CN112326051A - 一种用于serf陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统 - Google Patents

一种用于serf陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统，其特征在于：包括温度传感器、原子气室、数控恒流源模块、电压采集模块和信号处理显示模块，所述温度传感器与原子气室接触固装在一起，温度传感器分别与数控恒流源模块和电压采集模块连接在一起，电压采集模块与信号处理显示模块连接。本发明能够无磁、高稳定性、高精度的反馈气室温度，进一步实现温控的闭环控制，为原子气室中的碱金属原子提供稳定的恒温环境。满足精度要求的同时实现较为紧凑的体积且消除了引线的电阻影响。

Description

一种用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统
技术领域
本发明属于惯性测量传感器技术领域，涉及一种测温系统，尤其是一种用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统。
背景技术
SERF原子自旋陀螺仪(简称SERF陀螺仪)是利用原子无自旋交换弛豫原理实现的。SERF陀螺仪工作原理为：碱金属原子的电子自旋和惰性气体的核自旋，通过操控碱金属原子的电子自旋工作于SERF态，惰性气体原子的核自旋与碱金属原子的电子自旋强耦合。当载体转动时，碱金属原子的电子自旋保持定轴，检测激光固连在载体上而随载体转动，其与电子自旋的夹角反应了载体相对惯性空间转动。
SERF陀螺仪原理系统示意图如图1所示。通过光场、磁场对原子自旋的综合操控，可以实现原子自旋极化。当载体相对惯性空间转动时，固连于载体的泵浦激光跟随载体转动，将强迫原子自旋进动到泵浦激光方向。由于检测激光也固连于载体上，当载体相对惯性空间转动时，检测激光与原子自旋的夹角也会发生改变，夹角改变的大小反映了角速度的大小。检测激光会与原子自旋发生相互作用，不同的原子自旋指向使检测激光的线偏振方向发生改变，通过检测这一线偏振方向变化可以实现对角速度的测量。
要实现SERF陀螺仪中原子自旋处于SERF态，需要原子气室中碱金属原子具有饱和蒸汽压，这就要对碱金属气室进行高温加热和温度控制。实现温度的闭环控制，首先要实现系统温度的精确测量和读取。此外，由于SERF陀螺仪是以原子的拉莫尔进动频率为理论支撑，常常伴随着磁场激励作用，且SERF态的实现对环境磁场强度大小较为敏感，因此实验还要求测温系统本身不能产生额外的附加磁场。
一套高精度、无磁的测温系统，通常包括测温元件部分、温度信号采集部分和信号处理与显示部分。测温元件本质上是一种温度传感器，其原理依据主要有两点：(1)根据电阻随温度变化而改变的特征，利用阻值大小判别温度；(2)利用不同导体之间的热效应。目前，基于接触式测温原理的温度传感器主要有两种：金属热电阻与热电偶。金属热电阻，其测温原理是利用自身电阻随温度变化的物理特性，作为测温传感器的优势在于线性度高，性能稳定，但由于它是通过恒流源转化为电压信号反馈给微控制器系统，不可避免伴随着附加磁场的产生；而热电偶，测温原理是基于物体的热电效应，作为测温传感器的优点在于测温范围较大，无附加磁场，但测量线性度差，测温精度低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种无磁、高稳定性、高精度的用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统，包括温度传感器、原子气室、数控恒流源模块、电压采集模块和信号处理显示模块，所述温度传感器与原子气室接触固装在一起，温度传感器分别与数控恒流源模块和电压采集模块连接在一起，电压采集模块与信号处理显示模块连接。
而且，所述温度传感器采用无磁铂热电阻PT1000。
而且，所述无磁铂热电阻PT1000采用四线接法与数控恒流源模块以及电压采集模块相连，在无磁铂热电阻PT1000的输入端和输出端各连接两根引线，无磁铂热电阻PT1000输入端的一根引线和无磁铂热电阻PT1000输出端的一根引线与数控恒流源模块相连，无磁铂热电阻PT1000输入端的另外一根引线和无磁铂热电阻PT1000输出端的另外一根引线与电压采集模块相连。
而且，所述数控恒流源模块和电压采集模块采用精密模数转换器ADS1262实现，所述数控恒流源模块为精密模数转换器ADS1262内的内置激励电流源IDAC，电压采集模块为精密模数转换器ADS1262内的可编程增益放大器PGA和32位模数转换器。
而且，所述内置激励电流源IDAC的输入端与外部参考电源连接，内置激励电流源IDAC的输出端与无磁铂热电阻PT1000输入端的一根引线相连，可编程增益放大器PGA的电压采集正端与无磁铂热电阻PT1000输入端的另一根引线相连，可编程增益放大器PGA的电压采集负端与无磁铂热电阻PT1000输出端的一根引线相连，无磁铂热电阻PT1000输出端另一根引线接地，可编程增益放大器PGA将采集到的电压信号传输至32位模数转换器。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明采用无磁铂热电阻PT1000并通过四线接法与精密模数转换器ADS1262连接在一起，能够完全消除引线的电阻影响并且在不产生额外磁场的前提下精确感应原子气室温度，可满足SERF陀螺仪测量气室温度时无磁、高精度的需求。
2.本发明采用精密模数转换器ADS1262的内置激励电流源IDAC替代传统自主搭建的模拟电流源外围电路，无需外部走线，不与环境空间接触，避免环境干扰，进一步提高了恒流源电路的激励电流输出精度。
附图说明
图1为基于核自旋极化的SERF陀螺仪结构图。
图2为本发明无磁温度测量系统的结构框图。
图3为无磁铂热电阻PT1000的二维轴剖图。
图4为无磁铂热电阻PT1000的四线接法示意图。
图5为精密模数转换器ADS1262与无磁铂热电阻PT1000的连接示意图。
图中，1为无磁铂热电阻PT1000本体；2为无磁铂热电阻PT1000电流流入端；3为无磁铂热电阻PT1000电流流出；4为电压采集正端(无磁铂热电阻PT1000输出电压正端)；5为电压采集负端(无磁铂热电阻PT1000输出电压负端)；6为精密模数转换器ADS1262本体；7为外部参考电源；8为内置激励电流源IDAC；9为可编程增益放大器PGA；10为32位模数转换器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明以图1所示的基于核自旋极化的SERF陀螺仪结构图进行说明，可以清晰地看出SERF陀螺仪的组成可分为：光路部分、角速度传感器部分和信号检测部分，所述角速度传感器部分由交变磁场线圈、加热恒温装置、原子气室等组成，所述加热恒温装置由温度控制电路和加热保温组件构成，所述温度控制电路由温度测量系统、交流加热系统和自动控制系统组成。
