CN110926446B - 一种用于冷原子干涉仪的磁场线圈开关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于冷原子干涉仪的磁场线圈开关装置，属于冷原子干涉仪技术领域，包括依次电连接的微控制器驱动电路、MOSFET功率开关电路、漏电流保护电路和线圈保护电路；ARM微控制器电平控制信号连接微控制器驱动电路的输入端，线圈保护电路与磁场线圈两端连接；微控制器驱动电路由接线端子、限流电阻和NMOS开关管构成，MOSFET功率开关电路由低电平控制的PMOS场效应管和限流电阻R2构成，漏电流保护电路由整流二极管D1、泄放电阻R3构成，线圈保护电路电路由钳位二极管V1、整流二极管D2、磁场线圈接线端P1和磁场线圈接线端P2构成。本发明既能保证磁场系统快速关断，又能保证电路系统良好的安全稳定性。

Description

一种用于冷原子干涉仪的磁场线圈开关装置
技术领域
本发明属于冷原子干涉仪技术领域，具体涉及一种用于冷原子干涉仪的磁场线圈开关装置。
背景技术
利用原子内态干涉原理工作的陀螺仪称为冷原子陀螺仪。从上世纪70年代开始，中性原子的激光冷却和囚禁技术得到飞速发展。到了90年代国际上利用多种操纵原子波包的方法实现了原子干涉仪。1991年斯坦福大学的朱棣文小组就实现了基于双光子受激拉曼跃迁技术的原子干涉仪，并利用此干涉仪实现了绝对重力加速度的测量，自此原子干涉技术得到了迅猛发展。
本项目首先搭建了实验室冷原子干涉仪原理验证系统，基本原理和实现过程如图1所示。实现原子干涉主要分为四个步骤：第一步：利用磁光阱技术将87Rb原子冷却和囚禁在超高真空腔体中，通过偏振梯度冷却技术将捕获到的原子团冷却至亚多普勒冷却极限温度附近。第二步：对原子进行选态，选出对磁场不敏感，易于进行干涉操作的原子。第三步:当原子飞行到干涉区域后，用时间间隔为T的三对拉曼脉冲
Figure GDA0003826614360000011
与原子发生作用，完成对原子团的分束、态反转和合束过程。第四步：受到拉曼脉冲作用的原子团，发生内态之间的跃迁和动量的变化，同时还受到重力场的作用，导致分束后的原子在各自路径上的相位积累不同，最后表现为内态原子布居数上的干涉现象，通过探测处于|F＝3〉态或|F＝2〉态的原子布居数，就能得到干涉条纹。
获得低温原子团是实现原子干涉的核心步骤，而原子的冷却和囚禁主要通过磁光阱技术实现。磁光阱基于多普勒效应可以对原子进行减速，此外要想在探测区域获得较强的荧光信号还需尽可能将原子聚集起来，形成较高密度的原子团，除了激光系统外还需要加入一个梯度磁场来实现。梯度磁场可以通过在一对反Helmholtz线圈中加载方向相反的电流来实现，所需电流约为1A～5A左右。
实验中为了获得温度更低，密度更大的原子团，一般要求磁光阱磁场开关可以快速开启和关断。但由于线圈属于电感元件，若通过的电流速度过快易使开关电路烧坏。现有的磁场开关电路不仅关断时间长，稳定性差，也未曾对开关电流采取保护措施，从而导致开关电路寿命短，实用性差。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种用于冷原子干涉仪的磁场线圈开关装置，既能保证磁场系统快速关断，又能保证电路系统良好的安全稳定性。
本发明的目的是提供一种用于冷原子干涉仪的磁场线圈开关装置，包括依次电连接的微控制器驱动电路，MOSFET功率开关电路，漏电流保护电路和线圈保护电路；ARM微控制器电平控制信号连接微控制器驱动电路的输入端，上述线圈保护电路的两端分别与磁场线圈两端电连接；
所述微控制器驱动电路由接线端子、限流电阻和NMOS开关管构成，其中：接线端子的输入端引脚与ARM高电平控制信号连接，接线端子的输出端引脚与NMOS开关管栅极G相连；NMOS开关管源极S与地相连，漏极D与限流电阻R1输入端相连，所述限流电阻R1输出端与MOSFET功率开关电路相连；
