本發(fā)明涉及一種基于壓力展寬的非接觸式溫度測(cè)量方法，可用于原子磁強(qiáng)計(jì)、原子自旋陀螺儀等儀器中的堿金屬氣室內(nèi)部溫度的測(cè)量。

背景技術(shù)：

堿金屬氣室是原子磁強(qiáng)計(jì)、原子陀螺儀等量子測(cè)量?jī)x器的核心敏感器件。堿金屬氣室內(nèi)部溫度的精確檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)堿金屬內(nèi)部溫度高精度控制的前提。原子磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度和原子陀螺的漂移與堿金屬原子的極化率密切相關(guān)，而堿金屬原子的極化率受溫度影響。因此，提出一種檢測(cè)堿金屬氣室內(nèi)部溫度的方法具有重要的意義。

現(xiàn)有的非接觸測(cè)溫方法還有紅外測(cè)溫法，優(yōu)點(diǎn)在于它不需要接觸到被測(cè)溫度場(chǎng)的內(nèi)部或表面，因此，不會(huì)干擾被測(cè)溫度場(chǎng)的狀態(tài)，測(cè)溫儀本身也不受溫度場(chǎng)的損傷；但是限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部溫度，同時(shí)易受環(huán)境因素如溫度、灰塵等的影響?，F(xiàn)在常用的堿金屬氣室檢測(cè)方法采用熱電阻等接觸式溫度測(cè)量方法，只能測(cè)量烤箱以及堿金屬氣室壁的溫度，不能精確得到堿金屬氣室內(nèi)部的溫度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)堿金屬氣室內(nèi)溫度的精確控制，這會(huì)對(duì)堿金屬原子的極化率造成很大的影響，進(jìn)而影響原子磁強(qiáng)計(jì)和靈敏度和原子陀螺的漂移。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問(wèn)題是：克服現(xiàn)有常規(guī)方法的不足，基于壓力展寬的方法，提供一種可測(cè)量堿金屬氣室內(nèi)部溫度的方法，提高了氣室內(nèi)溫度的測(cè)量精度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于壓力展寬的非接觸式溫度測(cè)量的方法，該方法首先將充有一種氣體的堿金屬氣室加熱至某一待測(cè)溫度，測(cè)量堿金屬原子的激光吸收光譜；對(duì)測(cè)得的譜線通過(guò)理論公式進(jìn)行擬合，得到壓力展寬；最后，根據(jù)溫度和壓力展寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到待測(cè)溫度。通過(guò)調(diào)整激光照射通過(guò)堿金屬氣室到不同位置，測(cè)量堿金屬氣室內(nèi)部不同位置的溫度，進(jìn)而測(cè)得溫度梯度。

其具體實(shí)現(xiàn)方法及步驟如下：

(1)加熱堿金屬氣室至某一待測(cè)溫度；

(2)采用波長(zhǎng)調(diào)諧范圍在堿金屬原子D1線附近的DBR激光器，將DBR激光器輸出的激光照射于堿金屬氣室并掃頻，測(cè)量不同頻率入射激光的透過(guò)率，從而計(jì)算出光學(xué)深度曲線，然后對(duì)光學(xué)深度曲線進(jìn)行洛倫茲函數(shù)擬合，獲得D1線的譜線壓力展寬Γ；

(3)利用已知的氣體在已知溫度T₀下引起的堿金屬D1線壓力展寬Γ₀以及步驟(2)獲得的Γ_T計(jì)算出待測(cè)溫度T，采用的公式為：

T₀是已知溫度，Γ₀是溫度T₀下氣體引起的堿金屬D1線壓力展寬，這兩個(gè)參數(shù)的值是已知的，Γ_T是已知?dú)怏w在待測(cè)溫度T下的引起的堿金屬D1線壓力展寬，是實(shí)際測(cè)量得到的；n為溫度依賴性，或者溫度系數(shù)，取值會(huì)隨著堿金屬和氣體的種類不同而不同，常用的堿金屬和惰性氣體的值在0.3到0.5；

(4)改變激光照射通過(guò)堿金屬氣室位置，重復(fù)步驟(1)-(3)，分別測(cè)量堿金屬氣室垂直于激光方向所在平面不同位置的壓力展寬，換算得到溫度，進(jìn)而測(cè)得整個(gè)堿金屬氣室內(nèi)的溫度分布，采用氣室內(nèi)部不同位置的不同溫度，得到堿金屬氣室溫度梯度；

