一种基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构

本发明涉及一种基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构，可用于原子自旋陀螺惯性测量技术领域。

背景技术：

基于原子自旋的惯性测量系统是目前国际公认的发展潜能最大、精度最高的惯性测量装置，原子自旋惯性测量系统的敏感元件是充有一些特定气体的原子气室，气室温度直接影响到气室内原子密度，进而对系统整体的灵敏度产生关键性的影响。所以，控制气室温度的稳定性和均匀性十分关键。

目前用于原子气室的温控系统主流是电加热，虽然控制实现方便，但存在如下弊端：烤箱与气室上部分之间仅仅存在线接触，加热主要依靠烤箱气室座的热传导，加热效率和整体均匀性都不好，且抽运光孔处空气对流散热没有针对性的抑制，造成气室温度场梯度较大；气室温控点单一，控温点位于气室柄，远离气室球，只能保证一点的温度稳定，不能反映气室主要部件的温度；电阻引线杂乱，产生不规则磁场。

技术实现要素：

本发明提出一种基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构，不仅可以针对性的抑制抽运光孔的空气对流散热，还可以有效克服现有电加热系统中残余磁场、控温点单一的问题，实现气室内部温度梯度不大于0.5k的高精准测控。

本发明技术方案如下：

所述的一种基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构，其特征在于，由原子气室、高均匀度无磁烤箱和分布式无磁加热膜三部分组成，由内到外分布，其中：

原子气室分为气室球和气室柄两部分，气室球充有工作原子气体k-rb-²¹ne和淬灭气体n2，利用抽运光维持气室球内原子的极化状态，利用检测光实现气室内原子的角速度信号的检测，气室柄用来辅助固定以及增加导热面积的作用；

高均匀度无磁烤箱由烤箱固定件、烤箱气室座两部分组成，两部分均通过氮化硼陶瓷铣削加工制成，通过直插型的间隙配合，上下嵌套在一起，利用无接触式等曲率弧形套爪，将气室包覆在烤箱的几何中心，实现气室温度梯度的精确测量；

分布式无磁加热膜由一体式基底、定位基准孔、上部无磁加热丝、下部无磁加热丝、独立焊盘共六部分组成，一体式基底采用柔性耐高温材料聚酰亚胺薄膜，基底中间的定位基准孔提供安装定位基准，实现位置自对准，上部无磁加热丝位于加热膜的上部，抑制对流散热的影响，使气室上部分达到既定温度，下部无磁加热丝位于加热膜的下部，通过热量传导，使气室下部分达到目标温度，实现气室内温度精准控制，两部分无磁加热丝的焊盘都从加热膜的下端引出，实现一体化，一方面可以避免上端引出驱动线的麻烦，另一方面便于焊接；

本发明的一种基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构，烤箱固定件由轴向固定螺纹孔、抽运光孔、圆柱形正交贯通孔、等曲率弧形凹爪、2个无接触式精准测温槽(上)、对流监控测温槽、对称式消磁走线槽、直插配合孔、对称式螺纹孔组成，轴向固定螺纹孔利用无磁螺钉，实现烤箱固定件与惯性测量系统基座的固定连接，抽运光孔轴向贯通，实现抽运光的通过，圆柱形正交贯通孔径向均匀分布，实现检测光的通过，等曲率弧形凹爪、无接触式精准测温槽(上)、对流监控测温槽和对称式消磁走线槽构成无接触式等曲率弧形套爪上半部分，实现对气室温度的精准热控和测量，直插配合孔位于烤箱固定件下部，实现烤箱气室座与烤箱固定件之间的快捷式直插紧固配合；对称式螺纹孔位于烤箱气室座的下表面，实现与烤箱气室座的固定连接；

本发明的一种基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构，烤箱气室座由4个等曲率弧形爪、2个无接触式精准测温槽(下)、4个检测光孔、1个气室柄定位观察孔、2个轴向对称式消磁走线孔、走线槽和2个内凹式螺钉定位辅助孔共7部分构成，等曲率弧形爪、无接触式精准测温槽(下)、检测光孔、气室柄定位观察孔和消磁走线孔构成无接触式等曲率弧形套爪下半部分，实现对气室温度的精准热控和测量，走线槽对称分布于烤箱气室座的下部分的外侧面，与对称式消磁走线槽对准配合后实现走线，内凹式螺钉定位辅助孔位于烤箱气室座下表面，与定位紧固螺纹孔相配合，实现烤箱固定件与烤箱气室座的连接，在整个装配过程中采用高导热胶填补各部分的装配间隙，增大与气室接触面积来提高均匀性，并实现精准靶向传热提高导热效率；

