CN203054641U - 一种腔泡系统控温性能的评估装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种腔泡系统控温性能的评估装置，属于原子钟领域。装置包括：恒温箱；温控模块；用于当原子钟的预定工作环境温度为第一工作环境温度且腔泡系统的预定工作温度为预设值时，以及当原子钟的预定工作环境温度为第二工作环境温度且腔泡系统的预定工作温度维持预设值不变时，分别测量原子钟的第一实际工作环境温度和第二实际工作环境温度的第一测温模块，第一工作环境温度与第二工作环境温度不同；用于分别测量腔泡系统的第一实际工作温度和第二实际工作温度的第二测温模块；用于根据第一实际工作环境温度和第二实际工作环境温度、以及第一实际工作温度和第二实际工作温度，计算控温因子的主控模块。本装置测量腔泡系统控温因子。

Description

一种腔泡系统控温性能的评估装置

技术领域

本实用新型涉及原子钟领域，特别涉及一种腔泡系统控温性能的评估装置。 

背景技术

原子钟的腔泡系统是原子钟的重要组成部分，主要用于在微波探询信号的作用下，完成原子的共振跃迁。由于参与共振跃迁的原子封装在腔泡系统中，为了原子钟快速锁定稳定工作，要求腔泡系统能够尽快进入稳定工作状态。 

一般地，由于原子汽化后能够更好地与微波探询信号相互作用，且原子钟工作环境的温度变化将影响原子共振频率；因此，整个腔泡系统都应该恒温。在实际应用中，为了使腔泡系统工作环境的温度稳定，将为腔泡系统设置温控装置。该温控装置用于实时测量腔泡系统的实际温度，当腔泡系统的实际温度高于预定温度时，对腔泡系统进行降温；反之，当腔泡系统的实际温度低于预定温度时，对腔泡系统进行加热。 

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题： 

为了使原子钟能够长期稳定工作，原子钟整机包括内部的腔泡系统部件需放置在恒温环境中。由于原子钟整机的工作环境温度与腔泡系统的工作温度不一致，可能导致原子钟整机的恒温环境影响腔泡系统的工作温度，因此，腔泡系统的温控装置需精确调节腔泡系统的温度，以使腔泡系统的工作温度稳定。为了衡量腔泡系统的温控装置在恒温环境下的控温性能，以更好地设计腔泡系统的控温装置及原子钟整机，需测量腔泡系统的控温因子。 

实用新型内容

为了测量腔泡系统的控温因子，本实用新型实施例提供了一种腔泡系统控温性能的评估装置。所述技术方案如下： 

一种腔泡系统控温性能的评估装置，所述装置包括用于控制原子钟的工作环境温度的恒温箱、以及用于控制所述腔泡系统的工作温度的温控模块，所述装置还包括： 

用于当所述原子钟的预定工作环境温度为第一工作环境温度且所述腔泡系统的预定工作温度为预设值时，以及当所述原子钟的预定工作环境温度为第二工作环境温度且所述腔泡系 统的预定工作温度维持所述预设值不变时，分别测量所述原子钟的实际工作环境温度，并得到第一实际工作环境温度和第二实际工作环境温度的第一测温模块，所述第一工作环境温度与所述第二工作环境温度不同； 

用于当所述原子钟的预定工作环境温度为所述第一工作环境温度且所述腔泡系统的预定工作温度为所述预设值时，以及当所述原子钟的预定工作环境温度为所述第二工作环境温度且所述腔泡系统的预定工作温度维持所述预设值不变时，分别测量所述腔泡系统的实际工作温度，并得到第一实际工作温度和第二实际工作温度的第二测温模块；以及 

用于设置所述原子钟的预定工作环境温度和所述腔泡系统的预定工作温度，并根据测得的所述原子钟的所述第一实际工作环境温度和所述第二实际工作环境温度、以及所述腔泡系统的所述第一实际工作温度和所述第二实际工作温度，计算所述控温因子的主控模块； 

