一种用于SERF陀螺仪的高精度无磁温控系统的制作方法

一种用于serf陀螺仪的高精度无磁温控系统
技术领域
1.本发明属于数字控制技术领域，特别涉及一种用于serf陀螺仪的高精度无磁温控系统。


背景技术：

2.serf陀螺仪利用电子自旋敏感载体转动信息，具有超高的理论精度、结构简单、体积小等优点，成为下一代超高精度陀螺仪的发展方向。高密度原子和弱磁场环境是操控原子自旋处于serf态的前提。
3.serf陀螺仪核心器件为碱金属原子气室，原子气室工作在150℃附近时可获得较好的极化度；而气室温度变化对碱金属原子的密度、电子自旋弛豫率、以及碱金属原子的吸收峰等参数都具有较大影响，直接影响serf陀螺仪的测量精度，因此设计一种高精度的无磁温度控制系统至关重要。
4.常用的加热方法主要有三种：气流加热、传导加热、电阻丝加热。气流加热不会引入干扰磁场，但温度稳定性不高，气流扰动较大，加热均匀性不好；传导加热结构复杂，加热时间长，温度稳定性不高；电阻丝加热易于操作，温度稳定性好，易于控制，本发明采用电阻丝加热的方式。具体操作是在碱金属原子气室外缠绕加热丝或加热片，通过金属热电阻进行测量采集，利用电桥比较电路等模拟控制方式将金属热电阻对温度变化的阻值与参考电阻值rref比较，使得热电阻值，也就是气室温度稳定在设置的工作点上。
5.但由于普通的pt100等金属热电阻基于本身的电阻特性和外部电流源激励电路使得该方式会引入干扰磁场，而传统的直流加热以及采用平行线、双绞线等作为加热体时也都会产生较大的附加磁场，最终对serf陀螺仪输出信号产生干扰影响，因此对测温方式、加热方式以及加热体都需要进行特殊控制。


