CN203224794U - 一种用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置，其由CPLD构成的正弦信号发生器、压控增益放大器、加热功放电路、数/模转换电路、单片机、加热器及温度传感器组成，所述正弦信号激励压控增益放大器，压控增益放大器的输出与加热功放的输入相连，加热功放电路驱动环绕在铯原子吸收室上的双线并绕的加热线圈，单片机采样温度传感器检测到的吸收室加热器温度，通过D/A控制压控增益放大器的放大量，进而调节吸收室发热量，使铯原子吸收室温度保持恒定并处于恒温气化状态。本实用新型由于加热器双线并绕且由正弦波激励，控温装置避免磁效应的产生，提高了铯光泵弱磁检测系统的精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及控温设备，具体涉及一种用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置。
背景技术
铯光泵弱磁检测系统是一种以铯元素原子的能级结构为基础，通过光抽运效应和光磁共振原理研制的微弱磁场测量仪器。这种弱磁检测仪器在国内尚无成熟产品还没有成熟产品，目前尚处于研发阶段。这种仪器的吸收泡中的铯样品需要在45摄氏度左右才能变成气化状态，为了能够在吸收室形成光泵效应，需要使吸收室的铯元素处于铯蒸汽状态，因为铯元素在43℃左右可以变成蒸汽，故通过给吸收室加热至45—55℃之间，才能够有更好的光抽运和光磁共振效果。此外考虑到铯光泵磁力仪吸收室l℃的变化会产生lO pT的磁共振偏移，故需观测温度随时间变化的特性关系。因此，探讨铯吸收室的加热特性对于铯光泵磁力仪的研究具有重要意义。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置，以提高铯光泵弱磁检测系统的精度。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：由CPLD构成的正弦信号发生器、压控增益放大器、加热功放电路、数/模转换电路、单片机、加热器及温度传感器组成，所述正弦信号激励压控增益放大器，压控增益放大器的输出与加热功放的输入相连，加热功放电路驱动环绕在铯原子吸收室上的双线并绕的加热线圈，单片机采样温度传感器检测到的吸收室加热器温度，通过D/A控制压控增益放大器的放大量，进而调节吸收室发热量，使铯原子吸收室温度保持恒定并处于恒温气化状态。
所述正弦信号发生器可以由CPLD设计的DDS实现，利用CPLD设计高速数据缓冲并通过外接高精度R-2R网络，将正弦查询表的频率数据变換成正弦波输出，正弦加热信号源杜绝了直流加热的附加磁效应。
所述加热器可以采用由无磁性加热材料按照双线并绕的方式构成，以抵消加热正弦波失真所产生的直流分量在相邻加热导电线所产生的附加磁场。
所述温度传感器可以采用数字温度传感器，无需模/数转换直接送给单片机处理，简化了控温装置。采用PID算法实现温度的闭环控制，提高了温控精度。
本实用新型与现有技术相比，主要有以下的优点：
将本实用新型无磁效应控温装置用于已研制的铯光泵弱磁检测实验系统，温度设置为50℃，光磁共振信号明显增强，信噪比提高。当环境温度变化 
℃时，吸收室温度计读数变化
℃。将控温装置置于铯光泵弱磁检测实验系统附近，无明显磁效应现象产生。
附图说明
图1是用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置总体框图。
图2是温度控制与加热功放电路简图。
图3温度控制程序流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型提供的用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置，其结构如图1所示，主要由CPLD构成的正弦信号发生器、压控增益放大器、加热功放、数/模转换电路、单片机控制、双线并绕的加热线圈及温度传感器等部分组成。正弦信号激励压控增益放大器，增益放大器的输出与加热功放相连，功放电路驱动环绕在铯原子吸收室上的双线并绕的加热线圈，单片机采样温度传感器检测到的吸收室加热器温度，通过D/A控制压控增益放大器的放大量，进而调节吸收室发热量，使铯原子吸收室温度保持恒定并处于恒温气化状态。