其中，所述恒温箱为可调温度的恒温箱，所述原子钟和所述第一测温模块设在所述恒温箱内；所述恒温箱、所述温控模块、所述第一测温模块和所述第二测温模块分别与所述主控模块连接。 

其中，所述恒温箱调节温度的精度大于0.1℃。 

其中，所述第二测温模块为热敏电阻；所述温控模块包括两个对称电阻、数字电位计、三极管、保护电阻、加热丝、第一电源和第二电源；其中，所述两个对称电阻的一端相连，其中一个所述对称电阻的另一端与所述数字电位计的一端连接，另一个所述对称电阻的另一端与所述第二测温模块的一端连接；所述数字电位计的另一端与所述第二测温模块的另一端连接；所述两个对称电阻的连接点接地；所述数字电位计与所述第二测温模块的连接点与所述第一电源连接；所述加热丝缠绕在所述腔泡系统中微波腔的外壁上；所述三极管的基极连在所述第二测温模块和与所述第二测温模块相邻的所述对称电阻之间；所述三极管的集电极、所述加热丝的一端和所述保护电阻的一端相互连接；所述数字电位计和与所述数字电位计相邻的所述对称电阻之间的连接点、以及所述加热丝的另一端相互连接；所述三极管的发射极接地；所述保护电阻的另一端与所述第二电源连接。 

其中，所述加热丝为拧麻花密绕的双层漆包线。 

其中，所述第一测温模块为热敏电阻，所述热敏电阻设在所述原子钟的壳体上。 

其中，所述装置还包括:与所述主控模块连接的用于显示计算出的所述控温因子的显示模块。 

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过恒温箱控制原子钟的工作环境温度；温控模块控制腔泡系统的工作温度；第一测温模块测量原子钟的实际工作环境温度， 第二测温模块测量腔泡系统的实际工作温度；主控模块设置原子钟的预定工作环境温度和腔泡系统的预定工作温度，并根据原子钟的实际工作环境温度和腔泡系统的实际工作温度计算控温因子；腔泡系统的控温因子能够衡量腔泡系统的温控装置在恒温环境下的控温性能，进而更好的设计温控装置及原子钟整机。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是本实用新型实施例1中提供的一种腔泡系统控温性能的评估装置的结构示意图； 

图2是本实用新型实施例2中提供的一种腔泡系统控温性能的评估装置的结构示意图； 

图3是本实用新型实施例2中提供的控温模块的结构示意图； 

图4是本实用新型实施例2中提供的加热丝的结构示意图； 

图5是本实用新型实施例2中提供的加热丝通电后电流的流向的示意图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。 

为便于对本实用新型实施例描述的技术方案的理解，首先对控温因子进行介绍。一般地，控温因子指两个相对变化温度的比例关系。在原子钟中，当原子钟的工作环境温度变化时，会引起腔泡系统的温度变化。腔泡系统控温因子描述的便是工作环境温度和腔泡系统自身工作温度两者相对变化量之间的比例关系。例如，假设工作环境温度由26度下降到25度，引起的腔泡系统的工作温度由70.05度下降到70度，则腔泡系统的控温因子为（26-25）/（70.05-70）=20。容易知道，腔泡系统的控温因子能够反映腔泡系统的温控装置在原子钟实际工作时的控温效果。具体地，控温因子越高，则当环境工作温度变化时，一方面引起的腔泡系统温度变化越小，另一方面正是因为腔泡系统温度变化越小，则腔泡系统对原子钟整机输出信号的频率稳定度影响越小。因此，测量腔泡系统控温因子是非常必要的。 

实施例1 

参见图1，本实用新型实施例提供了一种腔泡系统控温性能的评估装置，该装置包括用于控制原子钟a的工作环境温度的恒温箱101和用于控制腔泡系统b的工作温度的温控模块102；该装置还包括： 