本发明是在原子气室外围安装一种无磁温度测量系统，实现气室温度的精确测量以便进一步实现150℃±0.1℃范围内气室温度的稳定控制。无磁测温系统包括温度传感器、数控恒流源模块、电压采集模块和信号处理显示模块，如图2所示为本无磁温度测量系统的结构框图，所述温度传感器通过胶粘方式与原子气室接触在一起，温度传感器分别与数控恒流源模块和电压采集模块连接在一起，电压采集模块与信号处理显示模块连接。所述温度传感器采用高精度无磁铂热电阻PT1000，所述数控恒流源模块和电压采集模块采用精密模数转换器ADS1262实现，所述数控恒流源模块为精密模数转换器ADS1262内的内置激励电流源IDAC，电压采集模块为精密模数转换器ADS1262内的可编程增益放大器PGA和32位模数转换器。
如图3所示为无磁铂热电阻PT1000的二维轴剖图，无磁铂热电阻PT1000是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数，其电阻随温度线性变化。如图4所示为无磁铂热电阻PT1000的四线接法示意图。所述无磁铂热电阻PT1000采用四线接法与数控恒流源模块以及电压采集模块相连，在无磁铂热电阻PT1000的输入端和输出端各连接两根引线，无磁铂热电阻PT1000输入端的一根引线和无磁铂热电阻PT1000输出端的一根引线与数控恒流源模块相连，无磁铂热电阻PT1000输入端的另外一根引线和无磁铂热电阻PT1000输出端的另外一根引线与电压采集模块相连；数控恒流源模块为无磁铂热电阻PT1000提供恒定的电流I，无磁铂热电阻PT1000将随温度变化的电阻R转换成变化的电压信号U，并将U通过另两根引线引至电压采集模块。其中无磁铂热电阻PT1000电流流入端2与电压采集正端即无磁铂热电阻PT1000输出电压正端4相连，无磁铂热电阻PT1000电流流出端3与电压采集负端即无磁铂热电阻PT1000输出电压负端5相连。
如图5所示为精密模数转换器ADS1262与无磁铂热电阻PT1000的连接示意图，所述内置激励电流源IDAC的输入端与外部参考电源7连接，内置激励电流源IDAC的输出端与无磁铂热电阻PT1000输入端的一根引线相连，可编程增益放大器PGA的电压采集正端4与无磁铂热电阻PT1000输入端的另一根引线相连，可编程增益放大器PGA的电压采集负端5与无磁铂热电阻PT1000输出端的一根引线相连，无磁铂热电阻PT1000输出端另一根引线接地，可编程增益放大器PGA将采集到的电压信号传输至32位模数转换器。
本发明的工作原理为：
温度采样部分以精密模数转换器ADS1262为核心，通过微控制字写入，内置激励电流源IDAC输出可调节、可编程的恒定电流，电流流入无磁铂热电阻PT1000的入线端子，使无磁铂热电阻PT1000两端产生随温度变化的压降，电压值进入数模转换器ADS1262被读取和转换；转换后的电压值传输至信号处理显示模块，由CPU、FPGA等微控制器换算成实时温度并由上位机采集显示。
采用以上设计，可满足原子气室对温度、磁场的要求，气室整体温度均匀，保持碱金属原子浓度的稳定性；同时干扰磁场的降低有利于保证SERF陀螺仪输出角速度信号的稳定性。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统，其特征在于：包括温度传感器、数控恒流源模块、电压采集模块和信号处理显示模块，所述温度传感器与SERF陀螺仪原子气室接触固装在一起，温度传感器分别与数控恒流源模块和电压采集模块连接在一起，电压采集模块与信号处理显示模块连接。
2.根据权利要求1所述的用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统，其特征在于：所述温度传感器采用无磁铂热电阻PT1000。
3.根据权利要求2所述的用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统，其特征在于：所述无磁铂热电阻PT1000采用四线接法与数控恒流源模块以及电压采集模块相连，在无磁铂热电阻PT1000的输入端和输出端各连接两根引线，无磁铂热电阻PT1000输入端的一根引线和无磁铂热电阻PT1000输出端的一根引线与数控恒流源模块相连，无磁铂热电阻PT1000输入端的另外一根引线和无磁铂热电阻PT1000输出端的另外一根引线与电压采集模块相连。
4.根据权利要求3所述的用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统，其特征在于：所述数控恒流源模块和电压采集模块采用精密模数转换器ADS1262实现，所述数控恒流源模块为精密模数转换器ADS1262内的内置激励电流源IDAC，电压采集模块为精密模数转换器ADS1262内的可编程增益放大器PGA和32位模数转换器。
5.根据权利要求4所述的用于SERF陀螺仪原子气室的高精度无磁测温系统，其特征在于：所述内置激励电流源IDAC的输入端与外部参考电源连接，内置激励电流源IDAC的输出端与无磁铂热电阻PT1000输入端的一根引线相连，可编程增益放大器PGA的电压采集正端与无磁铂热电阻PT1000输入端的另一根引线相连，可编程增益放大器PGA的电压采集负端与无磁铂热电阻PT1000输出端的一根引线相连，无磁铂热电阻PT1000输出端另一根引线接地，可编程增益放大器PGA将采集到的电压信号传输至32位模数转换器。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114001723A (zh) * 2021-11-22 2022-02-01 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种用于serf陀螺仪的高精度无磁温控系统
WO2022218713A1 (de) * 2021-04-12 2022-10-20 Robert Bosch Gmbh Schaltungsanordnung zur auswertung eines sensorwiderstands

