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原子自旋陀螺气室加热电磁噪声抑制实验研究
周斌权1,2, 郝杰鹏1,2, 梁晓阳1,2, 全伟1,2, 刘刚1,2     
1. 北京航空航天大学 惯性技术国家级重点实验室, 北京 100083;
2. 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100083
摘要: 原子自旋陀螺仪作为目前最新一类陀螺仪,具有超高的理论精度。碱金属气室是原子自旋陀螺仪承载原子自旋的敏感表头。通过电加热使碱金属达到饱和蒸气压,但是电加热过程中会引入电磁干扰等噪声,进而影响原子自旋陀螺仪的精度和灵敏度。为减小碱金属气室加热的电磁噪声对原子自旋陀螺仪的影响,从加热器结构与加热驱动信号2个方面进行了电磁噪声抑制实验研究。设计了具有磁场噪声抑制作用的异形加热膜,使高频正弦波作为加热驱动信号,构建了碱金属气室集成化无磁电加热单元。通过实验验证,系统的等效磁场噪声优于17 fT/Hz1/2,气室内部的温度稳定度优于±0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。
关键词: 原子自旋陀螺仪     无磁加热     噪声抑制     加热膜     高频正弦波    
Experimental study on electromagnetic noise suppression of atomic spin gyroscope heating chamber
ZHOU Binquan1,2, HAO Jiepeng1,2, LIANG Xiaoyang1,2, QUAN Wei1,2, LIU Gang1,2     
1. National Key Laboratory of Inertial Technology, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;
2. School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China
Received: 2016-12-22; Accepted: 2017-01-13; Published online: 2017-03-08 09:29
Foundation item: National High-tech Research and Development Program of China (2014AA123401); National Natural Science Foundation of China (61227902, 61374210)
Corresponding author. ZHOU Binquan, E-mail: bqzhou@buaa.edu.cn
Abstract: Atomic spin gyroscope is the latest type of gyroscope, which has ultra-high theoretical precision. Alkali vapor cell is the sensing element of atomic spin gyroscope, which carries the atomic spin effect. Electric heating makes alkali attain saturated vapor pressure, which will introduce electromagnetic interference and other noises, thereby affecting the accuracy and sensitivity of atomic spin gyroscope. To reduce the influence of heating chamber electromagnetic noise on the atomic spin gyroscope, the electromagnetic noise suppression experiment was studied from two aspects of heater structure and heating driving signal. A special shaped heating film with magnetic noise suppression was designed. A high frequency sine wave was designed as the heating driving signal. In addition, a non-magnetic heating system of alkali vapor cell was constructed. The test results show that the equivalent magnetic noise is within 17 fT/Hz1/2, and the temperature stability of the alkali vapor cells is within ±0.006℃, which provides a reliable guarantee for the performance improvement of atomic spin gyroscope.
Key words: atomic spin gyroscope     non-magnetic heating     noise suppression     heating film     high frequency sine wave    

陀螺仪广泛应用于航空航天等导航与制导领域,其精度决定了导航的精度。随着量子技术和微加工技术的发展,基于原子自旋的一些量子器件发展迅速,极大地提升了仪器的精密测量能力[1-2]。原子自旋陀螺是原子自旋器件的一个重要研究领域,其凭借超高理论精度和小体积,有望成为未来主流的一类陀螺[3-5]

碱金属气室是原子自旋陀螺仪敏感表头的核心部件。为了提高陀螺仪的测量灵敏度,敏感表头内必须有较高密度的碱金属原子。原子的密度正比于碱金属温度,因此需要对气室进行高温加热[3]。根据敏感介质的不同,气室加热的温度不同,通常为70~200 ℃之间[4-5]。原子自旋陀螺仪的精度较高,磁场对其影响较大,因此需要气室加热的电磁噪声尽量小,最理想的情况是没有电磁噪声[6]。此外,原子弛豫时间会随着气室的温度变化,因此,必须实现气室温度的高稳定性控制。

目前,原子自旋陀螺仪气室加热方式有4种:热气流加热、间断电加热、高频电加热和激光加热[7]。北京航空航天大学早期采用热气流加热方式,这种方式虽然不会引入电磁噪声,但是气流扰动较大,温度稳定性不高;间断电加热方式实现比较简单,但是原子自旋陀螺仪需要连续测量,因此这种方式会影响陀螺仪的测量带宽;国外有研究采用激光加热方式,虽没有电磁噪声,但是目前采用的方案加热功率较小;目前关于高频电加热方式的研究还比较少,这种方式实现起来相对复杂,但是温控精度和温度稳定性高[8]

综上所述,本文采用高频电加热方式,从加热器结构与加热驱动信号2个方向研究电磁噪声对系统的影响。实验表明,系统的等效磁场噪声优于17 fT/Hz1/2,气室内部温度稳定度优于±0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。

