CN114167325B - 一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热系统及方法，该加热系统包括加热盒、缠绕于加热盒顶部和底部的加热丝一和加热丝二，以及与加热丝一和加热丝二连接的加热电路；所述加热丝一和加热丝二的缠绕方向相反；所述加热电路包括正弦波振荡电路、触发电路、反馈控制电路、功放输出电路和电源，所述加热盒上还设置热敏电阻，所述热敏电阻与PID调节仪的输入端连接。本发明所公开的加热系统及方法能够提高控温精度、控制加热电路的关断，关断加热后，在碱金属原子的自旋弛豫时间内消除干扰磁场，提高磁场测量灵敏度。

Description

一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法

技术领域

本发明涉及一种，特别涉及一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热系统及方法。

背景技术

原子磁力仪是一种利用光与原子相互作用对弱磁场进行探测的精密仪器，由于其结构简单、可工作于室温附近，不需要液氮制冷、高灵敏度、易于小型化等特点，广泛应用于生物磁场探测、资源勘探、地磁异常探测等领域。原子磁力仪的基本原理是以原子气室中的钾、铷和铯等碱金属原子蒸汽作为探头，在外界磁场条件下，利用光与原子的相互作用将磁场信息转变成光的信息，然后利用计算机采集光电探测器的电压实现对磁场的测量。

为了进一步增加磁场测量的灵敏度，通常需要对原子气室加热用来提高原子数密度。目前加热原子气室的方式有热空气加热、金属导热、光学加热和电加热等。前三种加热方式能量耗散较多。将原子气室至于加热盒中进行电加热是较为常见的加热方式，具有加热快，易于控制等优点，但是电加热不可避免的会引入磁场噪声，目前主要采用高频加热(10kHz以上)降低低频磁场测量噪声，但是这种加热方式仍然会引入一定的偏置磁场，从而影响灵敏度。目前减小干扰磁场的方法主要集中在使用高频电流为线圈供电。这种方式虽然在一定程度上减小了干扰磁场，但在计算机采集光电探测器电压的采样时间段内仍存在加热信号，从而影响测量精度。因此，有必要设计一种可控的触发式无磁加热，保证磁场测量的时间段磁场关断且温度稳定。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热系统及方法，以达到在碱金属原子的自旋弛豫时间内消除干扰磁场、提高控温精度的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热系统，包括加热盒、缠绕于加热盒顶部和底部的加热丝一和加热丝二，以及与加热丝一和加热丝二连接的加热电路；所述加热丝一和加热丝二的缠绕方向相反；所述加热电路包括正弦波振荡电路、触发电路、反馈控制电路、功放输出电路和电源，所述正弦波振荡电路包括运算放大器一，所述运算放大器一的同相输入端接频率选择电路，反相输入端接滑动变阻器和二极管组；所述触发电路包括三极管，所述三极管的集电极接运算放大器一的输出端，发射极接地，基极接外部产生方波触发信号的信号发生器；所述反馈控制电路包括乘法器，所述乘法器的输入端分别接运算放大器一的输出端和PID调节仪的输出端；所述功放输出电路包括两个并联的运算放大器二，所述运算放大器二的同相输入端接乘法器的输出端，所述运算放大器二的输出端分别连接加热丝一和加热丝二；所述加热盒上还设置热敏电阻，所述热敏电阻与PID调节仪的输入端连接。

2、根据权利要求1所述的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热系统，其特征在于，所述频率选择电路包括两个30kΩ的电阻R1、R2，和两个470pF的电容C1、C2，所述电阻R1和电容C1并联，所述电阻R2和电容C2串联。

上述方案中，所述二极管组中的两个二极管D1和D2反向并联。

上述方案中，所述正弦波振荡电路的输出频率为11kHz。

上述方案中，所述信号发生器产生的方波触发信号的低电平为-1V，高电平为5V，频率调节范围0.5Hz-1kHz。。

上述方案中，所述运算放大器二输出端放大倍数为5.6倍，最大输出功率为10W，加热速度大于8℃/min，控温精度±0.015℃，加热温度最高为150℃。

一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法，包括如下过程：

(1)正弦波振荡电路产生正弦波信号；

(2)当信号发生器产生的方波触发信号为+5V时，电极管截止，正弦波振荡电路产生的正弦波信号进入乘法器；当信号发生器产生的方波触发信号为-1V时，三极管导通，正弦波振荡电路产生的正弦波信号接地，输入乘法器的电压为0V，此时加热电路无信号输出，加热关断；

