被动型氢原子钟氢原子束流量控制系统

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氢原子钟的长期频率稳定度主要受限于系统效应,包括氢原子束流量的变化、腔牵引效应、壁移和二级多普勒效应等;短期稳定度则通常取决于系统的基本热噪声。为进一步提高氢原子钟的频率稳定度,必须考虑各个方面的影响并加以改善。本文通过分析氢原子束流量对氢钟频率稳定度的影响,提出应将流量的变化水平限制在5%以内,并为此设计了流量控制系统。本文首先分析了氢原子钟内真空系统的气体流动特性,提出可将氢原子束流量的测量转换为对系统真空度的测量。对比各种真空测量方法后,系统采用热传导真空计的原理测量真空度,并做出了论证。最后,论文在真空度检测的基础上设计了闭环控制系统,通过调节钯银合金管的加热功率,实现对氢原子束流量的控制。系统首先设计了氢原子束流量测量电路,选用C8051fl21 MCU作为核心控制器,并设计了环境温度检测模块、流量给定模块、PWM控制的加热模块、数据通信模块和电源模块等相关电路。继而设计了流量控制软件,实现数据的采集和处理,以及单片机与上位机的通信等功能。实验平台搭建完成后,系统对比普通的PID控制算法,选择了Dahlin算法作为控制算法,并确定了Dahlin数字控制器的控制参数和控制流程。最后设计和执行了一系列氢原子束流量控制实验以评估系统的控制性能。实验数据表明,系统能够实现氢原子束流量调节功能,控制精度优于99.56%,相对稳定度优于2%,重复性好,可达到设计目标。
摘要第5-6页
Abstract第6页
第一章 绪论第9-17页
    1.1 氢原子钟的应用和国内外研究现状第9-11页
    1.2 氢原子钟的基本理论、工作原理和物理部分第11-15页
        1.2.1 氢原子钟的基本理论第11-12页
        1.2.2 氢原子钟的工作原理和物理部分第12-13页
        1.2.3 氢原子束流量与氢钟长期稳定度第13-14页
        1.2.4 氢原子束流量与氢钟短期稳定度第14-15页
    1.3 论文研究目的及意义第15页
    1.4 论文研究内容和章节安排第15-17页
第二章 氢原子束流量测量与控制方法分析第17-27页
    2.1 氢原子钟物理部分内真空系统第17-20页
        2.1.1 氢源第17-18页
        2.1.2 净化和流量控制装置第18-19页
        2.1.3 真空建立和维持系统第19-20页
    2.2 氢原子束流量测量方法分析第20-26页
        2.2.1 氢原子钟内真空系统气体流动分析第20-21页
        2.2.2 真空测量方法分析第21-23页
        2.2.3 热敏电阻法真空测量分析第23-26页
    2.3 氢原子束流量控制系统设计第26页
    2.4 本章小结第26-27页
第三章 系统硬件设计第27-39页
    3.1 系统硬件电路总体设计第27-28页
    3.2 流量检测模块电路设计第28-31页
        3.2.1 热敏电阻选型第28-29页
        3.2.2 测量桥路设计第29-30页
        3.2.3 前端放大电路设计第30-31页
        3.2.4 流量测量电路设计第31页
    3.3 主控制芯片选型第31-32页
    3.4 流量给定模块设计第32-33页
    3.5 环境温度测量模块第33-34页
    3.6 PWM控制的加热模块设计第34-35页
        3.6.1 PWM输出电路第34-35页
        3.6.2 功率驱动电路第35页
    3.7 数据通信模块设计第35-37页
        3.7.1 数据传输电路设计第36页
        3.7.2 下载调试电路设计第36-37页
    3.8 电源模块设计第37页
    3.9 系统硬件实物第37-38页
    3.10 本章小结第38-39页
第四章 系统软件设计第39-47页
    4.1 系统软件总体设计第39页
    4.2 主控芯片软件设计第39-46页
        4.2.1 系统初始化程序设计第40-44页
        4.2.2 数据采集和处理软件设计第44-45页
        4.2.3 控制算法子程序第45-46页
        4.2.4 数据通信程序设计第46页
    4.3 本章小结第46-47页
第五章 控制算法第47-55页
    5.1 系统响应函数测定第47-49页
    5.2 PID控制算法第49-50页
    5.3 Dahlin数字控制器第50-52页
    5.4 控制参数与控制流程第52-53页
        5.4.1 控制参数第52-53页
        5.4.2 控制流程第53页
    5.5 本章小结第53-55页
第六章 实验数据分析第55-61页
    6.1 系统控制功能测试第55-56页
    6.2 控制精度与长期稳定性第56-58页
    6.3 系统重复性第58-59页
    6.4 本章小结第59-61页
第七章 总结与展望第61-63页
    7.1 总结第61页
    7.2 展望第61-63页
致谢第63-65页
参考文献第65-69页
攻读硕士学位期间发表的论文第69页
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