所述MOSFET功率开关电路由低电平控制的PMOS场效应管和限流电阻R2构成，其中：PMOS开关管栅极G与限流电阻R1输出端相连，PMOS开关管源极S与+12V直流电压和限流电阻R2第一端相连，限流电阻R2第二端与PMOS场效应管栅极G相连，PMOS开关管漏极D与漏电流保护电路相连；
所述漏电流保护电路由整流二极管D1、泄放电阻R3构成，其中：整流二极管D1的正端与PMOS开关管漏极D相连，整流二极管D1的负端与磁场线圈接线端P1相连，泄放电阻R3一端与PMOS开关管漏极D相连，泄放电阻R3另一端与地相连；
所述线圈保护电路电路由钳位二极管V1、整流二极管D2、磁场线圈接线端P1和磁场线圈接线端P2构成，其中：钳位二极管V1正端与磁场线圈接线端P1相连，钳位二极管V1负端与整流二极管D2负端相连；整流二极管D2正端与磁场线圈接线端P2相连，磁场线圈接线端P2与地相连。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明根据磁场开关控制信号为高电平的系统需求，采用NMOS开关控制POMS磁场开关，提高微控制器I/O口的驱动能力；
2本发明中的开关电路采用电子开关MOSFET替代传统继电器开关，具有无磁、长寿命、低噪声、低导通电阻、低启动电流等优势；
3、本发明所设计的漏电流保护电路可以防止磁场关断期间MOSFET开关管漏电流经磁场线圈产生非期望磁场干扰待测磁场，同时还能抑制温度漂移，并使开关管的漏电流快速释放。
4、本发明所设计的线圈保护电路可将线圈关断瞬间产生高达-1000V的负向电压钳位在-81V，防止感生电动势击穿MOSFET开关管。
5、本发明所设计的磁场开关保护电路，其电路设计简单合理，便于调试和装配，且制作成本低，占用空间小，适用于原子干涉仪等精密惯性导航系统。
附图说明
图1是冷原子干涉仪磁光阱结构示意图；
图2是本发明优选实施例的磁场驱动电路具体工作过程流程图；
图3是本发明优选实施例的磁场驱动电路原理图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图3，一种用于冷原子干涉仪的磁场线圈开关装置，包括微控制器驱动电路，MOSFET功率开关电路，漏电流保护电路和线圈保护电路。ARM微控制器电平控制信号连接微控制器驱动电路的输入端，微控制器驱动电路的输出端连接MOSFET功率开关电路的输入端，MOSFET功率开关电路的输出端连接漏电流保护电路的输入端，漏电流保护电路的输出端连接线圈保护电路的输入端，线圈保护电路的两端分别与磁场线圈两端相连。
图1是磁光阱结构示意图：主要包括：1、隔振平台；2、二维磁光阱腔体；3、两对正交的二维磁光阱梯度磁场线圈；4、二维磁光阱与三维磁光阱连接器；5、原子探测与干涉测量区域；6、一对三维磁光阱梯度磁场线圈；7、三维磁光阱腔体；8、探测光反射镜。原子的冷却与陷浮通过磁光阱技术实现，这是由于原子基于多普勒效应在与激光作用时可以被减速，在激光作用的基础上加入梯度磁场可以将原子集中起来形成原子团，且原子数目越多、原子越稳定，干涉效应就会越明显，实验结果精度就越高。二维磁光阱通过两个正交方向的对射激光和两对矩形线圈产生的梯度磁场可以对原子进行预冷却形成冷原子束，原子束流经推送光推动进入三维磁光阱，在三维冷却光和梯度磁场作用下原子可继续冷却至几十uK。
图2为本发明提出的磁场驱动电路具体工作过程流程图，本发明用于冷原子干涉仪的高效安全的磁场开关驱动电路，包括依次连接的微控制器驱动电路单元，MOSFET功率开关电路单元，漏电流保护电路单元和线圈保护电路单元。
图3为磁场开关驱动电路的原理图，由图3可知：
所述的微控制器驱动电路，由接线端子、限流电阻和NMOS开关管构成，其中：接线端子的1号引脚与ARM高电平控制信号连接，接线端子的2号引脚与NMOS开关管栅极G相连，NMOS开关管源极S与地相连，漏极D与限流电阻R1输入端相连，限流电阻R1输出端与MOSFET功率开关电路单元相连。当ARM微控制器对驱动电路中NMOS管栅极G给出高电平控制信号时，NMOS管导通，此时NMOS管漏极D为低电平；当ARM微控制器对NMOS管栅极G给出低电平控制信号时，NMOS管截止，此时NMOS管漏极D为高电平。
