CN108020682A - 一种光学无线加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学无线加速度传感器，一种光学无线加速度传感器中，入射激光加热一个吸收极，在吸收极上方形成一个热气泡，入射激光同时激发出热气泡周围不同荧光材料的荧光，出射的荧光携带了热气泡周围的温度分布信息，通过检测多点的温度差异可以判断出热气泡偏离中央平衡位置的程度及方向，亦即加速度数据由荧光信号中提取。该传感器可以用于检测振动，也可以作精密水平仪使用，具有无线传输信号、免疫电磁干扰、耐冲击的优点。
Description
技术领域
本发明涉及加速度的光学测量方法及器件，具体涉及一种基于荧光温度传感技术以及热对流式加速度传感技术的光学无线加速度传感器。
背景技术
热对流式加速度传感器是一类低成本加速度传感器，单轴热对流式加速度传感器的主要组成部分包括一个电热源与沿所测轴向分置于热源两侧的两个半导体温度传感器，两个半导体温度传感器测得的温度差与施加在传感器敏感轴方向上的加速度成正比。它仍然属于典型的电测器件。
本发明提出，用吸收激光发热的材料代替热对流式加速度传感器中的电热源、用具有分布式测温能力的荧光物质代替热对流式加速度传感器中的半导体温度传感器，器件的工作不再需要供电，同时加速度信息由在自由空间传播的荧光携带，从而构成一种光学无线加速度传感器。
发明内容
本发明的目的在于设计一种光学无线加速度传感器，该传感器可以用于不便供电或不便连接信号线的加速度测试场合以及电磁干扰严重的环境中，与目前常见的压电式、变电阻式、变电容式、热对流式等加速度传感器相比，具有免疫电磁干扰、耐过载冲击、成本低廉的优点；与光干涉仪、多普勒计、光纤光栅等常用的光学测量振动速度或加速度的设备相比，具有构造简单、成本低廉、操作便利的优点。
本发明的技术方案如下：一种光学无线加速度传感器，由光吸收极、多个荧光极、光学窗口、结构元件封装构成。光吸收极吸收入射激光发热，在平衡状态下传感器中央形成一个热气泡，热气泡周围的温度分布信息反映加速度使热气泡偏离传感器中央位置的程度及方向，不同的荧光极分布在热气泡的周围，入射激光同时激发出荧光极的荧光，出射的荧光携带了温度分布信息，亦即加速度数据由荧光信号中提取。
所述的光吸收极是能将所述的入射激光吸收转化为热量的固体材料，例如石墨膜片，位于所述的加速度传感器的底部中间。在传感器平衡状态下光吸收极的上方形成一个热气泡，当在传感器的敏感方向施加加速度时或在重力场中倾斜传感器时，基于流体的自然对流效应，热气泡偏离传感器中央位置。反映自然对流浮升力与粘性力之比的Grashof数表明，加速度对自然对流的浮升力起决定性作用。
所述的多个荧光极分别由不同的温敏荧光材料构成，对称布置在光吸收极的周圈。加速度传感器的敏感轴方向及数量由荧光极的分布位置及数量确定。当热气泡偏离传感器中央位置，偏离的程度及方向反映为各荧光极处温度的不均匀分布。
所述的多个荧光极同时被入射激光激发，它们发射的荧光波段不同，被记录在同一光谱图上仍然可以区分各荧光极的温敏荧光。各荧光极的荧光材料的荧光温度传感方程是荧光材料的固有属性，该温度传感方程通过独立的标定过程得到。由同时测得但可以在波长范围上区分的各荧光极的荧光信号，结合独立标定得到的各荧光温度传感方程，可以不作逐点扫描就一次得到热气泡周围的温度分布。从而，基于（1）加速度改变温度分布，（2）温度变化改变荧光信号的函数关系，由荧光分析能得到加速度数据。
在同时测量所述的多个荧光极的荧光得到的一幅光谱图上可以区分各荧光极的温敏荧光光谱特征。
所述的光学窗口容许入射激光及所述的荧光极荧光的透射。
所述的结构元件封装是气密性封装，传感器内封存惰性气体，例如氮气或氩气。惰性气体保护光吸收极，避免高温引起的氧化、挥发等效应。
本发明的实质是单荧光光谱分布式温度传感技术与热对流式振动传感技术的有机结合。
本发明的有益效果：本发明的加速度传感器具有耐高温、免疫电磁干扰、耐冲击过载、无线传输信号等特点及优点。器件结构简单牢固，制作成本低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
1、光吸收极，2、荧光极，3、光学窗口，4、结构元件，5、入射激光光源，6、荧光探测装置。