(3)热敏电阻随着加热盒的温度变化，将其自身阻值信号反馈给PID调节仪，PID调节仪产生PID电平信号输入乘法器；

(4)乘法器将正弦波振荡电路产生的正弦波信号与PID调节仪产生PID电平信号进行乘积运算，利用PID电平信号的电平变化调节输出信号的电压值；

(5)乘法器的输出信号经两个运算放大器二的放大后，给加热丝一和加热丝二加热，由于加热丝一和加热丝二的缠绕方向相反，两路电路参数完全相同，因此，加热丝一和加热丝二产生的磁场相互抵消。

上述方案中，通过调节方波触发信号的频率和占空比，使得加热电路的关断时间大于原子气室中碱金属原子的自旋弛豫时间，并且大于等于计算机的采样时间。

通过上述技术方案，本发明提供的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热系统及方法具有如下有益效果：

1、改进了加热方式：对于无自旋交换原子磁力计，碱金属原子铷87的自旋弛豫时间约为20ms，加热电路需在此时间段内保持零电流输出。本发明采用可控的触发信号来控制加热电流，实现间断加热功能，加热电流每周期最长关断时间为1s，关断时间为自旋弛豫时间的 50倍，远大于自旋弛豫时间。在关断加热时间内，加热丝无电流，不产生磁场，可实现无干扰磁场的测量。相较于有加热时段，关闭加热时段内进行测量和频谱分析结果更精确。

2、增强了控温稳定性：温度稳定后，触发电路接入占空比可调的方波触发信号，与正弦波振荡电路产生的正弦波信号调制后输出间断的正弦波信号，相比于持续的正弦波信号，电路输出功率降低，可提高温度稳定性，实现±0.015℃的控温精度。

3、可控的输出功率调节：针对不同的原子温度，通过调节滑动变阻器可调节不同的信号输出，最大可以将原子气室加热到150℃，满足无自旋交换原子磁力计的实验温度要求。

4、原子磁力计的待测磁场频率通常小于100Hz，本发明将正弦波振荡电路输出频率设置为11kHz，远大于待测磁场频率，混叠信号不在待测磁场频率范围内，可避免用于加热频率对待测信号的影响，影响测量精度。可有效测量脑磁、心磁等生物信号。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热系统示意图；

图2为本发明实施例所公开的正弦波振荡电路图；

图3为本发明实施例所公开的触发电路图；

图4为本发明实施例所公开的反馈控制电路图；

图5为本发明实施例所公开的功放输出电路图；

图6为自旋弛豫信号和方波触发信号图；

图7为本发明实施例加热原子气室测得的温度曲线图，A为无触发信号，B为有触发信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热系统，如图1所示，包括加热盒、缠绕于加热盒顶部和底部的加热丝一和加热丝二，以及与加热丝一和加热丝二连接的加热电路，加热丝一和加热丝二的缠绕方向相反。加热电路包括正弦波振荡电路、触发电路、反馈控制电路、功放输出电路和电源。电源为一个±15V开关电源，为上述电路供电。

如图2所示，正弦波振荡电路包括运算放大器一，型号为OPA192。运算放大器一的引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端，引脚4接电源负极，引脚6为输出端，引脚7接电源正极。运算放大器一的同相输入端接30kΩ电阻R1、R2和470pF电容C1、C2构成的串并联网络作为频率选择电路。电阻R1与电容C1并联构成低通滤波，电阻R2与电容C2串联构成高通滤波，由于低通与高通的电容值、电阻值相同，低通与高通截止频率相同，只有特定频率的信号可同时通过低通和高通筛选，因此，图2中串并联网络可选出单一频率的正弦信号。运算放大器一的反相输入端接滑动变阻器RP1和二极管组，该二极管组中的两个二极管D1和D2反向并联，防止运算放大器一反馈过度。

滑动变阻器RP1的端2接地，滑动端3连接OPA192芯片的反相输入端2，滑动变阻器RP1的端1连接二极管D1和D2，滑动变阻器RP1的1、3和2、3两端电阻可调。二极管组用于振荡电路调幅，当二极管上电压很小时，其电阻很大，负反馈作用小，正弦波振荡电路输出电压增大；当二极管上电压超过0.5V时，二极管逐渐导通，负反馈增强，正弦波振荡电路输出电压减小，使信号幅度得到控制。通过改变滑动变阻器端3两侧阻值来调节OPA192 芯片的引脚3，6和引脚2，6之间的电阻比例，从而调节正弦信号幅值。

