基于铷谱灯光泵磁力仪的数字化测量装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911362373.2 (22)申请日 2019.12.26 (71)申请人 兰州空间技术物理研究所 地址 730000 甘肃省兰州市城关区渭源路 97号 (72)发明人 朱丽丽王剑祥缪培贤客洪亮 郭永刚陈江 (74)专利代理机构 北京理工大学专利中心 11120 代理人 温子云仇蕾安 (51)Int.Cl. G01R 33/032(2006.01) G01R 33/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于铷谱灯光泵磁力仪的数字化测量 装置 (57)摘要 本发明公。

2、开了一种基于铷谱灯光泵磁力仪 的数字化测量装置， 通过采用微处理器根据磁力 仪的工作温度控制对磁力仪的加热过程， 能够提 高磁力仪工作的稳定性， 同时， 微处理器根据测 量需要控制信号发生器产生磁力仪工作所需的 扫频信号， 提高了磁力仪工作的效率。 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 CN 111142053 A 2020.05.12 CN 111142053 A 1.一种基于铷谱灯光泵磁力仪的数字化测量装置， 其特征在于， 包括电源模块、 信号发 生器、 微处理器、 加热模块、 磁力仪、 温度传感器和计算机； 所述电源模块为信号发生器和微处理器提供电源； 所述信号发生器在微处理器的控制 下。

3、为磁力仪提供设定频率及幅度的扫频信号； 所述温度传感器贴附于磁力仪的铷谱灯泡的 外表面测量铷谱灯泡的工作温度， 温度传感器将所述工作温度发送至微处理器； 所述加热 模块在微处理器的控制下将磁力仪中的铷谱灯泡加热到设定温度； 所述磁力仪将测量得到 的磁场值发送至微处理器； 所述微处理器接收所述计算机的指令， 根据计算机的指令确定所述设定的频率及幅 度， 所述微处理器将所述磁场值发送至计算机进行处理。 2.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述加热模块包括AD采样电路、 继电器输 出电路和加热电路， 所述AD采样电路用于采集所述工作温度和设定温度， 所述继电器输出 电路用于控制加热电路的启。

4、动和停止； 所述加热电路用于加热铷谱灯泡， 所述加热电路包 括全功率加热电路和半功率加热电路； 所述加热模块在微处理器的控制下将磁力仪中的铷谱灯泡加热到设定温度的方式为： 当工作温度低于阈值时， 启动全功率加热电路将铷谱灯泡加热到上限温度， 关闭全功率加 热电路， 使铷谱灯泡自然冷却， 当工作温度等于设定温度时， 启动半功率加热电路进行加 热。 3.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述微处理器通过串口通信电路与所述计 算机进行通信。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111142053 A 2 一种基于铷谱灯光泵磁力仪的数字化测量装置 技术领域 0001 本发明属于磁场测量技术领域，。

5、 具体涉及一种基于铷谱灯光泵磁力仪的数字化测 量装置。 背景技术 0002 由于高精度磁场测量技术在各个领域广泛需求， 磁力仪的灵敏度也不断提高。 随 着激光技术的发展， 原子磁力仪已成为灵敏度最高的磁场测量手段。 其中铷光泵磁力仪是 利用铷原子受激发后， 在外磁场作用下超精细能级的塞曼效应来测量外部磁场的。 在加热 或电激发作用下的铷原子， 以满足能级跃迁频率的光束照射， 原子吸收光能量， 将由低能级 跃迁到高能级， 处于高能级的铷原子在磁场下会产生能级分裂， 分裂后的原子两相邻能级 间的能量差可用塞曼跃迁频率f0来表示， f0大小与外磁场成正比。 因此， 设法测得f0， 就可测 得外磁场。。

6、 但是， 现有技术中， 主要是在磁力仪工作过程中人工调整相关参数进行测量， 所 以， 通常会出现由磁力仪工作温度控制不当导致的磁力仪工作不稳定的问题， 从而导致测 量效率不高、 测量结果不够精确。 发明内容 0003 有鉴于此， 本发明提供了一种基于铷谱灯光泵磁力仪的数字化测量装置， 通过采 用数字化电路对铷谱灯光泵磁力仪的工作参数进行设置， 实现了磁力仪的高效、 精确测量。 0004 本发明提供的一种基于铷谱灯光泵磁力仪的数字化测量装置， 包括电源模块、 信 号发生器、 微处理器、 加热模块、 磁力仪、 温度传感器和计算机； 0005 所述电源模块为信号发生器和微处理器提供电源； 所述信号发。

7、生器在微处理器的 控制下为磁力仪提供设定频率及幅度的扫频信号； 所述温度传感器贴附于磁力仪的铷谱灯 泡的外表面测量铷谱灯泡的工作温度， 温度传感器将所述工作温度发送至微处理器； 所述 加热模块在微处理器的控制下将磁力仪中的铷谱灯泡加热到设定温度； 所述磁力仪将测量 得到的磁场值发送至微处理器； 0006 所述微处理器接收所述计算机的指令， 根据计算机的指令确定所述设定的频率及 幅度， 所述微处理器将所述磁场值发送至计算机进行处理。 0007 进一步地， 所述加热模块包括AD采样电路、 继电器输出电路和加热电路， 所述AD采 样电路用于采集所述工作温度和设定温度， 所述继电器输出电路用于控制加热。