图2为本发明的部件之一荧光极的荧光发射光谱示例，21、荧光极的荧光峰标记为A，22、荧光极的荧光峰标记为B。
具体实施方式
本发明技术内容部分描述了一种结合单荧光光谱分布式温度传感技术与热对流式振动传感技术的加速度传感器方案。以单轴加速度传感器为例，具体描述本发明的实现如下：
本发明的加速度传感器的结构如图1所示：光吸收极1位于传感器腔体底部的中央。入射激光光源5发出的激光透过光学窗口3，照射传感器腔体的底部，传感器的结构元件4采用气密性封装，在传感器腔体内封存有惰性气体，光吸收极1吸收入射激光发热，在平衡状态下于传感器中央形成一个热气泡。荧光极21与荧光极22对称布置在光吸收极1的两侧，处于热气泡周围的温度场中，被入射激光激励分别发射出荧光A与荧光B，荧光A与荧光B透过光学窗口3被荧光探测装置6记录、分析。
光吸收极1是任何一种能将入射激光吸收后转化为热量的固体材料，例如石墨膜片，牢固地安装在传感器腔内底部中央位置。当在传感器的敏感方向施加加速度时或在重力场中倾斜传感器时，光吸收极1上方的热气泡偏离传感器中央位置。
在平衡状态下，荧光极21与荧光极22处的温度相同。本发明的加速度传感器的敏感轴沿荧光极21、光吸收极1、荧光极22这三者的连线方向。当热气泡偏离传感器中央位置，荧光极21与荧光极22处的温度不再相等，由温差的正负可判定沿敏感轴的加速度的方向，是由荧光极21指向荧光极22或者相反；有温差值的大小可判定加速度值的大小。如果在其它方向增加荧光极的数量，就相应地形成更多的敏感轴，从而构造出双轴、多轴加速度传感器。
荧光极21与荧光极22同时被入射激光激发，透过光学窗口3的荧光被荧光探测装置6记录，以荧光探测装置6是一台光谱仪为例，记录的结果是一幅光谱图，例如图2。荧光极21与荧光极22发射的荧光波段不同，各自的荧光峰区分标记为A、B。荧光峰A、B随温度的变化是荧光极21与荧光极22两种荧光材料各自的固有属性，事先通过独立的标定过程得到它们各自的荧光温度传感方程，例如荧光峰A、B随温度的频移规律，也可以用其它的荧光特征作温度传感信号，例如荧光强度比。由图2读出的荧光峰A、B的位置，代入各自的温度传感方程，就得到荧光极21与荧光极22的温度。由二者的温差得到加速度方向与数值。
光学窗口3容许入射激光及荧光极2的荧光的透射，可以采用高透光率的玻璃、石英片、蓝宝石等材料。
结构元件4与光学窗口3一起气密性地将氮气或氩气或其它不与任何传感器组件发生化学反应的气体封存在传感器腔体内。
本发明不限于上述实施方式。
Claims (6)
1.一种光学无线加速度传感器，其特征在于：由光吸收极、多个荧光极、光学窗口、结构元件封装构成；光吸收极吸收入射激光发热，在平衡状态下传感器中央形成一个热气泡，热气泡周围的温度分布信息反映加速度使热气泡偏离传感器中央位置的程度及方向，不同的荧光极分布在热气泡的周围，入射激光同时激发出荧光极的荧光，出射的荧光携带了温度分布信息，亦即加速度数据由荧光信号中提取。
2.根据权利要求1所述的一种光学无线加速度传感器，其特征在于：所述的光吸收极是能将所述的入射激光吸收转化为热量的固体材料，位于所述的加速度传感器的底部中间。
3.根据权利要求1所述的一种光学无线加速度传感器，其特征在于：所述的多个荧光极分别由不同的温敏荧光材料构成，对称布置在光吸收极的周圈。
4.根据权利要求1所述的一种光学无线加速度传感器，其特征在于：在同时测量所述的多个荧光极的荧光得到的一幅光谱图上可以区分各荧光极的温敏荧光光谱特征。
5.根据权利要求1所述的一种光学无线加速度传感器，其特征在于：所述的光学窗口容许入射激光及所述的荧光极荧光的透射。
6.根据权利要求1所述的一种光学无线加速度传感器，其特征在于：所述的结构元件封装是气密性封装，传感器内封存惰性气体。
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| CN201711291674.1A Pending CN108020682A (zh) | 2017-12-08 | 2017-12-08 | 一种光学无线加速度传感器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2017
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