1 磁场抑制方法及加热器结构设计

碱金属气室是通过电流驱动电加热丝产生焦耳热来实现加热的功能。因此,在电流通过电加热丝时会产生磁场,从而影响原子自旋陀螺仪的灵敏度。为使由加热引入的磁场噪声得到抑制,采用电磁学的理论计算和有限元分析的方法对加热器结构进行优化设计。

为了抑制加热器引入的磁场噪声,将电加热丝布置为平行邻近形式,并且相邻的电加热丝内电流大小相等、方向相反,因此产生的磁场也是大小相等、方向相反。磁场相消示意图如图 1所示,2个邻近的方形电加热丝线圈边长分别为ab,距离为d

(1)
图 1 磁场相消示意图 Fig. 1 Schematic of magnetic field cancellation

式中:I为电流强度; μ0为真空磁导率。

根据毕奥-萨伐尔定律可以得出,内外2个方形线圈在中心轴线距离线圈为xP处的磁场计算公式(1),其与2个线圈的距离d成正比[9]。因此,为了实现最好的磁场噪声抑制效果,在设计加热器时应尽可能小得减小电加热丝的间距。

设计的加热器结构示意图如图 2(a)所示,电加热丝彼此互相平行,加工到耐高温的材料基底上。相互平行的电加热丝产生大小相等、方向相反的磁场,从而实现磁场噪声的抑制。

图 2 电加热膜原理示意图 Fig. 2 Schematic of principle of electric heating film

平行邻近的电加热丝在一定程度上使磁场噪声得到抑制,然而电加热丝间距还在mm量级,为了更好的抑制磁场噪声,可以将电加热丝在上下层也形成对称结构,电加热丝间距可达μm量级,结构示意图如图 2(b)所示。由于加热膜层间距离很小,因此干扰磁场相互抵消效果明显[10]

电加热膜结构如图 3所示,基底材料是耐高温的,电加热丝是无磁的镍铬合金,其间距为0.2mm,双层间距为50 μm。

图 3 双层对称结构电加热膜实物图 Fig. 3 Picture of electric heating film with double-layer symmetrical structure

利用电磁场分析软件ANSYS MAXWELL对设计的电加热膜进行了磁场分析[11]。实际应用中,电加热膜用于边长为12 mm的方形碱金属气室,因此分析了电加热膜中心轴线上0~12mm的区域。此外,电加热膜的工作电流为200 mA。单层加热膜与双层加热膜的磁场分析结果如图 4所示。

图 4 电加热膜磁场仿真图 Fig. 4 Diagram of electric heating film magnetic field simulation

单层加热膜的最大磁场为12.616 0 μT,双层加热膜的最大磁场为0.392 9 μT,单层加热膜产生的最大磁场是双层的32倍,表明采用双层结构的加热膜磁场噪声抑制效果较单层加热膜有极大提升。

2 加热驱动信号电磁噪声抑制

常用于加热的驱动信号有直流电和交流电2种。用直流电加热引入的噪声主要是白噪声和1/f噪声,并且主要为低频段的1/f噪声[12]。由于原子自旋陀螺仪的动态范围以及碱金属原子、惰性气体核子的进动频率等都处于低频段,因此,用直流电加热引入的低频噪声必定会影响到原子自旋陀螺仪的精度。

直流电加热噪声功率密度可以表示为

(2)

式中:en为电加热噪声电平;enw为白噪声电平;fce为转角频率;f为电流信号的频率。由式(2)可以看出,随着频率的增大,1/f噪声逐渐减弱,最终趋近于白噪声。因此,为了避免电加热引入磁场噪声,利用调制的技术把电流信号调制到高频。

由于方波信号或者PWM信号的频率成分复杂,含有丰富的高次谐波[13],会对原子自旋陀螺仪的检测信号产生串扰,因此,选用频率成分单一的高频正弦波信号作为加热信号。

3 集成化无磁电加热系统设计

集成化无磁电加热系统的结构框图如图 5所示,主要包括温度传感器、温度测量与A/D转换电路、微控制器、高频正弦波信号发生电路、加热膜驱动电路以及加热膜等部分。

图 5 无磁电加热系统原理框图 Fig. 5 Functional block diagram of non-magnetic electric heating system
3.1 温度测量原理

3.1.1 温度传感器及其测温方式

使用铂热电阻作为温度传感器,具有测温精度高、长期稳定性好、测量范围大的优点[14]。铂热电阻在工作时也会引入磁场噪声。为了避免铂热电阻自身剩磁引入磁场噪声,设计了无磁性的薄膜铂热电阻Pt1000作为碱金属气室温度传感器。

铂热电阻传感器主要采用恒流源法的激励方式,因为恒流源法采集到的电信号与电阻呈线性关系,测温精度高;利用恒流激励传感器产生的恒定磁场可以采用主动磁补偿技术将其抵消。此外,采用了四线制引线方式,能有效消除导线电阻和接触电阻带来的测量误差。