所述的堿金屬氣室內(nèi)充有一種或多種氣體，并且氣體引起的壓力展寬值遠(yuǎn)大于自然展寬與多普勒展寬。

所述步驟(2)中的光學(xué)深度曲線計(jì)算公式為：

其中，υ為入射激光的頻率，I_out和I_in分別為堿金屬氣室出射和入射激光的光強(qiáng)。

所述步驟(2)中的洛倫茲函數(shù)為：

其中，k為比例系數(shù)，υ為激光頻率，υ₀為中心頻率，Γ為譜線壓力展寬，即洛倫茲曲線的半高全寬，δ為頻移。

所述步驟(4)中的溫度梯度的計(jì)算公式為：

其中為垂直激光方向平面上溫度梯度，定義xoy平面為垂直于激光方向平面，△x、△y為x、y方向上移動(dòng)的距離，△T為溫度變化量。

本發(fā)明的原理在于：堿金屬原子的吸收譜線具有一定的寬度，在沒有其它氣體存在的情況下存在自然展寬以及多普勒展寬。當(dāng)氣室內(nèi)存在氣體時(shí)譜線會(huì)出現(xiàn)壓力展寬，且壓力展寬遠(yuǎn)大于自然展寬和多普勒展寬，因此僅考慮壓力展寬。壓力展寬的大小與溫度存在函數(shù)關(guān)系，當(dāng)氣室內(nèi)氣體溫度變化時(shí)，壓力展寬會(huì)隨溫度變化。在已知?dú)怏w中，堿金屬特定的精細(xì)能級(jí)不同的溫度中壓力展寬是不同的，已有很多相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)溫度引起的各精細(xì)能級(jí)譜線的壓力展寬值進(jìn)行過(guò)詳細(xì)測(cè)量。因此，通過(guò)測(cè)量待測(cè)溫度下堿金屬精細(xì)能級(jí)的譜線展寬，再根據(jù)文獻(xiàn)中的已知測(cè)量結(jié)果，就可以計(jì)算出待測(cè)溫度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明通過(guò)測(cè)量堿金屬原子的一個(gè)精細(xì)能級(jí)D1線壓力展寬，根據(jù)所充已知?dú)怏w在已知溫度下引起的譜線壓力展寬，計(jì)算出待測(cè)溫度，彌補(bǔ)了熱電阻等傳統(tǒng)接觸式溫度測(cè)量方法中，無(wú)法測(cè)量堿金屬氣室內(nèi)部溫度的不足，提高了氣室內(nèi)溫度的測(cè)量精度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的測(cè)量方法流程圖；

圖2為本發(fā)明中激光吸收光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過(guò)測(cè)量堿金屬原子D1線的激光吸收譜線，并對(duì)譜線進(jìn)行理論擬合得到相應(yīng)的壓力展寬，再根據(jù)溫度和壓力展寬之間的關(guān)系解算出堿金屬氣室內(nèi)部的溫度。堿金屬氣室存在一定的體積，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法只能測(cè)量堿金屬氣室壁上溫度傳感器接觸的面積上的溫度，無(wú)法測(cè)得堿金屬內(nèi)部的溫度，接觸式測(cè)量需要將堿金屬氣室內(nèi)置傳感器，這對(duì)于用于原子磁強(qiáng)計(jì)、原子自旋陀螺儀是沒有實(shí)際意義的。基于壓力展寬的溫度測(cè)量方法，可以解決這一問(wèn)題，測(cè)得堿金屬內(nèi)部溫度。同時(shí)，通過(guò)改變激光照射通過(guò)堿金屬氣室位置，分別測(cè)量堿金屬氣室垂直于激光方向不同位置的壓力展寬，換算得到溫度，進(jìn)而測(cè)得整個(gè)堿金屬氣室內(nèi)的溫度分布，得到溫度梯度。

如圖1所示，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下：

(1)將待測(cè)的充有一種或多種氣體的堿金屬氣室安裝于如圖2所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，將其加熱至待測(cè)的某一溫度。

激光器1首先采用可調(diào)諧范圍在堿金屬原子D1線附近的DBR激光器，其輸出的激光經(jīng)過(guò)波片3和偏振分光棱鏡4后分為兩束光，一束傳輸至波長(zhǎng)計(jì)2以測(cè)量其頻率，另一束傳輸至分光棱鏡5。分光棱鏡的一束光進(jìn)入低壓參考?xì)馐?0，繼而通過(guò)光電探測(cè)器12進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14，用來(lái)標(biāo)定中心頻率，另一束光進(jìn)入斬波器6后，對(duì)光進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)一個(gè)分光比為1:1的消偏振分光棱鏡7，一束通過(guò)光電探測(cè)器11進(jìn)入雙路鎖相放大器13進(jìn)行解調(diào)，以減小環(huán)境中雜散光的影響，最后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14，另一束通過(guò)充有一種氣體的堿金屬氣室8后，通過(guò)光電探測(cè)器9進(jìn)入雙路鎖相放大器13進(jìn)行解調(diào)，最后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14。

(2)將激光器1的輸出在堿金屬原子D1線附近掃頻，記錄相應(yīng)的激光頻率v以及光電探測(cè)器的輸出I_in和I_out，從而實(shí)現(xiàn)吸收譜線的測(cè)量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出堿金屬氣室8的光學(xué)深度曲線OD(v)公式如下：

利用洛倫茲函數(shù)對(duì)OD(v)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合公式如下：

其中，k為比例系數(shù)，υ為激光頻率，υ₀為中心頻率，Γ為譜線壓力展寬，即洛倫茲曲線的半高全寬，δ為頻移。

(3)利用已知的氣體在已知溫度T₀下引起的堿金屬D1線壓力展寬Γ₀及步驟(2)獲得的Γ計(jì)算出待測(cè)溫度T，采用的公式為：

n為溫度依賴性，或者溫度系數(shù)，取值會(huì)隨著堿金屬和氣體的種類不同而不同，常用的堿金屬和惰性氣體的值在0.3到0.5。

(4)改變激光照射通過(guò)堿金屬氣室位置，重復(fù)步驟(1)-(3)，分別測(cè)量堿金屬氣室垂直于激光方向所在平面不同位置的壓力展寬，換算得到溫度，進(jìn)而測(cè)得整個(gè)堿金屬氣室內(nèi)的溫度分布，采用氣室內(nèi)部不同位置的不同溫度，得到堿金屬氣室溫度梯度。

本發(fā)明說(shuō)明書中未做詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。