CN113670466B - 一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法 - Google Patents

一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113670466B
CN113670466B CN202110894518.4A CN202110894518A CN113670466B CN 113670466 B CN113670466 B CN 113670466B CN 202110894518 A CN202110894518 A CN 202110894518A CN 113670466 B CN113670466 B CN 113670466B
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
alkali metal
light
air chamber
gas chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110894518.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113670466A (zh
Inventor
周新秀
冯文平
崔培玲
毛琨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202110894518.4A priority Critical patent/CN113670466B/zh
Publication of CN113670466A publication Critical patent/CN113670466A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113670466B publication Critical patent/CN113670466B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/166—Mechanical, construction or arrangement details of inertial navigation systems
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，其温控步骤为：首先将充有N2、4He和碱金属原子Rb的碱金属气室加热至某一待测温度；测量加热后碱金属气室内铷原子D1线吸收光谱；改变加热温度获得多组吸收曲线并拟合计算温度值；拟合光学深度峰值和温度的函数关系，以光学深度峰值敏感温度，并基于此实现温度实时控制，其中光深采集过程利用分光比为50％的分光棱镜将入射光分成两束，一束入射气室，一束作为参考光，出射光强除以参考光强计算光学深度。本发明解决了传统控温方式无法控制气室内温度的问题，且避免了核磁共振惯性传感器铂电阻测温带来的磁场干扰对陀螺信号的影响，对提高惯性传感器指标有重要意义。