采用比例式测量方法,即传感器信号(铂电阻两端的电压)和A/D转换器的参考电压由同一个恒流源激励产生。这种方法可以消除温度漂移或噪声对传感器信号和参考电压产生的共同误差[14]

3.1.2 A/D转换及其数字滤波

采用比例式测量方法的温度传感器阻值测量公式如下:

(3)

式中:D为A/D转换器的输出值;Rref为参考电阻的阻值;N为A/D转换器的位数。参考电阻采用低温漂电阻,阻值为5 kΩ;A/D转换器采用TI公司型号为ADS1248的24位A/D转换器。因此,测量电阻的理论分辨率为0.3 mΩ,转换为测量温度的分辨率为7.7×10-5 ℃。

测温数据设计了一种限幅滤波与均值滤波相结合的复合数字滤波算法,滤波过程如图 6所示,tn为本次采集的测温数据,tn-1为上次采集的测温数据。首先,判断本次采集的数据是否为第1个数据,若是,则将本次采集的测温数据赋给上次采集的测温数据,若否,则进行限幅滤波,即比较本次采集数据与上次采集数据差值的绝对值是否不大于某个设定值Δt,若是则本次数据保留,若否,则舍弃;然后,进行均值滤波,即对N个测温数据取平均值;最后,将结果送至控制模块。

图 6 测温数据复合数字滤波流程图 Fig. 6 Flowchart of temperature measurement data composite digital filter

实验发现,经过复合数字滤波算法处理后,测温数据的标准差由1.159 3 ℃降低为0.001 7 ℃,说明对测温数据采用复合数字滤波处理可以得到更高的测量稳定度。

3.2 温度控制方法与实现

3.2.1 温度控制方法

为了缩短原子自旋陀螺仪的启动时间,需要碱金属气室加热温控系统提高快速性,因此可以采用比例控制,增大比例系数,然而增大比例系数会产生过大的超调,影响系统稳定,并且存在静态误差。如果加入积分控制,可以消除静态误差,然而又会降低调节速度。所以,单一的控制方法已经不能满足控制要求,因此,为了使碱金属气室温控系统同时满足快速性和稳定性的要求,设计了分段式控制算法,即根据偏差的大小确定采取何种控制算法,分段式控制表示如下:

(4)

式中:u为控制模块的输出量;e为温度设定值与实际值的偏差;E1E2E3为划分的控制范围边界值;C1C2为常数值;Ke表示比例控制方式;[P·I·D]e表示PID控制算法。

eE1时,实际温度与设定温度有很大偏差,控制模块输出最大驱动电压进行加热,快速缩小与设定温度的差值;当E2eE1时,实际温度接近设定温度,采用比例控制算法,既可保证控制的快速性,又能防止超调和振荡的产生;当E3eE2时,实际温度在设定温度附近,采用PID控制算法;当eE3时,加热温度超出上限,立即停止加热,防止温度过高造成设备损坏。

控制参数的确定采用了Ziegler-Nichols闭环整定法,无需准确辨识系统的模型,可以快速确定PID控制参数[15]。具体方法为:使控制系统在比例控制下工作,从零开始增大比例系数,观察由上位机软件实时采集到的测温数据绘制的温度变化曲线,直到系统出现等幅振荡,此时的比例系数即为系统临界系数KPcrit,等幅振荡的周期即为系统临界振荡周期Tcrit,然后根据表 1确定PID控制器的控制参数,最后对参数进行微调达到最佳效果。

表 1 Ziegler-Nichols闭环整定法参数 Table 1 Ziegler-Nichols closed loop setting method's parameters
参数 KP KI KD
取值 0.6KPcrit 2KP/Tcrit 0.12KPTcrit

3.2.2 加热驱动信号产生

高频正弦波信号发生电路如图 7所示,输出正弦波的频率为80~110 kHz,正弦波的幅度由D/A转换芯片AD5620输出的直流电压信号对其进行调制。

图 7 高频正弦波信号发生电路原理框图 Fig. 7 Functional block diagram of high-frequency sine wave signal generation circuit

原子自旋陀螺仪碱金属气室的加热温度取决于碱金属原子源,核磁共振陀螺仪使用87Rb碱金属,工作时气室的温度约为100 ℃时,正弦波的峰峰值为80 V。信号发生电路输出的正弦波峰峰值不超过1 V,远低于加热膜将碱金属气室加热到所需温度要求的电压。为了满足高电压、高增益带宽和高压摆率的要求,采用APEX公司放大芯片PA96,其输出电压高达300 V,增益带宽可达175MHz,压摆率可达250 V/μs,满足要求。