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103269527A (zh) * 2013-04-21 2013-08-28 北京航空航天大学 一种用于原子自旋陀螺仪的无磁电加热系统
CN103576721A (zh) * 2013-11-07 2014-02-12 哈尔滨工程大学 一种无磁加热温度控制系统
CN103901924A (zh) * 2014-03-08 2014-07-02 哈尔滨工程大学 一种基于光加热的无磁温控装置
WO2016078206A1 (zh) * 2014-11-21 2016-05-26 深圳市科曼医疗设备有限公司 温度控制系统
CN109753095A (zh) * 2017-11-03 2019-05-14 北京自动化控制设备研究所 一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统
CN109916387A (zh) * 2019-01-31 2019-06-21 北京航天控制仪器研究所 一种用于serf原子气室的无磁温控系统及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103269527A (zh) * 2013-04-21 2013-08-28 北京航空航天大学 一种用于原子自旋陀螺仪的无磁电加热系统
CN103576721A (zh) * 2013-11-07 2014-02-12 哈尔滨工程大学 一种无磁加热温度控制系统
CN103901924A (zh) * 2014-03-08 2014-07-02 哈尔滨工程大学 一种基于光加热的无磁温控装置
WO2016078206A1 (zh) * 2014-11-21 2016-05-26 深圳市科曼医疗设备有限公司 温度控制系统
CN109753095A (zh) * 2017-11-03 2019-05-14 北京自动化控制设备研究所 一种基于多点联合测控的原子气室无磁温控系统
CN109916387A (zh) * 2019-01-31 2019-06-21 北京航天控制仪器研究所 一种用于serf原子气室的无磁温控系统及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
陈颖莹: ""高端工业翘首以盼，TI 32位精密ADC破茧成蝶"", 《电子工程世界》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022218713A1 (de) * 2021-04-12 2022-10-20 Robert Bosch Gmbh Schaltungsanordnung zur auswertung eines sensorwiderstands
CN114001723A (zh) * 2021-11-22 2022-02-01 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种用于serf陀螺仪的高精度无磁温控系统

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