CN111061319B - 一种基于光抽运饱和吸收的原子气室温度闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光抽运饱和吸收的原子气室温度闭环控制方法，包括如下步骤，(1)基于光抽运饱和吸收的温度测量；(2)数字闭环控制。本发明的有益效果在于：实现了原子气室的温度高稳定性的闭环控制，与传统的基于热敏电阻的温度测量技术和模拟闭环控制方法相比，其真实反映了原子气室内部的温度变化，减小了由于玻璃导热系数较低带来的温度梯度的影响，提高了气室内部温度的稳定性；避免了温度检测信号产生的磁场干扰；而且不受不平衡电桥和模拟闭环控制带来的控温范围有限的影响，提高了温度控制范围的可调节性。

Description

一种基于光抽运饱和吸收的原子气室温度闭环控制方法

技术领域

本发明属于一种温度控制方法，具体涉及一种基于光抽运饱和吸收的温度 闭环控制方法，适合于原子磁强计和原子陀螺的原子气室温度闭环控制。

背景技术

原子气室中的原子饱和蒸气压密度n直接影响原子磁强计和原子陀螺与磁 场信息相关的输出信号，其可简化表示为：

其中，A和B是与原子有关的常数，T为原子气室温度，其稳定性直接影 响磁场测量及闭环控制的稳定性，制约着原子陀螺、磁强计精度的提升，因此 原子气室温度闭环控制是该领域的一项关键技术。

传统的温度闭环控制方法首先是利用单个热敏电阻作为温度敏感元件，利 用非平衡交流电桥差动检测热敏电阻阻值变化引起的交流电压的幅值变化，进 而实现温度的测量；然后利用模拟控制电路将电桥控制在平衡状态，从而实现 温度的控制。但由于气室的制作材料为玻璃，导热性较差，存在较大的梯度差， 单个热敏电阻不能真实反应气室内部的温度变化；测温过程也会在气室附近产 生磁场干扰；而且模拟闭环控制限制了温度控制范围的可调节性和灵活性。

因此，本发明基于光抽运饱和吸收测温技术以及数字闭环控制方法为基础， 对原子气室的温度闭环控制的硬件及软件进行搭建与设计，提高气室温度控制 的稳定性及温度控制的调节范围，减小磁场噪声的扰动，进而提高系统磁场测 量与闭环控制性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光抽运饱和吸收的原子气室温度闭环控制 方法，首先由激光器产生特定频率和光强的激光照射在气室上；然后通过光电 探测器检测进入气室和透过气室的光强，并搭建信号采集和处理系统，采集并 解算其中的温度信息；最后，将该温度信息与期望值进行比较，若不相等，则 采用相应的控制算法，改变交流电加热输出信号的幅度，重复上述步骤，实现 温度的闭环控制。

本发明的技术方案如下：一种基于光抽运饱和吸收的原子气室温度闭环控 制方法，包括如下步骤，

(1)基于光抽运饱和吸收的温度测量；

(2)数字闭环控制。

所述的步骤(1)包括，透过气室的光强信号，与原子气室中原子饱和蒸气 压密度密切相关，气室温度的波动将直接影响饱和蒸气压密度的大小，进而影 响透射光强，可通过检测透过气室的光强信号直接解算气室的温度信息。

所述的步骤(1)包括如下步骤，

第一步：由激光器产生对应原子能级跃迁频率的激光，通过PBS分为两束： 一束照射在气室上；另一束与第一束光强成正比，用光电探测器探测；

第二步：利用另一路光电探测器探测透过气室的光强；

第三步：设计高速同步采集系统，同步采集入射气室之前和透过气室之后 的光电探测器的输出信号I_in与I_out，并将转换结果送至处理器中，解算温度信 息T。

所述的步骤(1)中第一步包括光电探测器的输出I_in可由下式表示：

I_in＝k_PD·k_PBS·P_in (2)

其中，k_PD是光电探测器的转换效率，k_PBS是PBS反射与透射光强之比， P_in是入射气室的光强。

所述的步骤(1)中第二步：利用另一路光电探测器探测透过气室的光强，

光电探测器的输出I_out可由下式表示

I_out＝k_PD·P_out (3)