Description

一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法
技术领域
本发明涉及一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，属于量子传感和精密仪器领域。
背景技术
惯性传感器是惯性导航***的核心器件，核磁共振惯性传感器作为惯性传感器发展的新方向，有着广阔前景，而碱金属气室是核磁共振惯性传感器的敏感核心，其气室内部的温度对原子的极化率有着直接影响，直接影响惯性传感器输出信号。因此碱金属气室的内部精密温控具有重要意义。
目前碱金属气室的温度控制是基于铂电阻测量气室外壁的单点温度，文献[1]和文献[2]分别采用基于铂电阻四线制测温和铂电阻交流电桥测温的方式实现了气室的温度控制，基于铂电阻测温的温控实现了mk量级温控稳定度，但这种测温方式只能测量和控制碱金属气室外壁的单点温度，无法反应气室内的真实温度。文献[3]给出了一种基于压力展宽法的碱金属气室内温度测量方法，并将该方法应用于碱金属气室内温度梯度的测量，这种测温方法耗时久，无法基于此方法实现温度的实时控制。另外常规的光吸收测温方式需要扫描光谱然后解算温度，无法实时控制温度。
[1]郝杰鹏,周斌权.碱金属气室无磁电加热技术研究与***设计[J].计算机测量与控制,2017,25(05):180-183
[2]符满华.基于交流电桥测温的无磁测温***实验研究[D].北京:北京航空航天大学,2020
[3]房建成,王许琳,池浩湉,全伟.一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法[P].北京：CN107167437B,2019-07-26.
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，解决了传统铂电阻测温无法测量气室内温度以及常规光吸收测温方法无法实现温度控制的问题，实现了碱金属气室内温度的实时测量与控制。
本发明的技术解决方案为：一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，该方法适用于核磁共振惯性传感器的碱金属气室，所述步骤如下：
步骤一、首先基于铂电阻温度传感器测量气室外壁温度，将核磁共振惯性传感器的碱金属气室加热至某待测温度点；
步骤二、设计光路，选择波长调谐范围在铷原子D1线附近的DFB激光器作为检测激光器，入射光经过分光比为50％的分光棱镜分为两束，一束光I1入射步骤一中加热后的碱金属气室，另一束光I2为参考光，测量不同频率v的透过光
Figure GDA0003755578760000025
光强和参考光I2光强，并计算光学深度OD，得到关于频率v和光学深度OD的吸收曲线：
步骤三、利用洛伦兹线型函数拟合关于光学深度OD与入射光频率v的吸收曲线，通过拟合得到压力展宽并计算碱金属原子数密度，然后根据碱金属原子数密度和气室内温度的关系得到气室内温度；
步骤四、改变加热温度重复上述三个步骤，获得不少于六条不同温度下的吸收曲线并计算温度，拟合关于光学深度峰值ODmax和温度的函数曲线；
步骤五、以光学深度峰值ODmax作为气室内温度的敏感信号，进行温度测量，结合PID控制，实现基于光吸收测温的碱金属气室温控。
所述步骤二中，光学深度OD的计算公式如下：
Figure GDA0003755578760000021
其中v为入射光频率，
Figure GDA0003755578760000022
为透过光强，I2为参考光强。
所述步骤三中，洛伦兹线型函数可表示为：
Figure GDA0003755578760000023
式中OD为光学深度,v为入射光频率，v0为铷原子的中心频率，Γ为拟合曲线的压力展宽，即洛伦兹曲线的半高宽，k、v0和Γ都是需要拟合的参数。
所述步骤三中，计算碱金属原子数密度的公式如下：
Figure GDA0003755578760000024
n为气室内温度为T时碱金属原子数密度，ODmax为吸收曲线光学深度峰值，c为光速，re为电子电磁半径，f为振子线强度，此处取值
Figure GDA0003755578760000026
l为光程，Γ为拟合得到的压力展宽，c,re,f,l皆为常量；
碱金属原子(铷)数密度和气室内温度的关系符合饱和蒸气压公式：
Figure GDA0003755578760000031
所述步骤2中，设计的光路如图2所示，包括：DFB激光器、分光棱镜(PBS)、光纤耦合器、波长计、准直透镜、半波片(HWP)、碱金属气室、光电探测器；DFB激光器出射的激光首先经半波片和分光棱镜分束，一部分光束经光纤耦合器进入波长计检测波长，另一部分进入主光路经半波片和准直进入碱金属气室，通过调节半波片即可调节分光比，光强通过光电探测器采集。
本发明的原理在于：根据拟合吸收曲线和饱和蒸气压公式计算得到气室温度，拟合函数采用洛伦兹线型的原因是碱金属气室一般所充气体的压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽。通过拟合计算得到碱金属原子数密度和温度，此测温过程耗时久，因此通过扫描不同温度的吸收曲线，直接建立吸收曲线中光学深度峰值和温度的函数关系，以光学深度峰值信号敏感温度，可实现温度的实时测量，并基于此实现温度的实时控制。
本发明相比于一般的碱金属气室温控方法的优点在于：相较于一般的铂电阻测控，本发明是对气室内部温度的测量与控制，能准确反应气室内碱金属原子数密度，并保证碱金属原子的高密度和密度稳定性。
附图说明
图1为本发明的温控方法流程图；
图2为本发明的基于光吸收测温的碱金属气室温控***组成框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：
(1)首先将充有N2、4He、129Xe和碱金属原子的碱金属气室加热至某一待测温度(充入的N2、4He在百torr量级)，稳定加热温度至少30分钟。
(2)用波长可调谐范围在铷原子D1线附近的DFB激光器，产生光强和波长稳定的扫描激光，其中激光功率稳定在±0.005mw。入射光经半波片HWP和偏振分光棱镜PBS1分为两束，一束I0进入光纤耦合器连接波长计记录波长信息，另一路I作为主光路经准直整形后进入分光比为1:1的分光棱镜分为两束，其中一束进入碱金属气室光强记为I1，透过气室后光强记为
Figure GDA0003755578760000032
经光电探测器PD1采集。另一束透过参考气室后由PD2采集，记为I2。参考气室内没有碱金属原子，不吸收入射光；光电探测器采集的信号经前置放大器后进入DAQ数据采集板卡由上位机处理。加热电路部分采用高频电加热方式，即使用高频电流经过功率放大后激励加热膜的电热丝。碱金属气室和烤箱置于惯性传感器的磁屏蔽桶内。