所述温度控制与加热功放电路如图2所示，由压控增益放大器和加热功放电路组成。其中：压控增益放大器由集成电路VCA810组成，加热功放电路由集成电路TDA2030组成，由CPLD构成的正弦信号发生器的输出与压控增益放大器的输入相连，压控增益放大器的输出与加热功放电路的输入与相连。
所述温度控制与加热功放电路的工作原理是：实现正弦信号的幅度控制。DDS送来的正弦信号激励压控增益放大器，压控增益放大器的放大倍数受数模转换器的控制，即由单片机送来的经过数模转换得到的控制电压去控制程控增益放大器的放大倍数，使输出的正弦信号幅值根据单片机计算的控制量来变化，再经过功率放大电路后，驱动加热线圈发热。加热线圈的发热量受单片机来控制，而单片机送至数模转换器的数据受温度传感器的控制，闭环构成一温控负反馈系统，最终使铯原子吸收室温度保持恒定。
正弦信号是从基于CPLD的DDS频率合成技术获得，基于CPLD所设计的数据寄存器，具有串、并行数据输入寄存的功能；所设计的相位累加器及正弦波形查询表，将并行的相位累加器输出值的高位生成对应的二进制数字正弦量化幅值存在于正弦波形存贮器中。再利用CPLD设计D/A，将正弦波形查询表的频率数据变換成正弦信号输出。
驱动加热线圈工作的不是直流而是正弦交流信号，而传统的加热方式则采用的是用直流信号驱动线圈发热的方式，根据安培定律，这样会产生恒定磁场，干扰磁场的测量。这种由正弦信号发生器产生的经过滤波处理的正弦交流信号在使线圈发热时，不会产生附加的磁场干扰。
加热线圈使用的是采用特殊加热材料按照双线并绕的方式绕制成的线圈，这种线圈在通电的时候，相邻导线之间产生的磁场会被相互抵消，从而进一步降低线圈产生的附加磁场。而传统的加热线圈并没有进行这种特殊处理，所以在发热时会产生比较严重的磁场干扰。
本实用新型为了能够精确快速地实现温度控制，采用了一种基于PID算法的控温程序设计（图3）。在系统上电之后，单片机复位，初始化控制参数kp，ki，kd，将存放当前温度和前一时刻温度的变量值设为0，然后通过温度采样系统采集当前加热线圈内的温度；得到本次温度采样值v(k)，然后与预先设定的要达到的温度值相比较，通过PID算法，得到控制增量u（k），然后将该增量转化为控制量，经过数模转换，得到控制电压去调节程控增益的放大器的放大倍数，进而控制线圈的发热量的大小。当送完控制数据后，马上更新存放温度的变量值，为下一次采样做好准备，当采样时间到时，又开始采样。这样不经过断调整将使温度最终控制在设定的温度值。
本实用新型提供的用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置，其工作过程是：通过功放电路驱动环绕在铯原子吸收室上的加热线圈，单片机采样温度传感器检测到的吸收室加热器温度，通过单片机基于PID算法的控温程序，由D/A控制压控增益放大器的放大量，进而调节吸收室发热量，使铯原子吸收室温度保持恒定并处于恒温气化状态。
Claims (3)
1.一种用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置，其特征是由CPLD构成的正弦信号发生器、压控增益放大器、加热功放电路、数/模转换电路、单片机、加热器及温度传感器组成，所述正弦信号激励压控增益放大器，压控增益放大器的输出与加热功放的输入相连，加热功放电路驱动环绕在铯原子吸收室上的双线并绕的加热线圈，单片机采样温度传感器检测到的吸收室加热器温度，通过D/A控制压控增益放大器的放大量，进而调节吸收室发热量，使铯原子吸收室温度保持恒定并处于恒温气化状态。
2.根据权利要求1所述的用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置，其特征是所述加热器采用由无磁性加热材料按照双线并绕的方式构成。
3.根据权利要求1所述的用于铯光泵弱磁检测系统的无磁效应控温装置，其特征是所述温度传感器采用数字温度传感器。
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