本发明的一种基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构，等曲率弧形套爪由等曲率弧形凹爪、无接触式精准测温槽(上)、对流监控测温槽、对称式消磁走线槽、等曲率弧形爪、无接触式精准测温槽(下)、检测光孔、气室柄定位观察孔和消磁走线孔构成，等曲率弧形凹爪位于烤箱固定件中部，实现烤箱固定件与气室球上半部分的高接触率和高裹覆面积，4个等曲率弧形爪位于烤箱气室的上表面，实现对气室的完全裹覆，具有导热速率高，均匀性好的优点，2个无接触式精准测温槽(上)位于弧形凹爪内部，用于安置高精度pt1000热敏电阻精准测温，并实现弧形爪与气室的均匀接触，两个无接触式精准测温槽(下)位于对立的两个等曲率弧形爪的内部，实现对气室球下半部分的精准测温，四个测温槽形成轴向错落、径向均匀的分布，互不影响，测温槽中的独立高精度pt1000热敏电阻作为温度传感器实现对气室球温度场的精确测量，对应位置的一对高精度pt1000热敏电阻作为温度反馈，实现温度的闭环控制，另外一组作为备份检测温度场，对流监控测温槽位于抽运光孔的内壁，放置2个独立高精度pt1000热敏电阻靶向监控气室上半段的温度实现对烤箱温度场的精确测量，对称式消磁走线槽位于无接触式精准测温槽(上)的外侧，在不影响传热的基础上，轴对称分布保证测温电流相互抵消，实现磁场的消除，4个检测光孔位于等曲率弧形爪的中间，实现两束正交检测光的贯通，轴向贯通的气室柄定位观察孔位于烤箱气室座中轴线方向，安装气室柄和涂导热胶，实现精确热控，轴向对称式消磁走线孔实现高精度pt1000热敏电阻引线的平行走线和对称消磁；

本发明的一种基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构，上下两部分无磁加热丝采用镍铬合金，采用正反双层叠加无磁方式进行高密度s形反向平行布线，走线设计左右交错分布，二者没有电气连接，激励时正反两面电流反相的方式，在保证高均匀加热的同时，实现驱动电流产生的磁场的精确抑制，作业过程中上下两部分无磁加热丝电流流向相同，消除加热电流给气室球带来的残余磁场。

本发明相对于现有技术优势在于：

1.所述的基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构，通过创新性的无接触式等曲率弧形套爪实现气室梯度精准测控，分布式无磁加热膜实现大面积精准热控，高效解决抽运光孔对流散热导致的气室温度梯度难题；

2.提出的等曲率弧形套爪，在保障抽运效果的基础上，通过等曲率弧形凹爪内部的无接触式精准测温槽实现对气室球温度场的精确测量，通过烤箱固定件上的等曲率弧形凹爪，解决气室上下两部分的加热不对称的问题；

3.提出的分布式无磁加热膜，通过s形平行布线的正反双层无磁加热丝布局，在保证精准热控的基础上，通过正反面电流反相控制，实现驱动电流剩余磁场精确抑制，最大程度上提供无磁环境。

附图说明

图1为基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构的1/2剖视示意图；

图2为基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构的烤箱固定件结构示意图；

图3为基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构的烤箱气室座结构示意图；

图4为基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构的分布式无磁加热膜结构示意图；

图中各标记为：

1-气室，11-气室球，12-气室柄，2-高均匀度无磁烤箱，21-烤箱固定件，211-轴向固定螺纹孔，212-抽运光孔，213-圆柱形正交贯通孔，214-等曲率弧形凹爪，215-无接触式精准测温槽(上)，216-对流监控测温槽，217-对称式消磁走线槽，218-直插配合孔，219-对称式螺纹孔，22-烤箱气室座，221-等曲率弧形爪，222-无接触式精准测温槽(下)，223-检测光孔，224-气室柄定位观察孔，225-轴向对称式消磁走线孔，226-走线槽，227-内凹式螺钉定位辅助孔，23-等曲率弧形套爪，3-分布式无磁加热膜，31-一体式基底，32-定位基准孔，33-上部无磁加热丝，34-下部无磁加热丝，35-上部焊盘，36-下部焊盘

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合具体实施例和对比例，对本发明进行更详细的说明：

一种基于无接触式等曲率弧形套爪的无磁高均匀度温控结构，由原子气室1、高均匀度无磁烤箱2和分布式无磁加热膜3三部分组成，由内到外分布；通过创新性的无接触式等曲率弧形套爪23，配合分布式无磁加热膜3实现多冗余气室温度场精准测控；

原子气室1分为气室球11和气室柄12两部分，气室球11直径为10mm，球内充有压强为2200torr的工作原子气体k-rb-²¹ne和50torr的淬灭气体n2，抽运光通过位于气室球顶部的抽运光孔212实现气室内原子的极化检测，检测光通过位于烤箱中间两对镜像的检测光孔213和223，实现气室内原子的角速度信号的检测；气室柄12用来辅助固定以及增加导热面积的作用；

高均匀度无磁烤箱2，由烤箱固定件21、烤箱气室座22两部分组成，两部分均通过氮化硼陶瓷铣削加工制成，通过直插型的间隙配合，上下嵌套在一起，利用创新性的无接触式等曲率弧形套爪23，将气室1包覆在烤箱2的几何中心；