(3)在铷原子D1线附近扫频，为保证测量准确性，在铷原子D1线中心频率(794.98nm)附近设置步距为0.002nm，在其他位置步距0.005nm；通过调节激光器的电流控制器控制波长。将光电探测器输出信号
Figure GDA0003755578760000041
和I2分别经前置放大和数据采集板卡进入上位机计算光深。光深计算公式为：
Figure GDA0003755578760000042
根据洛伦兹函数拟合吸收曲线，即坐标轴横坐标为激光频率，纵坐标为光学深度，根据拟合得到的压力展宽，计算碱金属原子数密度，根据原子数密度和温度的关系公式得到温度。其中洛伦兹拟合函数可表示为：
Figure GDA0003755578760000043
计算碱金属原子数密度采用式：
Figure GDA0003755578760000044
n为气室内温度T时碱金属原子密度，ODmax为步骤三拟合吸收峰光学深度，c为光速，re为电子的电磁半径，f为振子线强度，此处取值
Figure GDA0003755578760000045
l为光程。
碱金属原子(铷)数密度和气室内温度的关系符合饱和蒸气压公式：
Figure GDA0003755578760000046
n为气室内温度T时碱金属原子(铷)数密度。
(4)改变加热温度重复上述三个步骤，获得不少于六条不同温度下的吸收曲线并计算温度；拟合关于光学深度峰值ODmax和温度的函数曲线，拟合曲线函数为指数函数；
(5)以光学深度峰值ODmax作为气室内温度的敏感信号，进行温度测量，结合PID控制，实现基于光吸收测温的碱金属气室温控。
如图2所示，基于光吸收测温的碱金属气室温控***由DFB激光器、半波片HWP、偏振分光棱镜PBS、光纤耦合器、波长计、准直整形透镜、反射镜、碱金属气室及加热烤箱、参考气室、磁屏蔽筒、光电探测器PD、前置放大电路、DAQ采集板卡、上位机和加热电路等组成。DFB激光器产生入射光源信号，中心波长794.98nm，通过调节激光器的驱动电流可调节波长。波长计用以监测光源扫描波长，调节半波片HWP可以改变PBS的分光比，从而调节入射光光强的大小。碱金属气室置于加热烤箱内，烤箱外是核磁共振惯性传感器的磁屏蔽桶。设置参考气室的目的是抑制因光强波动引起的测量不准确。光强电流信号经前置放大器转变为电压信号，PD1和PD2的信号经前置放大器后由数据采集板卡采集，经上位机运算处理后计算得到温度信息，上位机实现PID控制，通过加热电路对碱金属气室加热，加热电路和加热膜采用现有的高频电加热方式。
本发明未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，适用于核磁共振惯性传感器的碱金属气室，其特征在于：步骤如下：
步骤一、首先基于铂电阻温度传感器测量气室外壁温度，将核磁共振惯性传感器的碱金属气室加热至某待测温度点；
步骤二、设计光路，选择波长调谐范围在铷原子D1线附近的DFB激光器作为检测激光器，入射光经过分光比为50％的分光棱镜分为两束，一束光I1入射步骤一中加热后的碱金属气室，另一束光I2为参考光，测量不同频率v的透过光
Figure FDA0003755578750000011
光强和参考光I2光强，并计算光学深度OD，得到关于频率v和光学深度OD的吸收曲线：
步骤三、利用洛伦兹线型函数拟合关于光学深度OD与入射光频率v的吸收曲线，通过拟合得到压力展宽并计算碱金属原子数密度，然后根据碱金属原子数密度和温度的关系得到气室内温度；
步骤四、改变加热温度重复上述三个步骤，获得不少于六条不同温度下的吸收曲线并计算温度，拟合关于光学深度峰值ODmax和温度的函数曲线；
步骤五、以光学深度峰值ODmax作为气室内温度的敏感信号，进行温度测量，结合PID控制，实现基于光吸收测温的碱金属气室温控。
2.根据权利要求1所述的基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，其特征在于：所述步骤二中，光学深度OD的计算公式如下：
Figure FDA0003755578750000012
其中
Figure FDA0003755578750000013
为透过光强，I2为参考光强。
3.根据权利要求1所述的基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，其特征在于：所述步骤三中，洛伦兹线型函数表示为：
Figure FDA0003755578750000014
式中OD为光学深度，v为入射光频率，v0为铷原子的中心频率，Γ为拟合曲线的压力展宽，即洛伦兹曲线的半高宽，k、v0和Γ都是需要拟合的参数。
4.根据权利要求1所述的基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，其特征在于：所述步骤三中，计算碱金属原子数密度的公式如下：
Figure FDA0003755578750000015
n为气室内温度为T时碱金属原子数密度，ODmax为吸收曲线光学深度峰值，c为光速，re为电子电磁半径，f为振子线强度，此处取值
Figure FDA0003755578750000021
l为光程，Γ为拟合得到的压力展宽，c,re,f,l皆为常量；
碱金属原子数密度n和气室内温度T的关系符合饱和蒸气压公式：
Figure FDA0003755578750000022
5.根据权利要求1所述的基于光吸收测温的碱金属气室温控方法，其特征在于：所述步骤二中，设计的光路包括：DFB激光器、分光棱镜、光纤耦合器、波长计、准直透镜、半波片、碱金属气室、光电探测器；DFB激光器出射的激光首先经半波片和分光棱镜分束，一部分光束经光纤耦合器进入波长计检测波长，另一部分进入主光路经半波片和准直进入碱金属气室，通过调节半波片即可调节分光比，光强通过光电探测器采集。
CN202110894518.4A 2021-08-05 2021-08-05 一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法 Active CN113670466B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110894518.4A CN113670466B (zh) 2021-08-05 2021-08-05 一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110894518.4A CN113670466B (zh) 2021-08-05 2021-08-05 一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113670466A CN113670466A (zh) 2021-11-19
CN113670466B true CN113670466B (zh) 2022-09-30

