被动型氢原子钟氢原子束流量测量系统设计

摘要

氢原子钟是一种高精度的现代时间和频率标准，主要应用于航空航天等需要高精度频率标准的场合。氢钟氢原子束流量测量是氢原子束流量控制的前提，对氢钟输出长期稳定信号有着重要的作用。氢原子束流量需要根据氢钟工作情况进行实时调整，测得氢原子束流量显得尤为必要。
　　分析被动型氢原了钟物理系统结构知，氢原子束流直接测量比较困难。研究相关理论，选择合适的测量方案，设计氢原子束流量测量系统，为进一步控制氢钟氢原子束流量提供前提。
　　论文首先研究氢原子束流系统，对氢原子束流进行流体力学分析，得到对于氢原子束流量测量可以转化为真空度测量，通过研究真空测量相关理论和方法，选择热传导真空计测量方式间接测量氢原子束流量;其次，根据测量系统设计方案设计硬件电路，选择合适热敏电阻，确定桥路参数，选择性能合适的单片机，设计环境温度测量电路等，完成系统硬件电路设计;第三，编写系统软件，实现ADC采样，环境温度测量，数据输出、通信和存储完成流量测量，其中包括系统初始化设计，实现单片机各部分功能，并通过编译软件进行在线调试和编译，实现流量测量;最后，搭建实验装置，分步设计实验，确定热敏电阻自热功率，氢原子束流量测量及标定，利用Matlab对数据处理，给出流量与ADC输出值的对应关系。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 论文研究目的及意义

1．3 论文主要研究内容

第二章 被动型氢原子钟简介

2．1 氢原子钟理论基础

2．2 氢原子钟工作原理

2．3 氢原子钟的物理系统组成

2．3．1 氢源

2．3．2 钯银合金管

2．3．3 电离系统

2．3．4 准直器

2．3．5 四极磁选态器

2．3．6 贮存泡

2．3．7 微波腔

2．3．8 真空系统建立和维持

2．3．9 其它部件

2．4 本章小结

第三章 氢原子束流量测量系统设计分析

3．1 氢原子束流系统

3．2 氢原子束流流体力学理论分析

3．2．1 氢原子束流流动、系统和控制体的分析

3．2．2 气体流体力学恒定流的连续方程

3．3 氢钟真空系统分析

3．3．1 真空度与压力

3．3．2 真空度与钛离子泵功率

3．4 氢原子束流量测量方法分析

3．5 热传导真空计

3．5．1 热传导真空计的工作原理

3．5．2 热丝温度的测量方法

3．5．3 热传导真空计的测量范围

3．5．4 热敏电阻真空计

3．6 氢原子束流量测量系统设计方案

3．7 本章小结

第四章 氢原子束流量测量系统硬件电路设计

4．1 测量系统硬件电路总体设计框图

4．2 流量测量传感器选型

4．3 测量电路设计

4．3．1 测量桥路设计

4．3．2 前端放大电路设计

4．3．3 测量电路总体设计

4．4 主控模块设计

4．4．1 单片机选型

4．4．2 主控电路设计

4．5 环境温度测量电路

4．6 电源模块设计

4．7 通信电路设计

4．7．1 串口RS232电路

4．7．2 下载程序接口JTAG

4．8 硬件电路板

4．9 本章小结

第五章 氢原子束流量测量系统软件设计

5．1 测量系统软件设计框图

5．2 系统初始化设计

5．2．1 GPIO初始化

5．2．2 串口初始化

5．2．3 ADC0初始化

5．2．4 DS18B20测温元件初始化

5．3 ADC0采样程序设计

5．3．1 30S延时子程序设计

5．3．2 采样程序设计

5．4 环境温度测量程序设计

5．5 数据输出

5．6 数据通信及数据存储

5．7 本章小结

第六章 实验数据处理与标定

6．1 实验系统装置及实验设计

6．1．1 流量测量实验系统搭建

6．1．2 流量测量实验设计

6．2 热敏电阻自热功率确定实验

6．2．1 不同自热平衡功率比较实验

6．2．2 桥路参数确定

6．3 氢原子束流量测量实验

6．3．1 氢原子束流量测量实验步骤

6．3．2 氢原子束流量测量实验结果分析

6．4 实验标定及数据处理

6．4．1 标定实验设计及步骤

6．4．2 实验数据处理

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文