CN102890163B - 基于表面等离子体共振的光学加速度传感器 - Google Patents

基于表面等离子体共振的光学加速度传感器 Download PDF

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本发明涉及基于表面等离子体共振的光学加速度传感器。该加速度传感器包括表面等离子体共振折射率传感器和气体膜盒。利用气体膜盒作为第一级加速度敏感元件，将输入的加速度变化转化为新型气体膜盒内传感气体的折射率变化，通过表面等离子体共振折射率传感器测量出折射率的变化，该折射率变化与输入加速度的大小成正比。本发明将在生物、化学传感领域广泛应用的SPR传感技术与新型气体膜盒相结合，应用于加速度传感中，具有灵敏度高、结构简单等特点。

Description

基于表面等离子体共振的光学加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种新型光学加速度传感器，特别涉及一种基于表面等离子体共振原理和新型气体膜盒相结合的加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是将运载体的加速度通过各种测量原理转化为电信号的传感装置，它在工业生产、惯性技术等领域都有着广泛应用。加速度计的发展已经经历了几十年的历史，种类繁多。其中光学加速度传感器以其高灵敏度、强抗电磁干扰能力等优点逐渐成为国内外加速度计研究的热点。专利ZL200910227028.8公开了一种高精度双Y型腔双频激光加速度计。而在一般应用场合中，更高性价比的光学加速度传感器是其发展方向之一。光纤加速度传感器和微光机电加速度传感器是这个发展方向的典型代表。
表面等离子共振(surface plasma resonance，简称为SPR)是一种物理光学现象。利用光在玻璃界面处发生全内反射时的消失波, 可以激发金属表面的自由电子产生表面等离子体子。在入射角或波长为某一适当值的条件下, 表面等离子体子与消失波的频率和波数相等, 二者将发生共振, 入射光被吸收, 反射光能量急剧下降, 在反射光谱上出现共振峰(即反射强度最低值)。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时, 共振峰位置将不同。该物理特性可用于测量介质的折射率，已广泛应用于化学化工、生物、环境监测领域，逐渐形成了国际传感器领域新的研究热点，即SPR折射率传感器。SPR折射率传感器一般由光源部分、光学耦合部分、信号检测与控制部分等组成。按照SPR折射率传感器的光学耦合结构分类，主要有棱镜耦合结构、衍射光栅耦合结构、光波导耦合结构以及光纤耦合结构等，其中Kretschmann棱镜耦合结构的研究和应用最为广泛，其理论和技术比较成熟。按照SPR折射率传感器的信号检测方式分类，主要有角度调制、波长调制、强度调制和相位调制等。不同类型的SPR折射率传感器中，信号检测与控制部分具有不同的组成和功能，其主要功能包括光源的波长调谐、光源的相位调谐、光源的功率调谐、光源入射角的调谐、出射光信号的检测与数据处理等。
气体膜盒是一种工业领域传统的弹性元件，应变式膜盒气体压强传感器是其典型应用，它可完成膜盒内气体压强与膜盒形变之间的转换。专利ZL200910227028.8中提出了一种新型气体膜盒结构，利用该气体膜盒可以完成从加速度到膜盒内气体折射率的转换。
发明内容
本发明的目的是：提出一种基于表面等离子体共振原理和新型气体膜盒结构的加速度传感器，具有结构简单、灵敏度高等优点。
该加速度传感器利用气体膜盒作为第一级加速度敏感元件，将输入的加速度变化转化为气体膜盒内传感气体的折射率变化，通过表面等离子体共振折射率传感器测量出新型气体膜盒内传感气体的折射率变化，该折射率变化与输入加速度的大小成正比。
本发明所采用的技术方案是一种基于表面等离子体共振和新型气体膜盒的加速度传感器，其特征在于：该加速度传感器包括表面等离子体共振（SPR）折射率传感器和气体膜盒，其中，气体膜盒由圆筒、超薄石英片和质量块组成；质量块为圆柱形，粘接在超薄石英片中心；超薄石英片为圆形，粘接在圆筒的第一端面上；
其中，SPR折射率传感器包括光源部分、光学耦合部分、信号检测与控制部分；光学耦合部分为Kretschmann棱镜耦合结构，包括棱镜、金属膜，金属膜为50nm厚的金膜或银膜，金属膜镀在棱镜底面上，棱镜为等腰三角形或半圆柱形；圆筒的第二端面粘接在棱镜底部，构成密闭空间，其内充有一定压强的气体，称为传感气体。
其中，SPR折射率传感器可采用多种信号检测方式，不同信号检测方式的SPR传感器中，光源的类型不同，信号检测与控制部分的组成和功能也不同。
该加速度传感器利用气体膜盒作为第一级加速度敏感元件，当垂直于超薄石英片方向有加速度输入时，在质量块和超薄石英片的惯性力作用下，超薄石英片产生弹性形变，气体膜盒的体积增大（或减小），与气体膜盒内传感气体的密度减小（或增大），根据格拉德斯通－戴尔(Gladstone-Dale)公式，折射率也相应减小（或增大），再通过SPR折射率传感器测量出折射率的变化，该折射率的变化正比于输入加速度的大小。
其中，当SPR折射率传感器采用角度调制方式时，光源采用单色光，信号检测与控制部分包括旋转平台、光电探测器、信号处理电路，Kretschmann棱镜耦合结构和新型气体膜盒固定在旋转平台上。信号检测与控制部分的功能主要有控制与改变光源的入射角、接收并检测反射光的强度随入射角的变化、根据共振角的变化反演出折射率的变化，进而计算出输入加速度的变化。
其中，当SPR折射率传感器采用波长调制方式时，光源采用白光光源，信号检测与控制部分包括光谱仪和信号处理电路。信号检测与控制部分的功能主要有根据共振波长的变化反演出折射率的变化，进而计算出输入加速度的变化。
其中，当SPR折射率传感器采用强度调制方式时，光源采用激光光源，信号检测与控制部分包括光电探测器和信号处理电路。信号检测与控制部分的功能主要有接收并检测反射光强，根据反射光强的变化反演出折射率的变化，进而计算出输入加速度的变化。
其中，当SPR折射率传感器采用相位调制方式时，光源采用单色光，信号检测与控制部分包括光电探测器和信号处理电路。信号检测与控制部分的功能主要有检测反射光中s光和p光的相位差，根据相位差的变化反演出折射率的变化，进而计算出输入加速度的变化。
本发明的有益效果是：
本发明将在生物、化学传感领域广泛应用的SPR传感技术与新型气体膜盒相结合，应用于加速度传感中，具有灵敏度高、结构简单等特点。
附图说明
图1为基于表面等离子体共振的光学加速度传感器结构图；
图2为新型气体膜盒的剖面图；
图3为光学耦合部分与新型气体膜盒连接图；
图4为Kretschmann棱镜耦合结构波长调制型SPR光学加速度传感器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。但不应因此限制本发明的保护范围。
如图1所示，基于表面等离子体共振的光学加速度传感器包括SPR折射率传感器100、新型气体膜盒200。SPR折射率传感器100包括光源部分101、光学耦合部分102和信号检测与控制部分103。新型气体膜盒完成从输入加速度到折射率变化的转换，SPR折射率传感器测量出折射率的变化，从而完成对加速度的传感。
如图2所示，新型气体膜盒200包括圆筒201、超薄石英片202和质量块203。质量块203为圆柱形，粘接在超薄石英片202的中心。超薄石英片202为圆形，粘接在圆筒201的第一端面上。
如图3所示，光学耦合部分102包括棱镜10201、金属膜10202，金属膜镀制在棱镜底部，棱镜为等腰三角形或半圆柱形。圆筒201的第二端面与光学耦合部分102中棱镜的底部粘接在一起，构成密闭空间，其内充有一定压强的传感气体。
下面对本发明的一个实施示例作具体说明。
图4是Kretschmann棱镜耦合结构波长调制型SPR光学加速度传感器的结构图，信号检测方式采用波长调制，光源采用白光源。光源部分101包括白光源10101、光束方向调节机构10102和会聚透镜10103，用于调整入射光的方向和会聚程度。信号检测与控制部分由光谱仪10301和信号处理电路10302组成。光谱仪10301用于检测出射光强最小的波长，即共振波长。信号处理电路10302根据共振波长的变化反演出折射率的变化，进而计算出输入加速度的变化。