用于当原子钟a的预定工作环境温度为第一工作环境温度且腔泡系统b的预定工作温度为预设值时，以及当原子钟a的预定工作环境温度为第二工作环境温度且腔泡系统b的预定工作温度维持该预设值不变时，分别测量原子钟a的实际工作环境温度，并得到第一实际工作环境温度和第二实际工作环境温度的第一测温模块103；用于当原子钟a的预定工作环境温度为第一工作环境温度且腔泡系统b的预定工作温度为预设值时，以及当原子钟a的预定工作环境温度为第二工作环境温度且腔泡系统b的预定工作温度维持该预设值不变时，分别测量腔泡系统b的实际工作温度，并得到第一实际工作温度和第二实际工作温度的第二测温模块104；以及用于设置原子钟a的预定工作环境温度和腔泡系统b的预定工作温度，并根据测得的原子钟a的第一实际工作环境温度和第二实际工作环境温度、以及腔泡系统b的第一实际工作温度和第二实际工作温度，计算控温因子的主控模块105。其中，第一工作环境温度与第二工作环境温度不同。 

其中，恒温箱101为可调温度的恒温箱，原子钟a和第一测温模块103设在该恒温箱101内；恒温箱101、温控模块102、第一测温模块103和第二测温模块104分别与主控模块105连接。 

本实用新型实施例提供的上述装置带来的有益效果是：通过恒温箱控制原子钟的工作环境温度；温控模块控制腔泡系统的工作温度；第一测温模块测量原子钟的实际工作环境温度，第二测温模块测量腔泡系统的实际工作温度；主控模块设置原子钟的预定工作环境温度和腔泡系统的预定工作温度，并根据原子钟的实际工作环境温度和腔泡系统的实际工作温度计算控温因子；腔泡系统的控温因子能够衡量腔泡系统的温控装置在恒温环境下的控温性能，进而更好的设计温控装置及原子钟整机。 

实施例2 

参见图2，本实用新型实施例提供了一种腔泡系统控温性能的评估装置，该装置包括用于控制原子钟a的工作环境温度的恒温箱201和用于控制腔泡系统b的工作温度的温控模块202；该装置还包括： 

用于当原子钟a的预定工作环境温度为第一工作环境温度且腔泡系统b的预定工作温度为预设值时，以及当原子钟a的预定工作环境温度为第二工作环境温度且腔泡系统b的预定 工作温度维持该预设值不变时，分别测量原子钟a的实际工作环境温度，并得到第一实际工作环境温度和第二实际工作环境温度的第一测温模块203；用于当原子钟a的预定工作环境温度为第一工作环境温度且腔泡系统b的预定工作温度为预设值时，以及当原子钟a的预定工作环境温度为第二工作环境温度且腔泡系统b的预定工作温度维持该预设值不变时，分别测量腔泡系统b的实际工作温度，并得到第一实际工作温度和第二实际工作温度的第二测温模块204；以及用于设置原子钟a的预定工作环境温度和腔泡系统b的预定工作温度，并根据测得的原子钟a的第一实际工作环境温度和第二实际工作环境温度、以及腔泡系统b的第一实际工作温度和第二实际工作温度，计算控温因子的主控模块205。其中，第一工作环境温度与第二工作环境温度不同。 

其中，恒温箱201为可调温度的恒温箱，原子钟a和第一测温模块203设在该恒温箱201内；恒温箱201、温控模块202、第一测温模块203和第二测温模块204分别与主控模块205连接。 

具体地，原子钟a包括内部的腔泡系统b及除腔泡系统b外的其他组成部件，置于恒温箱201构成的恒温环境中。腔泡系统b包括微波腔c和置于微波腔c内的集成滤光吸收泡。原子钟a和腔泡系统b与传统原子钟、腔泡系统相同，在此不再详述。 

进一步地，该恒温箱201调节温度的精度大于0.1℃。恒温箱201的精度越高，则腔泡系统控温因子的测量误差就越小。 

一方面，主控模块205通过命令字设置恒温箱201的预定恒温温度，即原子钟a的预定工作环境温度。值得说明的是，恒温箱201的预定恒温温度应考虑原子钟的实际应用环境。 

