[发明专利]一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪

说明书

本发明公开了一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，包括供电模块、主控模块、温度采集模块、功率调整模块、加热模块和人机交互模块。主控模块用于系统温度控制的PID算法实现；温度采集模块读取气室温度值；功率调整模块通过调整加热电压来调节系统加热功率；加热模块以设定频率将直流转为高频交流，驱动加热膜加热；人机交互模块由串口显示屏与主控制器通过UART接口通信，实现人机交互。本发明所述的高频恒温仪可实现75W、0‑300KHz的可变频大功率加热，并且将温度采集模块、功率调整模块、加热模块、人机交互模块和PID算法集成到一个块电路板上，其使用灵活，操作简单。

技术领域

本发明涉及原子气室加热领域，具体涉及一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪。

背景技术

随着量子技术的快速发展，基于无自旋交换弛豫理论的（Spin-ExchangeRelaxation Free，SERF）原子气室在极弱磁测量，超高灵敏惯性测量等诸多领域的研究中都得到了应用。为了使气室中的原子达到SERF 态，需要对原子气室进行高温加热，以达到所需的原子密度，从而保证其自旋交换频率远大于其拉莫尔进动频率。由于一般应用场合对磁场噪声和热噪声都极其敏感，因此要求加热装置必须不引入显著的磁场噪声和热噪声。

现有的电加热方式大部分为直流PWM波加热方式，对于碱金属原子气室来说，由于直流电流产生一个梯度磁场，会导致原子弛豫率显著增大，而交流电流加热则可以有效降低原子弛豫率。此外，高频加热可以将加热电阻丝上电流引起的磁噪声调制到一高频段，使其远大于应用系统的检测带宽，从而抑制其带来的影响。另外目前在该领域使用的温控系统中绝大部分为分立系统，温控系统的PID控制模块、功率调整模块、温度采集模块、加热模块都是分开的，整套系统比较昂贵且不方便移动。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高频，大功率的集成加热装置，能解决碱金属气室加热过程中造成的热磁噪声过大以及加热系统的集成化的问题。

为解决上述技术问题，本发明发用的技术方案是：一种用于碱金属原子气室加热的高频恒温仪，主要由供电模块、主控模块、功率调整模块、温度采集模块、加热模块和人机交互模块组成。

其所述主控模块为DSP处理器，主要负责PID算法实现，读取温度采集模块数据，与串口显示屏进行通信，0-300KHz可变频率输出，电压调整模块控制输出。

所述温度采集模块包括PT1000桥式电路和一个14位模数采集电路，其中14位模数采集电路与主控模块通过GPIO口连接，可以实现0.01℃的温度采集精度。

所述功率调整模块包括数模转换芯片和电压跟随芯片，数模转换芯片与主控模块通过GPIO口连接，可控制电压调整模块实现75W（0-50V/1.5A）功率输出，有利于碱金属气室快速加热。

所述加热模块包括全桥芯片与四个大功率MOS管，全桥芯片与主控模块通过PWM口连接，并通过开关四个大功率MOS管将直流加热电流转换成交流加热电流，并且交流频率值可以在0-300KHz范围内调整。

所述人机交互模块由串口显示屏与主控模块通过UART接口通信，实现人机交互。

本发明具有的优点和积极效果是：本装置通过全桥芯片和MOS管将直流电流转换成0-300KHz高频交流电流，将碱金属气室加热到所需温度，与其它加热设备相比，具有以下优点：

1.频率可调，通过主处理器TMS320F28335可以实现0-300KHz的频率调节。

2.交流电流加热，通过全桥芯片和MOS管将直流电流转换成0-300KHz高频交流电流。使用高频交流电流可以将加热电路产生的热磁噪声的频段调整到一个高频段，有利于降低加热电路热磁噪声对基于碱金属气室的精密检测系统的影响。

3.加热功率可达到75W，可以将碱金属气室快速加热到所设定温度。