其中，k_PD是光电探测器的转换效率，P_out是透过气室的光强。

所述的步骤(1)中第三步：设计高速同步采集系统，同步采集入射气室之 前和透过气室之后的光电探测器的输出信号I_in与I_out，并将转换结果送至处理 器中，解算温度信息T，

建立入射气室前与透过气室后的的光强信号与气室温度之间的理论计算模 型：

P_out＝P_out′-k_n·n (4)

其中，P_out是气室温控后透过气室的光强，可由I_out求解；P_out′是气室温控 前透过气室的光强；n为原子气室中的原子饱和蒸气压密度，

其中，A和B是与原子有关的常数，T为原子气室温度由式(1)可知， 其与气室温度密切相关；k_n为与n相关的系数，

气室温控前透过气室的光强P_out′可等效为：

P_out′＝k′·P_in (5)

其中，k′是气室的透过率；P_in是入射气室的光强。

联立(1)-(5)式，可得气室温度与两路光电探测器的输出之间的关系式：

通过上式可知，当同时得知两光电探测器的输出I_in与I_out时，可求解此时 原子气室内的温度。

所述的步骤(2)包括，将(1)中解算出的原子气室的温度信息与期望值 相比较，把差值带入到数字PID闭环控制算法中，得出温度的变化量，并改变 交流电加热输出信号的幅度，由此实现气室的温度闭环控制，

PID控制器的输出u(t)是系统误差分别经过各环节处理后的线性结合的关 系，其表达式如下：

其中，e(t)为期望温度与实际温度的差值，k_p是比例增益，T_i是积分时间， T_d是微分时间，

上式经数字离散化可表示为：

其中，k_p，k_i，k_d分别为比例，积分，微分系数；T为闭环控制时间；k代 表当前时刻，k-1代表上一时刻，调节上述PID参数，控制电加热输出信号的 幅度，激励电加热片，将期望温度与实际温度的差值e(t)控制为零，实现原子气 室的温度闭环控制。

本发明的有益效果在于：实现了原子气室的温度高稳定性的闭环控制，与 传统的基于热敏电阻的温度测量技术和模拟闭环控制方法相比，其真实反映了 原子气室内部的温度变化，减小了由于玻璃导热系数较低带来的温度梯度的影 响，提高了气室内部温度的稳定性；避免了温度检测信号产生的磁场干扰；而 且不受不平衡电桥和模拟闭环控制带来的控温范围有限的影响，提高了温度控 制范围的可调节性。

附图说明

图1是基于光抽运饱和吸收的温度测量原理图；

图2是闭环控制方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种基于光抽运饱和吸收的原子气室温度闭环控制方法，包括如下步骤：

(1)基于光抽运饱和吸收的温度测量

透过气室的光强信号，与原子气室中原子饱和蒸气压密度密切相关，气室 温度的波动将直接影响饱和蒸气压密度的大小，进而影响透射光强。因此，可 通过检测透过气室的光强信号直接解算气室的温度信息。

第一步：由激光器产生对应原子能级跃迁频率的激光，通过PBS分为两束： 一束照射在气室上；另一束与第一束光强成正比，用光电探测器探测。光电探 测器的输出I_in可由下式表示：

I_in＝k_PD·k_PBS·P_in (2)

其中，k_PD是光电探测器的转换效率，k_PBS是PBS反射与透射光强之比， P_in是入射气室的光强。

第二步：利用另一路光电探测器探测透过气室的光强。

光电探测器的输出I_out可由下式表示

I_out＝k_PD·P_out (3)

其中，k_PD是光电探测器的转换效率，P_out是透过气室的光强。

第三步：设计高速同步采集系统，同步采集入射气室之前和透过气室之后 的光电探测器的输出信号I_in与I_out，并将转换结果送至处理器中，解算温度信 息T。

建立入射气室前与透过气室后的的光强信号与气室温度之间的理论计算模 型：

P_out＝P_out′-k_n·n (4)

其中，P_out是气室温控后透过气室的光强，可由I_out求解；P_out′是气室温控 前透过气室的光强；n为原子气室中的原子饱和蒸气压密度，由式(1)可知， 其与气室温度密切相关；k_n为与n相关的系数。

气室温控前透过气室的光强P_out′可等效为：

P_out′＝k′·P_in (5)