其中，第一测温模块203设在恒温箱201的内表面，能够实时测量恒温箱201内实际恒温温度，即原子钟a的实际工作环境温度，并将测量的温度值发送至主控模块205。具体地，第一测温模块203为热敏电阻，该热敏电阻设在原子钟a的壳体上。 

其中，第二测温模块204为负温度系数的热敏电阻（即温度越高，阻值越小）。第二测温模块204贴在微波腔c的外壁上，能够实时测量腔泡系统b的实际工作温度，并将测量的温度值发送至主控模块205。 

另一方面，主控模块205通过命令字将温控模块202需控制的腔泡系统b的预定工作温度设置为预设值。其中，参见图3，该温控模块202包括两个对称电阻2021、数字电位计2022、三极管2023、保护电阻2024、加热丝2025、第一电源Ucc和第二电源Ucc’。其中，两个对称电阻2021的一端相连，其中一个对称电阻2021的另一端与数字电位计2022的一端连接，另一个对称电阻2021的另一端与第二测温模块204的一端连接；数字电位计2022的另一端 与第二测温模块204的另一端连接；两个对称电阻2021的连接点接GND(Ground，地)；数字电位计2022与第二测温模块204的连接点与第一电源Ucc连接；加热丝2025缠绕在腔泡系统b中微波腔c的外壁上；三极管2023的基极连在第二测温模块204和与第二测温模块204相邻的对称电阻2021之间A；三极管2023的集电极、加热丝2025的一端和保护电阻2024的一端相互连接；数字电位计2022和与数字电位计2022相邻的对称电阻2021之间的连接点B、以及加热丝2025的另一端相互连接；三极管2023的发射极接GND；保护电阻2024的另一端与第二电源Ucc’连接。 

具体地，对称电阻2021、数字电位计2022和第二测温模块204构成惠斯通电桥。值得说明的是，两个对称电阻2021的选型应满足同一厂商同一批次，应保证两个对称电阻2021尽可能一致，尤其是两个对称电阻2021的温度系数。此外，还应保证对称电阻2021、数字电位计2022和第二测温模块204的阻值接近。 

具体地，数字电位计2022的具体阻值即为预设值，反映了腔泡系统b的预定工作温度。主控模块205通过命令字设置温控模块202需控制的腔泡系统b的预定工作温度时，便是通过命令字对数字电位计2022进行赋值。 

具体地，当第二测温模块204的阻值与数字电位计2022的阻值不相等时，在连接点A、B处会形成电动势梯度，假设该电动势梯度为U_AB。 

具体地，三极管2023起开关作用，由连接点A、B处形成的电动势梯度U_AB决定三极管2023的导通与否。 

其中，加热丝2025绕于腔泡系统b中微波腔c的外壁上。具体地，加热丝2025采用漆包线绕制而成。优选地，参见图4，加热丝2025为拧麻花密绕的双层漆包线。当加热丝2025为拧麻花密绕的双层漆包线时，参见图5，在加热丝2025上任一点X，可看成有大小相同的正反两路电流流过。根据通电导线右手螺旋定则可知，在此处X产生相反的两上磁场，而总磁场强度B=0。因此，拧麻花密绕的双层漆包线可以减小磁对腔泡系统的影响。 

具体地，加热丝2025用以对腔泡系统b实施加热。其加热机制由三极管2023决定。具体地，当第二测温模块204（负温度系数的热敏电阻）的阻值小于数字电位计2022的阻值时，U_AB为负，三极管2023处于截止状态，加热丝2025对腔泡系统b进行加热处理；当第二测温模块204的阻值大于数字电位计2022的阻值时，U_AB为正，三极管2023处于导通状态，加热丝2025两端的电势梯度为0，加热丝2025不再对腔泡系统b进行加热。由于一般情况下腔泡系统b工作温度远远大于外界环境温度，故此时腔泡系统b将对外界放热，相当于腔泡系统b冷却。最终使第二测温模块204的阻值等于数字电位计2022的阻值，整个腔泡系统 b处于动态平衡。 