如图3所示，触发电路包括三极管，型号为S9012。三极管的集电极接运算放大器一的输出端，发射极接地，基极P2接外部产生方波触发信号的信号发生器。如图6所示，信号发生器产生的方波触发信号的低电平为-1V，高电平为5V，占空比50％，频率0.5Hz，因此，关断时间为1s。此方波触发信号频率的设置取决于原子气室中碱金属原子自旋弛豫时间和计算机采集信号所需时间，其频率与电路产生的正弦波的频率无关。由于本发明中所采用的碱金属原子铷87的自旋弛豫时间约为20ms，计算机采样时间约为1s，因此关断时间选择为1s。

当信号发生器产生的方波触发信号为+5V时，三极管截止，正弦波振荡电路产生的11KHz 正弦信号不接地，进入反馈控制电路中的AD633乘法器7端口与P1端口输入的PID电平信号相乘，此时PID电平信号的电压可控制输出信号幅度，进而调整加热温度。当信号发生器产生的方波触发信号为-1V时，三极管导通，正弦波振荡电路产生的11KHz信号接地，输入 AD633乘法器的7端口的电压为0V，与PID电平信号相乘后结果仍为0V，无输出信号进入功放输出电路，加热关断。

如图4所示，反馈控制电路包括乘法器，型号为AD633。AD633的引脚1，2，7，8为信号输入端，引脚3接电源负极，引脚4为偏置电压输入端，引脚5为信号输出端，引脚6 接电源正极，100nF电容C4、C5和10uF电容C3、C6将电源的交流噪声接地。本发明用到两个信号输入端，无偏置电压输入，因此引脚2，4，8接地。

乘法器的输入分别为经过触发的11kHz正弦波信号和PID电平信号。其中，正弦波信号为正弦波振荡电路产生；PID电平信号由外接的PID调节仪产生。正弦波信号接入引脚7， PID电平信号接入引脚1。正弦波信号与PID电平信号在AD633乘法器进行乘积运算，利用PID电平信号的电平变化调节输出信号电压值。乘法器输出的信号连接至功放输出电路。

如图5所示，功放输出电路包括两个并联的运算放大器二，型号为OPA549T。两个运算放大器二为相同的连接方式。

其中，运算放大器二的引脚1，2为输出引脚，引脚3为反相输入端，引脚4为同相输入端，引脚5，7接电源负极，引脚10，11接电源正极，100nF电容C7、C8和10uF电容C9、 C10将电源的交流噪声接地；引脚6，8，9在本发明中未使用，接地处理。

该运算放大器二具有良好的输出特性，最高工作电压30V，适用于不同输出功率。运算放大器二的同相输入端4接接乘法器的输出端；反相输入端3接510Ω电阻R3和110Ω电阻 R4；输出端放大倍数约5.6倍，单路最大输出功率约10W，加热速度大于8℃/min，控温精度±0.015℃，加热温度可达150℃。

由于OPA549T芯片在工作中升温显著，因此，两个OPA549T芯片置于电路板边缘，便于外加散热片及风扇。两个运算放大器二的输出端分别连接加热丝一和加热丝二，由于电路参数完全相同，两路加热丝除电流方向外完全相同，产生的磁场相互抵消，此设计可减小加热带来的磁场。

加热盒上还设置热敏电阻PT100，热敏电阻与PID调节仪的输入端连接。通过热敏电阻的温度反馈，PID调节仪可以输出调节后的PID电平信号给反馈控制电路。当加热盒的温度过高或过低时，PID调节仪可以输出较低或较高的PID电平信号，使得加热电路输出更低或更高的加热信号。

本发明的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法，包括如下过程：

(1)正弦波振荡电路产生正弦波信号；

(2)当信号发生器产生的方波触发信号为+5V时，三极管截止，正弦波振荡电路产生的正弦波信号进入乘法器；当信号发生器产生的方波触发信号为-1V时，三极管导通，正弦波振荡电路产生的正弦波信号接地，输入乘法器的电压为0V，此时加热电路无信号输出，加热关断；