8、电路的启动 和停止； 所述加热电路用于加热铷谱灯泡， 所述加热电路包括全功率加热电路和半功率加 热电路； 0008 所述加热模块在微处理器的控制下将磁力仪中的铷谱灯泡加热到设定温度的方 式为： 当工作温度低于阈值时， 启动全功率加热电路将铷谱灯泡加热到上限温度， 关闭全功 率加热电路， 使铷谱灯泡自然冷却， 当工作温度等于设定温度时， 启动半功率加热电路进行 加热。 0009 进一步地， 所述微处理器通过串口通信电路与所述计算机进行通信。 说明书 1/3 页 3 CN 111142053 A 3 0010 有益效果： 0011 本发明通过采用微处理器根据磁力仪的工作温度控制对磁力仪的加热过程，。

9、 能够 提高磁力仪工作的稳定性， 同时， 微处理器根据测量需要控制信号发生器产生磁力仪工作 所需的扫频信号， 提高了磁力仪工作的效率。 附图说明 0012 图1为本发明提供的一种基于铷谱灯光泵磁力仪的数字化测量装置的结构示意 图。 具体实施方式 0013 下面结合附图并举实施例， 对本发明进行详细描述。 0014 本发明提供了一种基于铷谱灯光泵磁力仪的数字化测量装置， 如图1所示， 包括电 源模块、 信号发生器、 微处理器、 加热模块、 磁力仪、 温度传感器和计算机。 0015 其中， 电源模块， 能够实现5V到3.3V电压的转换， 为信号发生器和微处理器提供电 源。 磁力仪将测量得到的磁场值。

10、发送至微处理器。 温度传感器贴附于磁力仪的铷谱灯泡的 外表面测量铷谱灯泡的工作温度， 温度传感器将测量得到的工作温度发送至微处理器。 0016 信号发生器， 在微处理器的控制下为磁力仪提供设定频率及幅度的扫频信号。 信 号发生器可以采用直接数字频率合成技术(简称DDS)实现， 例如， 采用数字直接频率合成器 AD9852， AD9852是高度集成化芯片， 采用了DDS技术结合内部高速、 高性能D/A转换器和比较 器， 形成可编程、 可灵活使用的频率合成功能， 当微处理器为信号发生器提供了精确的频率 时钟源时， AD9852将产生高稳定、 可编程频率及幅度的正弦波， 该正弦波信号即可作为铷光 泵。

11、磁力仪系统的扫频信号， 例如， 稳定输出磁力仪所需的70-700k的正弦信号。 0017 加热模块在微处理器的控制下将磁力仪中的铷谱灯泡加热到设定温度。 通常情况 下， 加热模块包含AD采样电路、 继电器输出电路和加热电路， AD采样电路用来采集微处理器 输出的工作温度及设定温度， 加热电路包括全功率加热电路和半功率加热电路， 根据采集 的工作温度， 通过继电器输出电路选择启动不同的加热电路， 具体过程为： 当工作温度低于 阈值时， 通常情况下阈值为50， 启动全功率加热电路将铷谱灯泡加热到上限温度， 通常情 况下上限温度为100， 关闭全功率加热电路， 使铷谱灯泡自然冷却， 当工作温度等于设。

12、定 温度时， 启动半功率加热电路进行加热。 实验表明， 铷谱灯泡的温度在70左右时， 测得的 吸收峰曲线最好， 这里通过控制加热方式使铷谱灯泡温度保持在70左右， 因此通常情况 下， 设定温度为70。 0018 微处理器接收计算机的指令， 根据计算机的指令确定信号发生器输出的扫频信号 的频率及幅度； 微处理器根据接收的工作温度确定铷谱灯泡的设定温度， 微处理器将磁场 值发送至计算机进行处理。 本发明中， 针对铷光泵磁力仪的高灵敏度要求， 同时兼顾硬件性 能和软件要求， 选用意法半导体(ST)公司生产的32位高性能ARM微控制器STM32F103R8T6 (以下简称STM32F103)， 该微控。

13、制器芯片基于Cortex-M3内核， Cortex-M3属于ARM7系列的32 位处理器， 具有功耗低、 处理速度快、 集成度高、 时钟频率高、 调试成本低等众多优势， 内部 有20个寄存器， 还有4个特殊功能寄存器。 STM32F103最高主频可以达到72MHZ， 拥有64K的片 内Flash， 20K的片内RAM， 芯片集成了多达4个定时器、 两个看门狗定时器、 2个SPI接口、 3个 说明书 2/3 页 4 CN 111142053 A 4 UART接口、 1个USB接口、 1个CAN接口、 51个多功能双向I/O口等多种功能。 0019 微处理器与计算机之间采用串口通信电路进行通信。 0020 综上所述， 以上仅为本发明的较佳实施例而已， 并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的 保护范围之内。 说明书 3/3 页 5 CN 111142053 A 5 图1 说明书附图 1/1 页 6 CN 111142053 A 6 。