其中，主控模块205根据第一测温模块203测量的原子钟a的实际工作环境温度和第二测温模块204测量的腔泡系统b的实际工作温度，能够计算出相应的腔泡系统b的温控温因子。 

具体地，首先，假设主控模块205设置了原子钟a的预定工作环境温度为第一工作环境温度，并设置了腔泡系统b的预定工作温度预定工作温度为预设值。这时，第一测温模块203测出的原子钟a的实际工作环境温度为第一实际工作环境温度T₁'；第二测温模块204测出的腔泡系统b的实际工作温度为第一实际工作温度为t₁'。然后，主控模块205不改变腔泡系统b的预定工作温度，改变原子钟a的预定工作环境温度为第二工作环境温度。这时，第一测温模块203测出的原子钟a的实际工作环境温度为第二实际温度T₂'；第二测温模块204测出的腔泡系统b的实际工作温度为第二实际温度t₂'。则，控温因子为， 

$\left|\frac{T_2^{\′}-T_1^{\′}}{t_2^{\′}-t_1^{\′}}\right|.$

进一步地，该装置还包括与主控模块205连接的用于显示计算出的控温因子的显示模块206。 

参见步骤A～D，下面简单介绍利用本实用新型实施例2提供的测量腔泡系统控温因子的装置测量控温因子的工作过程： 

步骤A：主控模块205启动恒温箱201和温控模块202，使原子钟a整机置于恒温的工作环境、腔泡系统b的工作温度稳定。 

具体地，一方面，恒温箱201被启动后，将根据主控模块205的温度设定控制字进行温度恒定工作，并使置于恒温箱201内的原子钟a的工作环境温度稳定。假设主控模块205设置的恒温箱201的预定恒温温度为T₁。另一方面，主控模块205通过设定温控模块202中数字电位计2022的阻值来间接设定腔泡系统b的预定工作温度。 

步骤B：第一测温模块203测量原子钟a的实际工作环境温度，并将测量出的温度值发送至主控模块205。第二测温模块204测量腔泡系统b的实际工作温度，并将测量出的温度值发送至主控模块205。 

具体地，贴于恒温箱201内部的第一测温模块203的阻值将随着恒温箱201温度的变化而发生变化，此电阻值反映了原子钟a的实际工作环境温度，并将测量信息传递给主控模块205。假设第一测温模块203测出的原子钟a的实际工作环境温度为T₁'。 

具体地，在惠斯通电桥作用下，一旦U_AB为负，则使能加热丝2025工作，直至腔泡系统 b的工作温度恒定在预设值t，此时，第二测温模块204的阻值应与数字电位计2022的阻值接近，并将此测量信息传递至处理器。假设第二测温模块204测出的腔泡系统b的实际工作温度为t₁'。同时，主控模块205记录T₁'和t₁'。 

步骤C：主控模块205改变恒温箱201的预定恒温温度，并测量和记录改变前后原子钟a的实际工作环境温度变化差、以及改变前后腔泡系统b的实际工作温度变化差。 

同步骤A，维持腔泡系统b的预定工作温度为预设值t，主控模块205通过温度设定控制字改变恒温箱201的恒温温度为T₂。相应的，可以得到原子钟a的实际工作环境温度，假设该原子钟a的实际工作环境温度为T₂'。那么，改变前后原子钟a的实际工作环境温度变化差为，T₁'-T₂'。此时，假设测量得到腔泡系统b的实际工作温度为t₂'。那么，改变前后腔泡系统b的实际工作温度变化差为，t₁'-t₂'。 