Claims (6)

1.基于表面等离子体共振的光学加速度传感器，包括SPR折射率传感器和气体膜盒，其特征在于，气体膜盒由圆筒、超薄石英片和质量块组成；质量块粘接在超薄石英片中心；超薄石英片粘接在圆筒的第一端面上；其中，SPR折射率传感器包括光源部分、光学耦合部分、信号检测与控制部分；光学耦合部分，包括棱镜、金属膜，金属膜镀在棱镜底面上，圆筒的第二端面粘接在棱镜底部；
该加速度传感器利用气体膜盒作为第一级加速度敏感元件，当垂直于超薄石英片方向有加速度输入时，在质量块和超薄石英片的惯性力作用下，超薄石英片产生弹性形变，气体膜盒的体积增大或减小，且气体膜盒内传感气体的密度减小或增大，根据格拉德斯通－戴尔公式，折射率也相应减小或增大，再通过SPR折射率传感器测量出折射率的变化，该折射率的变化正比于输入加速度的大小。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的光学加速度传感器，其特征在于，所述质量块为圆柱形。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的光学加速度传感器，其特征在于，所述超薄石英片为圆形。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的光学加速度传感器，其特征在于，所述金属膜为50nm厚的金膜或银膜。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的光学加速度传感器，其特征在于，所述棱镜为等腰三角形或半圆柱形。
6.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的光学加速度传感器，其特征在于，当SPR折射率传感器采用角度调制方式时，光源部分采用单色光，信号检测与控制部分包括旋转平台、光电探测器、信号处理电路；
当SPR折射率传感器采用波长调制方式时，光源部分采用白光光源，信号检测与控制部分包括光谱仪和信号处理电路；
当SPR折射率传感器采用强度调制方式时，光源部分采用激光光源，信号检测与控制部分包括光电探测器和信号处理电路；
当SPR折射率传感器采用相位调制方式时，光源部分采用单色光，信号检测与控制部分包括光电探测器和信号处理电路。
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