4 测试实验与结果 4.1 电加热膜磁场噪声抑制效果测试实验

本文设计的双层对称结构电加热膜的磁场噪声抑制效果测试实验在4层磁场屏蔽装置内进行(见图 8),测试仪器采用中国计量科学研究院研制的型号为CTM-6W的磁通门磁强计,其磁场测量精度为±1 nT,分辨率小于1 nT。分别对单层加热膜和双层加热膜施加逐渐增大的直流驱动电流,电流值为0~0.1 A。实验中,测试点位于距离电加热膜5~6 mm附近的位置。

图 8 磁场屏蔽装置 Fig. 8 Magnetic field shielding device

图 9(a)为根据单层加热膜测试数据拟合的一次函数曲线,可以计算出磁场变化率为1 332.8 nT/A;图 9(b)为根据双层加热膜测试数据拟合的一次函数曲线,可以计算出磁场变化率为32.4 nT/A,二者相差约40倍,因此采用双层结构的电加热膜的磁场噪声抑制效果较好。

图 9 电加热膜磁场噪声抑制效果测试 Fig. 9 Test on magnetic field noise suppression performance of electric heating film

采用双层对称结构的电加热膜,且加热信号被调制到高频,因此加热带来的磁场噪声比较微弱。为了更好的测试系统的噪声水平,采用间接方法来评估其噪声水平,在无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free, SERF)原子自旋磁场测量装置进行测试,通过开关电源的方式进行对比。经过测试评估,该方案的电加热系统引入磁场噪声优于17 fT/Hz1/2,该指标的实现标志着本方案的技术水平已经达到了实验室采用仪器搭建的系统,为加热系统的工程化奠定了基础。

4.2 驱动系统性能测试实验

分别用高频正弦波和方波将碱金属气室加热到相同的温度。对加热驱动信号做FFT频谱分析,结果如图 10(a)所示,高频正弦波加热驱动信号明显只有主频信号,而方波加热驱动信号除了主频信号外,还有大量的奇次谐波信号以及倍频信号。对原子自旋陀螺仪的检测信号做FFT频谱分析,结果如图 10(b)所示,使用高频正弦波加热驱动信号相较于方波加热驱动信号,检测信号具有更低的噪声底线,因此可以达到更高的信噪比。

图 10 高频正弦波和方波加热驱动信号对比 Fig. 10 Comparison of heating driving signal between highfrequency sine wave and square wave
4.3 集成化无磁电加热系统温控性能测试实验

分别对核磁共振陀螺仪和SERF原子自旋陀螺仪进行测试。如图 11所示,2种陀螺仪均可以实现±0.006 ℃的稳定度,这说明采用本方案基本可以达到仪器搭建的系统,满足高精度原子自旋陀螺仪对加热技术小型化的要求,为下一步实现芯片化技术奠定了技术基础。

图 11 温控性能测试实验结果 Fig. 11 Experimental results of temperature control performance test

表 2为无磁电加热膜在核磁共振陀螺仪和SERF原子自旋陀螺仪上进行的测试。可以看出,在100 ℃和200 ℃时的标准差都在0.003 ℃以内,可以满足实验的需求。

表 2 温控性能测试结果数据分析 Table 2 Data analysis of temperature control performance test results
陀螺类型 设定值 平均值 偏差 标准差
核磁共振陀螺仪 100 99.999 887 1.130 6×10-4 0.002 3
SERF原子自旋陀螺仪 200 200.000 067 -6.666 7×10-5 0.002 5

5 结论

1) 本文设计制作了具有磁场噪声抑制作用的双层对称结构电加热膜,与单层加热膜相比,磁场噪声抑制效果可提升40倍。

2) 选用高频正弦波作为加热驱动信号,与普遍采用的方波加热驱动信号相比,显著降低了原子自旋陀螺仪检测信号的噪声底线,提高了检测信号的信噪比。

3) 设计并搭建了碱金属气室集成化无磁电加热系统,测温数据采用复合数字滤波处理,温度控制采用分段式控制算法,实现加热引入的等效磁场噪声优于17 fT/Hz1/2,气室温度稳定度优于±0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障,满足高精度原子自旋陀螺仪对加热技术小型化的要求,为下一步实现芯片化技术奠定了技术基础。

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0964
北京航空航天大学主办。
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周斌权, 郝杰鹏, 梁晓阳, 全伟, 刘刚
ZHOU Binquan, HAO Jiepeng, LIANG Xiaoyang, QUAN Wei, LIU Gang
原子自旋陀螺气室加热电磁噪声抑制实验研究
Experimental study on electromagnetic noise suppression of atomic spin gyroscope heating chamber
北京航空航天大学学报, 2018, 44(1): 36-42
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2018, 44(1): 36-42
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0964

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收稿日期: 2016-12-22
录用日期: 2017-01-13
网络出版时间: 2017-03-08 09:29

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