数字电压的噪声，电容C53用于滤除模拟电压的噪声，C48的一端连接外部数字电源，C48的另一端连接AD7792芯片的14号管脚和磁珠B4的一端；磁珠B4的另一端连接AD7792芯片的13号管脚和电容C53的一端，磁珠B4的一端接地处理，电容C53的另一端接地处理；AD7792芯片的14号管脚接收外部输入的数字电压，AD7792芯片的13号管脚接收外部输入的模拟电压；
所述控压模块包括：电阻R22、电阻R26、电阻R28、电阻R29、电容C47、AD5445芯片、AD8512芯片；
AD5445芯片的1号管脚作为电流输出端连接作为AD8512芯片内置运放负向输入端的2号管脚，AD5445芯片的2号管脚作为电流输入端连接作为AD8512芯片内置运放的正向输入端的3号管脚，AD5445芯片的3号管脚接地处理，AD5445芯片的4号管脚～15号管脚用于分别接收FPGA处理器输出的D/A转换信号，AD5445芯片的16号管脚接收FPGA发送的使能信号，AD5445芯片的17号管脚用于接收FPGA发送的读写信号，AD5445芯片的18号管脚接收外部输入的模拟电压；AD5445芯片的19号管脚用于接收外部输入的参考电压，AD5445芯片的20号管脚连接AD8512芯片1号管脚；电阻R22的一端连接电容C47的一端，电阻R22的另一端连接AD5445芯片的20号管脚；电容C47的另一端连接AD8512芯片的2号管脚；
AD8512芯片的1号管脚作为芯片第一内置运放的输出端，AD8512芯片的2号管脚作为芯片第一内置运放的负向输入端，AD8512芯片的3号管脚作为芯片第一内置运放的正向输入端，AD8512芯片的4号管脚连接外部电压的负向输入端，AD8512芯片的5号管脚作为芯片第二内置运放的负向输入端，AD8512芯片的6号管脚作为芯片第二内置运放的正向输入端，AD8512芯片的7号管脚作为芯片第二内置运放的输出端和控压模块的输出端连接OPA544芯片，向所述OPA544芯片输出无磁加热片(5)的控制电压，AD8512芯片的8号管脚连接外部电压的正向输入端；电阻R26的一端连接AD8512芯片的1号管脚，电阻R26的另一端连接AD8512芯片的5号管脚；电阻R28的一端连接AD5445芯片的19号管脚，电阻R28的另一端连接AD8512芯片的6号管脚，电阻R29的一端连接AD8512芯片的6号管脚，电阻R29的另一端连接AD8512芯片的7号管脚，AD8512芯片的5号管脚和3号管脚连接后接地处理；
OPA544芯片接收AD8512芯片7号管脚输入的无磁加热片(5)的控制电压，所述OPA544芯片用于根据所述控制电压控制无磁加热片(5)的电压；
所述FGPA处理器包括：PID模块和DDS模块；
所述PID模块根据外部输入的无磁加热片(5)的温度设定值和测温模块发送的温度传感器(6)的温度值，进行PID运算，获得温度电压，将所述温度电压传输给DDS模块；
所述DDS模块接收PID模块传输的所述温度电压，改变所述温度电压正弦信号的幅值，将改变后的正弦信号处理为12位D/A转换信号并口输出给控压模块4号～15号管脚。
2.根据权利要求1所述的一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，其特征在于：所述内层加热层(3)对原子气室(4)进行加热的加热温度的取值范围为150℃～180℃。
3.根据权利要求2所述的一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，其特征在于：所述内层加热层(3)的加热温度比中间加热层(2)的加热温度高5℃-10℃。
4.根据权利要求1～3之一所述的一种SERF原子气室用的双层加热保温装置，其特征在于：所述温度传感器(6)采用铂热电阻PT100实现。
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