(3)热敏电阻随着加热盒的温度变化，将其自身阻值信号反馈给PID调节仪，PID调节仪产生PID电平信号输入乘法器；

(4)乘法器将正弦波振荡电路产生的正弦波信号与PID调节仪产生PID电平信号进行乘积运算，利用PID电平信号的电平变化调节输出信号的电压值；

(5)乘法器的输出信号经两个运算放大器二的放大后，给加热丝一和加热丝二加热，由于加热丝一和加热丝二的缠绕方向相反，两路电路参数完全相同，因此，加热丝一和加热丝二产生的磁场相互抵消。

通过调节方波触发信号的频率和占空比，使得加热电路的关断时间大于原子气室中碱金属原子的自旋弛豫时间，并且与计算机的采样时间相同。本发明实施例中，信号发生器产生的方波触发信号的占空比50％，频率0.5Hz，因此，加热电路的关断时间为1s，远大于原子气室中碱金属原子铷87的自旋弛豫时间20ms，满足灵敏度测量所需时间，在关断加热时间内无磁场条件下可以进行完整的傅里叶频谱分析。

采用本发明的加热系统对原子气室进行加热后，其温度曲线如图7所示，有触发信号输入的温度曲线相比无触发信号的温度曲线更为平稳，接入触发信号条件下测得一小时内温度起伏约为±0.015℃，因此，使用触发信号对系统控温精度有较明显的提升。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法，采用一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热系统，其特征在于，加热系统包括加热盒、缠绕于加热盒顶部和底部的加热丝一和加热丝二，以及与加热丝一和加热丝二连接的加热电路；所述加热丝一和加热丝二的缠绕方向相反；所述加热电路包括正弦波振荡电路、触发电路、反馈控制电路、功放输出电路和电源，所述正弦波振荡电路包括运算放大器一，所述运算放大器一的同相输入端接频率选择电路，反相输入端接滑动变阻器和二极管组；所述触发电路包括三极管，所述三极管的集电极接运算放大器一的输出端，发射极接地，基极接外部产生方波触发信号的信号发生器；所述反馈控制电路包括乘法器，所述乘法器的输入端分别接运算放大器一的输出端和PID调节仪的输出端；所述功放输出电路包括两个并联的运算放大器二，所述运算放大器二的同相输入端接乘法器的输出端，所述运算放大器二的输出端分别连接加热丝一和加热丝二；所述加热盒上还设置热敏电阻，所述热敏电阻与PID调节仪的输入端连接；

加热方法包括如下过程：

（1）正弦波振荡电路产生正弦波信号；

（2）当信号发生器产生的方波触发信号为+5V时，电极管截止，正弦波振荡电路产生的正弦波信号进入乘法器；当信号发生器产生的方波触发信号为-1V时，三极管导通，正弦波振荡电路产生的正弦波信号接地，输入乘法器的电压为0V，此时加热电路无信号输出，加热关断；

（3）热敏电阻随着加热盒的温度变化，将其自身阻值信号反馈给PID调节仪，PID调节仪产生PID电平信号输入乘法器；

（4）乘法器将正弦波振荡电路产生的正弦波信号与PID调节仪产生PID电平信号进行乘积运算，利用PID电平信号的电平变化调节输出信号的电压值；

（5）乘法器的输出信号经两个运算放大器二的放大后，给加热丝一和加热丝二加热，由于加热丝一和加热丝二的缠绕方向相反，两路电路参数完全相同，因此，加热丝一和加热丝二产生的磁场相互抵消。

2.根据权利要求1所述的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法，其特征在于，所述频率选择电路包括两个30kΩ的电阻R1、R2，和两个470pF的电容C1、C2，所述电阻R1和电容C1并联，所述电阻R2和电容C2串联。

3.根据权利要求1所述的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法，其特征在于，所述二极管组中的两个二极管D1和D2反向并联。

4.根据权利要求1所述的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法，其特征在于，所述正弦波振荡电路的输出频率为11kHz。

5.根据权利要求1所述的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法，其特征在于，所述信号发生器产生的方波触发信号的低电平为-1V，高电平为5V，频率调节范围0.5Hz-1kHz。

6.根据权利要求1所述的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法，其特征在于，所述运算放大器二的输出端放大倍数为5.6倍，最大输出功率为10W，加热速度大于8℃/min，控温精度±0.015℃，加热温度最高为150℃。

7.根据权利要求1所述的一种用于原子磁力计的可控触发无磁加热方法，其特征在于，通过调节方波触发信号的频率和占空比，使得加热电路的关断时间大于原子气室中碱金属原子的自旋弛豫时间，并且大于等于计算机的采样时间。

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