技术实现要素：

6.本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种用于原子陀螺仪的高精度无磁温度控制系统，该系统能避免电磁干扰的产生，并可实现高精度气室温度控制。
7.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现:
8.一种用于原子陀螺仪的高精度无磁温控系统，其特征在于：包括原子气室温度采集系统、加热信号输出系统和加热体；
9.原子气室温度采集系统包括测温传感器，测温传感器采用四线接法，并采用芯片内置激励电流源提供测温电流；
10.所述加热信号输出系统包括交流信号发生器、数模转换器、乘法器和功率放大器，所述交流信号发生器用于生成交流信号，数模转换器用于生成直流温度控制量信号，所述乘法器用于根据输入的交流信号和直流温度控制量信号对交流信号进行幅度调节，生成幅值可变的高频交流信号；所述功率放大器用于对输入的高频交流信号进行功率方法，生成可驱动加热体的加热电压；
11.所述加热体包括加热丝及外围保温组件，所述加热丝缠绕于原子气室的外围，所述加热丝采用四绞加热丝，四绞加热丝由一根导向采用两次双绞绕线的方法形成。加热信号输出系统生成的加热电压驱动在缠绕于原子气室周围的四绞加热丝，以产生加热电流实现快速加热，并于外围裹上保温棉实现保温。
12.优选的，所述交流信号发生器采用频率和波形可调的频率合成器dds。
13.优选的，加热信号输出系统可输出频率为100khz的交流信号。
14.本发明具有的优点和积极效果：
15.1、本发明无磁温控系统包括无磁测温系统和无磁加温系统两部分，在满足高精度要求的同时，保证了较高的加热效率。
16.2、本发明加热信号采用交流加热方式，对直流控制量的幅值进行实时调节，避免了直流电流激励的磁场串扰，从而提供了能够保证原子气室在任意温度下工作所需的加热电流。
17.3、本发明中加热体在原有的平行线或双绞线基础上改进为四绞加热丝，除消除对向电流串扰外进一步消除了里外的电磁干扰，从而保证了加热体实现加热功能的同时又避免原子气室受到电流磁场扰动。
18.4、本发明测温传感器采用四线接法，采用芯片内置激励电流源供电，克服了传统测温传感器工作过程中外围引线，包括pcb板的布线和测温传感器两端的引线中的引线电阻影响，从而使测温元件读取的电阻值更为真实准确，大大提升测温精度。
附图说明
19.图1是基于核自旋极化的serf陀螺仪方案示意图；
20.图2是高精度无磁温度控制系统框图；
21.图3是本发明提出的无磁测温系统的接线示意图；
22.图4是本发明提出的交流加热系统框图；
23.图5是本发明提出的一组四绞加热丝与一组平行线绕制对比示意图。
具体实施方式
24.以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
25.图1是基于核自旋极化的serf陀螺仪方案示意图，可以清晰的看出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。角速度传感器部分由交变磁场线圈、无磁温控装置、原子气室等组成。
26.图2是本发明提出的高精度无磁温度控制系统框图。包括：测温传感器(附图中的无磁测温元件)、原子气室、电流源模激励电路(附图中的内置电流源)、采集转换电路、加热信号输出系统(包括附图中的pid控制器和加热信号输出电路)和加热本体(附图中的加热电阻丝)等。其中测温传感器无磁pt1000通过胶粘方式与原子气室接触在一起，电流源激励回路和采集转换电路共同集成于精密数模转换芯片中。
27.本发明提出的高精度无磁温度控制系统主要由无磁测温系统和无磁加温系统两部分构成，其中，无磁测温系统在申请号为：2020112287065，名称为：一种用于serf陀螺仪
原子气室的高精度无磁测温系统中已经公开，因此本技术方案的创新点为由加热信号输出系统和加热体构成的无磁加温系统。
28.图3为无磁测温系统的接线示意图，包括测温传感器(pt1000)1、芯片内置电流源6、电流源流入端2、电流源流出端3、电压采集正端4、电压采集负端5。其中，测温传感器pt1000采用四线接法，电流源激励电路内置于集成芯片中。具体操作是准备一定长度的两对双绞线，其中一对入线端跨接在pt1000两端，出线端两端与内置电流源两端相连；另一对入线端同样跨接在pt1000两端，出线端进入电压采集转换电路。其中电流流入端2与电压采集正端4相连，电流流出端3与电压采集负端5相连。pt1000两端产生的电压值进入转换电路，以便pid控制器对其进行进一步的控制运算。
29.图4为交流加热信号生成系统。serf陀螺仪工作时原子气室需维持饱和蒸汽压。实验表明，气室中的原子在150℃时具备较高的极化率。传统的直流电流加热会伴随激励磁场的产生，考虑到原子核自旋信号频率较低，因此加热信号应为频带远离共振频率的高频交流信号。本交流加热信号生成系统的交流信号由频率、波形可调的频率合成器dds生成。直流温度控制量由数模转换器生成，利用乘法器生成可受直流控制量调节的高频交流信号，再经功率放大器生成可带动负载的交流加热电压。直流控制量幅值的调节采用位置式数字pid控制算法实现，从而改变加热功率。由于dds的增益带宽积有上限，加上系统对加热信号功率有一定要求，所以加热频率不宜过高，本发明中加热频率设定为100khz。
30.图5为一组四绞加热丝与一组平行线绕制对比示意图。图中，加热电阻丝总电阻值约为10ω，电流加热原理为：p＝i2r，然而电流的引入必会在空间产生磁场分布。由矢量合成，可以采用平行布线通相反电流，理论上无限长导线、无限远磁场可相互抵消。考虑样机加热模块实际大小，本发明用一根导线(铜丝)，采用两次双绞绕线的方法形成四绞加热丝，使每一根铜丝与相邻铜丝的电流走向相反，使电流磁场能够最大限度的对向相消，在有限的空间有效降低产生的附加磁场，实现无磁加热。经仿真，四绞丝在气室位置产生磁场＜0.1nt。所生成的加热信号经功放芯片进行功率放大后可对四绞加热丝进行加热驱动，实现对serf原子气室的加温控制。
31.本发明已应用于serf陀螺仪原理样机中，可将serf陀螺仪原子气室温度稳定控制在正度0.005℃，样机信号输出良好。
32.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。