本文選題：CPT原子磁力儀　切入點：溫度控制　出處：《中國科學院大學(中國科學院國家空間科學中心)》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子磁力儀是一種全光學原子磁力儀,通過磁探頭原子氣室內(nèi)的工作元素的原子在外磁場下的塞曼效應(yīng)和CPT共振信號來測量外界磁場。所以該類原子磁力儀原子氣室內(nèi)參與工作的的工作元素原子數(shù)密度直接關(guān)系到磁測信號的質(zhì)量進而影響測量靈敏度和精度。這就需要為磁傳感器設(shè)計一套溫控系統(tǒng),該系統(tǒng)既能控制磁傳感器原子氣室的工作溫度,又能夠產(chǎn)生較小甚至是不產(chǎn)生干擾磁場。本文正是針對CPT原子磁力儀的溫控需求,為了提高原子磁力儀傳感器工作環(huán)境的溫度穩(wěn)定性,改善磁力儀靈敏度和準確度,提出了一種基于數(shù)字式PID算法的無磁加熱技術(shù),完成了傳感器氣室的溫度控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了對磁力儀高精度的加熱以及控溫功能。首先,本論文對課題的背景意義進行了簡要介紹,概括了幾種常見的原子磁力儀及其研究現(xiàn)狀,并重點介紹了CPT原子磁力儀的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。同時對各類原子磁力儀中所使用的原子氣室的加熱方式進行了調(diào)研和總結(jié),簡述了各加熱方式的基本工作原理以及他們各自的特點。其次,重點闡述了CPT原子磁力儀的工作原理,再結(jié)合原子磁力儀的靈敏度公式以及氣室內(nèi)原子氣體隨溫度的變化曲線關(guān)系,研究和分析了原子磁力儀的溫控需求和必要性,提出了本溫控系統(tǒng)的技術(shù)指標。然后,完成了系統(tǒng)的方案設(shè)計,并利用仿真計算驗證了系統(tǒng)的性能,論文對原子磁力儀傳感器進行了有限元熱仿真,通過Matlab最小二乘法函數(shù)方法擬合熱力學參數(shù),確定了原子磁力儀傳感器的傳遞函數(shù)。使用Matlab的Simulink工具,搭建控制系統(tǒng)模型并進行參數(shù)調(diào)試和仿真以確定最佳控制參數(shù)組合,仿真驗證了溫度控制精度優(yōu)于±0.05°C,驗證了控制系統(tǒng)在低功耗要求下的可行性和穩(wěn)定性。最后,利用控制系統(tǒng)仿真得到的控制參數(shù),對磁傳感器的溫控系統(tǒng)裝置進行了溫度加熱效果和溫度控制性能的實驗驗證,并與仿真結(jié)果進行了比較分析。實際的測量結(jié)果顯示該溫控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫控需求,并且系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)后的波動最大峰峰值在0.35°C以內(nèi),滿足±1°C的設(shè)計要求,且該溫控系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。該溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)和驗證也為其他類型的原子磁傳感器原子氣室的溫度控制提供了一種新的設(shè)計思路和可行性方案。
[Abstract]:The coherent population trapping device (CPT) atomic magnetometer is an all-optical atomic magnetometer. The external magnetic field is measured by the Zeeman effect and the CPT resonance signal of the working elements of the atomic gas chamber under the external magnetic field of the atomic gas chamber. Therefore, the working element number of the working element in the atomic magnetometer of this kind of atomic magnetometer is dense. The quality of the magnetic measurement signal is directly related to the quality of the measurement signal, which affects the sensitivity and accuracy of the measurement, which requires the design of a temperature control system for the magnetic sensor. The system can not only control the working temperature of the atomic gas chamber of the magnetic sensor, but also produce a small or even non-interference magnetic field. This paper aims at the temperature control requirements of the CPT atomic magnetometer. In order to improve the temperature stability of the atomic magnetometer sensor and improve the sensitivity and accuracy of the magnetometer, a non-magnetic heating technique based on digital PID algorithm is proposed. The temperature control system of the sensor chamber is completed. The high-precision heating and temperature control functions of the magnetometer are realized. Firstly, the background significance of this paper is briefly introduced. This paper summarizes several common atomic magnetometers and their research status, and emphatically introduces the research status of CPT atomic magnetometers at home and abroad. At the same time, the heating methods of atomic gas chambers used in various atomic magnetometers are investigated and summarized. The basic working principle of each heating mode and their respective characteristics are briefly described. Secondly, the working principle of CPT atomic magnetometer is expounded emphatically. Based on the sensitivity formula of atomic magnetometer and the relationship between atomic gas and temperature in gas chamber, the requirement and necessity of temperature control of atomic magnetometer are studied and analyzed, and the technical index of the temperature control system is put forward. The scheme design of the system is completed, and the performance of the system is verified by the simulation calculation. The finite element thermal simulation of the atomic magnetometer sensor is carried out in this paper, and the thermodynamic parameters are fitted by the Matlab least square function method. The transfer function of the atomic magnetometer sensor is determined. Using the Simulink tool of Matlab, the control system model is built and the parameters are debugged and simulated to determine the optimal control parameter combination. The simulation results show that the temperature control accuracy is better than 鹵0.05 擄C, and the feasibility and stability of the control system under the low power requirement are verified. Finally, the control parameters are obtained by the simulation of the control system. The temperature control system of the magnetic sensor has been verified by experiments on the effect of temperature heating and the performance of temperature control, and has been compared with the simulation results. The actual measurement results show that the temperature control system can meet the temperature control requirements. And the maximum peak value of fluctuation after steady state is within 0.35 擄C, which meets the design requirement of 鹵1 擄C. The temperature control system has good adaptability and stability. The realization and verification of the temperature control system also provides a new design idea and feasible scheme for the temperature control of atomic gas chamber of other kinds of atomic magnetic sensors.
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院國家空間科學中心)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM936.1;TP273

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