步骤D：将原子钟a的实际工作环境温度变化差除以该腔泡系统b的实际工作温度变化差，并获取除运算的绝对值，得到腔泡系统b的控温因子。 

具体地，腔泡系统b的控温因子的计算公式为： 

$\left|\frac{T_2^{\′}-T_1^{\′}}{t_2^{\′}-t_1^{\′}}\right|$

显然，控温因子的值越大越好，它反映了腔泡系统b的控温模块202的控温能力。 

本实用新型实施例提供的上述装置带来的有益效果是：通过恒温箱控制原子钟的工作环境温度；温控模块控制腔泡系统的工作温度；第一测温模块测量原子钟的实际工作环境温度，第二测温模块测量腔泡系统的实际工作温度；主控模块设置原子钟的预定工作环境温度和腔泡系统的预定工作温度，并根据原子钟的实际工作环境温度和腔泡系统的实际工作温度计算控温因子；腔泡系统的控温因子能够衡量腔泡系统的温控装置在恒温环境下的控温性能，进而更好的设计温控装置及原子钟整机。 

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种腔泡系统控温性能的评估装置，所述装置包括用于控制原子钟的工作环境温度的恒温箱、以及用于控制所述腔泡系统的工作温度的温控模块，其特征在于，所述装置还包括： 

用于当所述原子钟的预定工作环境温度为第一工作环境温度且所述腔泡系统的预定工作温度为预设值时，以及当所述原子钟的预定工作环境温度为第二工作环境温度且所述腔泡系统的预定工作温度维持所述预设值不变时，分别测量所述原子钟的实际工作环境温度，并得到第一实际工作环境温度和第二实际工作环境温度的第一测温模块，所述第一工作环境温度与所述第二工作环境温度不同； 

用于当所述原子钟的预定工作环境温度为所述第一工作环境温度且所述腔泡系统的预定工作温度为所述预设值时，以及当所述原子钟的预定工作环境温度为所述第二工作环境温度且所述腔泡系统的预定工作温度维持所述预设值不变时，分别测量所述腔泡系统的实际工作温度，并得到第一实际工作温度和第二实际工作温度的第二测温模块；以及 

用于设置所述原子钟的预定工作环境温度和所述腔泡系统的预定工作温度，并根据测得的所述原子钟的所述第一实际工作环境温度和所述第二实际工作环境温度、以及所述腔泡系统的所述第一实际工作温度和所述第二实际工作温度，计算所述控温因子的主控模块； 

其中，所述恒温箱为可调温度的恒温箱，所述原子钟和所述第一测温模块设在所述恒温箱内；所述恒温箱、所述温控模块、所述第一测温模块和所述第二测温模块分别与所述主控模块连接。 

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述恒温箱调节温度的精度大于0.1℃。 

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二测温模块为热敏电阻；所述温控模块包括两个对称电阻、数字电位计、三极管、保护电阻、加热丝、第一电源和第二电源；其中，所述两个对称电阻的一端相连，其中一个所述对称电阻的另一端与所述数字电位计的一端连接，另一个所述对称电阻的另一端与所述第二测温模块的一端连接；所述数字电位计的另一端与所述第二测温模块的另一端连接；所述两个对称电阻的连接点接地；所述数字电位计与所述第二测温模块的连接点与所述第一电源连接；所述加热丝缠绕在所述腔泡系统中微波腔的外壁上；所述三极管的基极连在所述第二测温模块和与所述第二测温模块相邻的所述对称电阻之间；所述三极管的集电极、所述加热丝的一端和所述保护电阻的一端相互连接；所述数字电位计和与所述数字电位计相邻的所述对称电阻之间的连接点、以及所述加热丝的另一端相互连接；所述三极管的发射极接地；所述保护电阻的另一端与所述第二电源连接。 

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述加热丝为拧麻花密绕的双层漆包线。 

5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述第一测温模块为热敏电阻，所述热敏电阻设在所述原子钟的壳体上。 

6.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括:与所述主控模块连接的用于显示计算出的所述控温因子的显示模块。 

Images