所述的MOSFET功率开关电路，由低电平控制的PMOS场效应管和限流电阻R2构成，其中：PMOS开关管的栅极G与限流电阻R1输出端相连，PMOS开关管的源极S与+12V直流电压和限流电阻R2第一端相连，限流电阻R2第二端与PMOS场效应管栅极G相连，PMOS开关管漏极D与漏电流保护电路单元相连。当NMOS管漏极D为低电平时，PMOS管栅极G为低电平，PMOS管导通，磁场线圈开始通电产生磁场；当ARM微控制器对NMOS管栅极G给出低电平控制信号时，NMOS管截止，此时NMOS管漏极D和PMOS管栅极G极均为高电平，PMOS管截止，磁场线圈迅速关断，磁场消失。
所述的漏电流保护电路由整流二极管D1、泄放电阻R3构成，其中：整流二极管D1的正端与PMOS开关管漏极D相连，负端与磁场线圈接线端P1相连，泄放电阻R3一端与PMOS开关管漏极D相连，另一端与地相连。在MOSFET开关管与线圈之间加入二极管D1，防止在磁场关断期间MOSFET开关管漏电流经磁场线圈产生的非期望磁场。这是由于D1在未达到0.7V导通电压时电阻很大；此外，由于这种漏电流通常是温度的函数，D1在避免了漏电流的同时还抑制了温度的漂移。在MOSFET开关管漏极和地之间加入泄放电阻R3，开关管的漏电流可以在磁场关断瞬间提供放电回路将电荷释放，防止过冲发生。
所述的线圈保护电路由钳位二极管V1、整流二极管D2、磁场线圈接线端P1和磁场线圈接线端P2构成，其中：钳位二极管V1正端与磁场线圈接线端P1相连，负端与整流二极管D2负端相连；整流二极管D2正端与磁场线圈接线端P2相连，磁场线圈接线端P2与地相连。钳位二极管V1可将线圈关断瞬间产生的高达-1000V的负向电压钳位在-81V，起到保护作用；在V1和地之间加入整流二极管D2，防止感生电动势击穿MOSFET开关管，还可以避免在磁场线圈通电期间V1被击穿。
本发明针对传统磁场线圈开关电路效率低、寿命短、稳定性差等问题，基于冷原子干涉仪控制系统，该磁场线圈开关驱动装置结构简单，操作方便。采用该装置后，冷原子陀螺仪磁光阱中梯度磁场线圈可实现快速关断，且安全性高，可靠性好，满足要求，为整个项目推进提供有力保障。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种用于冷原子干涉仪的磁场线圈开关装置，包括依次电连接的微控制器驱动电路、MOSFET功率开关电路、漏电流保护电路和线圈保护电路；ARM微控制器电平控制信号连接微控制器驱动电路的输入端，上述线圈保护电路的两端分别与磁场线圈两端电连接；其特征在于，
所述微控制器驱动电路由接线端子、限流电阻和NMOS开关管构成，其中：接线端子的输入端引脚与ARM高电平控制信号相连，接线端子的输出端引脚与NMOS开关管栅极G相连；NMOS开关管源极S与地相连，漏极D与限流电阻R1输入端相连，所述限流电阻R1输出端与MOSFET功率开关电路相连；
所述MOSFET功率开关电路由低电平控制的PMOS场效应管和限流电阻R2构成，其中：PMOS开关管栅极G与限流电阻R1输出端相连， PMOS开关管源极S与+12V直流电压和限流电阻R2第一端相连，限流电阻R2第二端与PMOS场效应管栅极G相连，PMOS开关管漏极D与漏电流保护电路相连；
所述漏电流保护电路由整流二极管D1、泄放电阻R3构成，其中：整流二极管D1的正端与PMOS开关管漏极D相连，整流二极管D1的负端与磁场线圈接线端P1相连，泄放电阻R3一端与PMOS开关管漏极D相连，泄放电阻R3另一端与地相连；
所述线圈保护电路由钳位二极管V1、整流二极管D2、磁场线圈接线端P1和磁场线圈接线端P2构成，其中：钳位二极管V1正端与磁场线圈接线端P1相连，钳位二极管V1负端与整流二极管D2负端相连；整流二极管D2正端与磁场线圈接线端P2相连，磁场线圈接线端P2与地相连。
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