其中，k′是气室的透过率；P_in是入射气室的光强。

联立(1)-(5)式，可得气室温度与两路光电探测器的输出之间的关系式：

各参数的含义在(1)-(5)式中均已说明。

通过上式可知，当同时得知两光电探测器的输出I_in与I_out时，可求解此时 原子气室内的温度。

(2)数字闭环控制。

将(1)中解算出的原子气室的温度信息与期望值相比较，把差值带入到数 字PID闭环控制算法中，得出温度的变化量，并改变交流电加热输出信号的幅度， 由此实现气室的温度闭环控制。

PID控制器的输出u(t)是系统误差分别经过各环节处理后的线性结合的关 系，其表达式如下：

其中，e(t)为期望温度与实际温度的差值，k_p是比例增益，T_i是积分时间， T_d是微分时间。

上式经数字离散化可表示为：

其中，k_p，k_i，k_d分别为比例，积分，微分系数；T为闭环控制时间；k代 表当前时刻，k-1代表上一时刻。

调节上述PID参数，控制电加热输出信号的幅度，激励电加热片，将期望温 度与实际温度的差值e(t)控制为零，实现原子气室的温度闭环控制。

Claims (1)

1.一种基于光抽运饱和吸收的原子气室温度闭环控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

(1)基于光抽运饱和吸收的温度测量；

(2)数字闭环控制；

所述的步骤(1)包括，透过气室的光强信号，与原子气室中原子饱和蒸气压密度密切相关，气室温度的波动将直接影响饱和蒸气压密度的大小，进而影响透射光强，可通过检测透过气室的光强信号直接解算气室的温度信息；

所述的步骤(1)包括如下步骤，

第一步：由激光器产生对应原子能级跃迁频率的激光，通过PBS分为两束：一束照射在气室上；另一束与第一束光强成正比，用光电探测器探测；

第二步：利用另一路光电探测器探测透过气室的光强；

第三步：设计高速同步采集系统，同步采集入射气室之前和透过气室之后的光电探测器的输出信号I_in与I_out，并将转换结果送至处理器中，解算温度信息T；

所述的步骤(1)中第一步包括光电探测器的输出I_in可由下式表示：

I_in＝k_PD·k_PBS·P_in (2)

其中，k_PD是光电探测器的转换效率，k_PBS是PBS反射与透射光强之比，P_in是入射气室的光强；

所述的步骤(1)中第二步：利用另一路光电探测器探测透过气室的光强，

光电探测器的输出I_out可由下式表示

I_out＝k_PD·P_out (3)

其中，k_PD是光电探测器的转换效率，P_out是透过气室的光强；

所述的步骤(1)中第三步：设计高速同步采集系统，同步采集入射气室之前和透过气室之后的光电探测器的输出信号I_in与I_out，并将转换结果送至处理器中，解算温度信息T，

建立入射气室前与透过气室后的的光强信号与气室温度之间的理论计算模型：

P_out＝P_out′-k_n·n (4)

其中，P_out是气室温控后透过气室的光强，可由I_out求解；P_out′是气室温控前透过气室的光强；n为原子气室中的原子饱和蒸气压密度，

其中，A和B是与原子有关的常数，T为原子气室温度由式(1)可知，其与气室温度密切相关；k_n为与n相关的系数，

气室温控前透过气室的光强P_out′可等效为：

P_out′＝k′·P_in (5)

其中，k′是气室的透过率；P_in是入射气室的光强；

联立(1)-(5)式，可得气室温度与两路光电探测器的输出之间的关系式：

通过上式可知，当同时得知两光电探测器的输出I_in与I_out时，可求解此时原子气室内的温度；

所述的步骤(2)包括，将步骤(1)中解算出的原子气室的温度信息与期望值相比较，把差值带入到数字PID闭环控制算法中，得出温度的变化量，并改变交流电加热输出信号的幅度，由此实现气室的温度闭环控制，

PID控制器的输出u(t)是系统误差分别经过各环节处理后的线性结合的关系，其表达式如下：

其中，e(t)为期望温度与实际温度的差值，k_p是比例增益，T_i是积分时间，T_d是微分时间，

上式经数字离散化可表示为：

其中，k_p，k_i，k_d分别为比例，积分，微分系数；T为闭环控制时间；k代表当前时刻，k-1代表上一时刻，调节上述PID参数，控制电加热输出信号的幅度，激励电加热片，将期望温度与实际温度的差值e(t)控制为零，实现原子气室的温度闭环控制。

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