烤箱固定件21由轴向固定螺纹孔211、抽运光孔212、圆柱形正交贯通孔213、等曲率弧形凹爪214、2个无接触式精准测温槽(上)215、对流监控测温槽216、对称式消磁走线槽217、直插配合孔218、对称式螺纹孔219共9部分组成；轴向固定螺纹孔211径向均匀分布于烤箱固定件21上表面，利用无磁螺钉，实现烤箱固定件21与惯性测量系统基座的固定连接；抽运光孔212位于烤箱固定件上半部分，轴向贯通，半径为气室球半径的五分之四(8mm)，实现抽运光的通过；圆柱形正交贯通孔213位于烤箱固定件21中部，径向均匀分布，半径为检测光有效光斑半径(5mm)，实现检测光的通过；等曲率弧形凹爪214位于烤箱固定件21中部，曲率半径设计为气室球半径(5mm)，且曲率中心位于中轴线，实现烤箱固定件21与气室球11上半部分的高接触率和高裹覆面积；无接触式精准测温槽(上)215位于弧形凹爪214内部，对称分布，用于安置高精度pt1000热敏电阻精准测温，并实现弧形爪与气室的均匀接触；对流监控测温槽216位于抽运光孔的内壁，处于烤箱固定件21上半段的中间位置，针对抽运光孔处的空气对流的影响，靶向监控气室上半段的温度；对称式消磁走线槽217位于无接触式精准测温槽(上)215的外侧，在不影响传热的基础上，轴对称分布保证测温电流相互抵消，实现磁场的消除；直插配合孔218位于烤箱固定件21下部，用来放置烤箱气室座22，实现烤箱气室座22与烤箱固定件21之间的快捷式直插紧固配合；对称式螺纹孔219位于烤箱气室座22的下表面，实现与烤箱气室座的固定连接；

烤箱气室座22由4个等曲率弧形爪221、2个无接触式精准测温槽(下)222、4个检测光孔223、1个气室柄定位观察孔224、2个轴向对称式消磁走线孔225、走线槽226和2个内凹式螺钉定位辅助孔227共7部分构成；4个等曲率弧形爪221位于烤箱气室座22的上表面，径向均匀分布，曲率半径为5mm且曲率中心位于烤箱气室座22上表面的圆心，实现对气室的完全裹覆，具有导热速率高，均匀性好的优点；无接触式精准测温槽222位于对立的两个等曲率弧形爪221的内部，实现对气室球11下半部分的精准测温；4个检测光孔223位于每个等曲率弧形爪的中间，半径为5mm，呈半圆柱形，与圆柱形正交贯通孔213形成同轴线配合，实现两束正交检测光的贯通；轴向贯通的气室柄定位观察孔224位于烤箱气室座22中轴线方向，安装气室柄和涂导热胶，实现精确热控；轴向对称式消磁走线孔225，位于上述两个无接触式精准测温槽(下)222的下方，距离中轴线5.5mm，实现高精度pt1000热敏电阻引线的平行走线和对称消磁；走线槽226位于烤箱气室座的下部分的外侧面，对称分布，装配后与对称式消磁走线槽215对准配合后实现走线；内凹式螺钉定位辅助孔227位于烤箱气室座下表面，与定位紧固螺纹孔219相配合，实现烤箱固定件21与烤箱气室座22的连接；在整个装配过程中采用高导热胶填补各部分的装配间隙，增大与气室接触面积来提高均匀性，并实现精准靶向传热提高导热效率；

分布式无磁加热膜3由一体式基底31、定位基准孔32、上部无磁加热丝33、下部无磁加热丝34、独立焊盘35和36共6部分组成；一体式基底31采用柔性耐高温材料聚酰亚胺薄膜，基底中间的定位基准孔32提供安装定位基准，实现位置自对准；上部无磁加热丝33位于加热膜的上部，抑制对流散热的影响，使气室上部分达到既定温度；下部无磁加热丝34位于加热膜的下部，通过热量传导，使气室下部分达到目标温度，实现气室内温度精准控制；无磁加热丝33和34采用镍铬合金，走线设计左右交错分布，二者没有电气连接；无磁加热丝的焊盘35、36都从加热膜的下端引出，实现一体化，一方面可以避免上端引出驱动线的麻烦，另一方面可以实现焊接方便；

分布式无磁加热膜3，根据法拉第电磁感应定律，采用正反双层叠加无磁的加热丝的方式进行高密度s形反向平行布线，激励时正反两面电流反相的方式，通过mathcad仿真软计算无磁加热丝线宽和线间距，每层的加热丝线宽0.2mm，厚度0.01mm，线间距0.2mm，在保证高均匀加热的同时，实现驱动电流产生的磁场的精确抑制；上下两部分无磁加热丝33、34结构相同，距离定位基准孔32圆心等距(4mm)，且上下两部分电流流向相同，消除两部分加热电流给气室球11带来的残余磁场。

应当指出,以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。因此,尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明,但是,本领域技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或者等同替换。总之,一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变,其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。