Family

ID=78541488

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110894518.4A Active CN113670466B (zh) 2021-08-05 2021-08-05 一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113670466B (zh)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103439218B (zh) * 2013-09-02 2015-06-17 北京航空航天大学 一种基于压力展宽的碱金属蒸气原子密度测量方法
CN105403322B (zh) * 2015-12-11 2018-02-02 东南大学 原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置与方法
CN106248121B (zh) * 2016-08-11 2018-03-06 天津大学 环境变温下波动抑制的光纤光栅传感解调装置与解调方法
CN106768471A (zh) * 2016-12-05 2017-05-31 北京航空航天大学 一种基于压力展宽的非接触式温度测量方法
CN106949985B (zh) * 2017-05-15 2019-04-30 北京航空航天大学 一种基于混合光抽运的碱金属气室内部温度的精密测量方法
CN107167437B (zh) * 2017-05-15 2019-07-26 北京航空航天大学 一种基于混合光抽运的原子密度精确测量方法
CN109186578B (zh) * 2018-09-04 2021-11-05 北京航空航天大学 一种三轴一体的serf原子自旋陀螺仪

Also Published As

Publication number Publication date
CN113670466A (zh) 2021-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108519565B (zh) 基于量子弱测量的弱磁场强度测量分析仪及方法
CN108717168B (zh) 一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法
CN105403322B (zh) 原子磁强计碱金属气室内温度分布的测量装置与方法
CN108519566B (zh) 一种基于光频移调制的serf原子磁强计装置及方法
CN112083358B (zh) 一种用于serf超高灵敏磁场测量装置的激光稳频***
CN108956544B (zh) 一种原子横向弛豫时间自动检测***及方法
CN110261670A (zh) 一种基于里德堡原子量子相干效应的微波功率测量装置及方法
CN113280801B (zh) 基于混合抽运serf自旋惯性测量***光频移抑制方法
CN111707251B (zh) 一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置
CN111562030A (zh) 原子磁力计碱金属原子气室温度原位检测装置及方法
CN110045309B (zh) 一种新型的光泵磁力仪精度自检测方法
CN110514193B (zh) 核磁共振陀螺及探测方法
CN105182257A (zh) 一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法
CN113567351B (zh) 基于量子弱测量的复磁光角测量***及方法
CN113670466B (zh) 一种基于光吸收测温的碱金属气室温控方法
CN111856344A (zh) 抑制温度波动引起的原子自旋惯性或磁场测量误差的方法
CN110702090A (zh) 一种高精度无锁区激光陀螺装置及方法
CN110426653B (zh) 一种测量光抽运率的方法
CN112230038A (zh) 一种新型全光型电流传感器及电流测量方法
CN115616540B (zh) 光梳模间拍频测距的随机相位漂移实时抑制装置及方法
CN114777823B (zh) Flrd传感器***和基于相位漂移的flrd传感装置
US11815404B2 (en) High accuracy frequency measurement of a photonic device using a light output scanning system and a reference wavelength cell
CN117783027A (zh) 基于光脉冲减速效应的里德堡原子数目测量装置及其方法
CN116643216A (zh) 透射光吸收阵列式原子磁强计气室温度控制装置与方法
CN115184848B (zh) 一种基于可调双光束serf原子磁强计的磁场梯度测量方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant