CN108303566B - 基于光栅衍射的加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于光栅衍射的加速度传感器，该加速度传感器由所述加速度传感器的结构主要由衍射光源、砷化镓太阳能电池阵以及外围电路多通道ADC组成；其中，衍射光源由长波光源、遮光板、光栅和透镜组成，采用光源外壳将其集装在一起，其中长波光源的四周采用弹簧将其固定在光源外壳内部；当传感器运动时，由于惯性长波光源随之运动，衍射在太阳能电池阵列上的条纹随之移动。根据光伏效应，产生相应变化的光电流。通过ADC外围电路进行检测可以得传感器的运动情况。此加速度传感器具有精度高、灵敏度高等优点。

Description

基于光栅衍射的加速度传感器
技术领域
本发明涉及基于光栅衍射的加速度传感器，属于仪器仪表领域。
背景技术
由于航空航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度传感器应运而生。传统的加速度传感器有压阻式、电容式、压电式等，随着科学技术的不断发展对于这些加速度传感器的研究不断完善，但在其精度上仍未取得突破。因此，本发明依据光学原理，提供一种基于光栅衍射的加速度传感器，能极大地提高传感器的精度问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的精度低等问题，提出了基于光栅衍射的加速度传感器。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是，提出了基于光栅衍射的加速度传感器，其特征在于：
所述加速度传感器的结构主要由衍射光源、砷化镓太阳能电池阵以及多通道ADC外围电路组成；
所述衍射光源由长波光源、遮光板、光栅和透镜组成；所述长波光源的四周用遮光板固定，并将靠近光栅一侧的底部遮光板部分开口，开口方向与光栅垂直，使得一部分光源透过，并采用弹簧将光源和遮光板固定；所述衍射光源采用光源外壳将其内部元件集装在一起；
所述砷化镓太阳能电池阵位于衍射光源的下方，其结构为砷化镓太阳能电池阵列纵向并排均匀分布在PCB上；
所述多通道ADC外围电路主要由ADC模块，放大器等模块组成，并与太阳能电池阵列连接。
进一步地，所述多通道ADC外围电路连接每一列太阳能电池，将每一列的变化光电流放大并转换为相应的变化电平，通过测量相应电平的变化位置即可得到物体在不同方向上的运动情况。
进一步地，当传感器沿x轴运动变化时，衍射条纹沿x轴移动；当传感器沿y轴运动变化时，衍射条纹会沿y轴移动；当传感器沿z轴运动变化时，衍射条纹间距会变化。因此，可根据条纹不同的变化情况，计算出传感器的运动情况。
有益效果：
1.本发明利用光信号代替物体的运动状况，具有较好的低温度效应、良好的直流响应特性和较高的灵敏度。
2.本发明采用弹簧将其四周固定，因此，当传感器在任意方向运动时，光源能产生相应的位移并带来光电流的变化。可见，本发明的传感器具有较高的精确度，测量范围广。
3.本发明主要由衍射光源、砷化镓太阳能电池阵以及多通道的ADC外围电路构成，结构新颖且原理简单，具有较高的可靠性。
附图说明
图1为本发明的加速度传感器的xoz面图。
图2为固定的长波光源的俯视图。
图3为本发明的加速度传感器的yoz面图。
图4为太阳能电池阵列的俯视图。
图5为x轴方向运动的衍射条纹变化情况。
图6为y轴方向运动的衍射条纹变化情况。
图7为z轴方向运动的衍射条纹变化情况。
其中，1-衍射光源、2-长波光源、3-遮光板、4-弹簧、5-光栅、6-透镜、7-支架、8-砷化镓太阳能电池阵列、9-衍射条纹、10- PCB基板、11-砷化镓太阳能电池阵列。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
参阅图1本发明的基于光栅衍射加速度传感器由衍射光源1和砷化镓太阳能电池阵列8组成。其中衍射光源由长波光源2、遮光板3、光栅5和透镜6组成并集装在光源外壳1中，光源外壳通过支架7进行固定。
所述长波光源固定方式参照图2，长波光源2的四周用遮光板3固定起来，并将靠近光栅一侧的底部遮光板部分开口，使得一部分光源透过，并采用弹簧4将光源2和遮光板3固定。当传感器静止时，衍射在太阳能电池阵列的条纹参照图3，光源底部只被遮光板遮住一半，因此，衍射出的条纹只在太阳能电池板上占据一半，9为衍射条纹。
砷化镓太阳能电池阵列参照图4， PCB基板10上均匀分布砷化镓太阳能电池阵列11，用于检测衍射在太阳能电池板的条纹变化情况。
本发明所述的基于光栅衍射的加速度传感器工作的具体原理为：
参照图5，当传感器在x轴上加速（减速）时，由于惯性作用，长波光源在x轴方向也会产生相应的位移，此时在砷化镓太阳能电池阵列上的衍射条纹会水平方向移动，条纹的间距不会变化。根据光伏效应，受到光照而能够产生光电流的太阳能电池阵列的位置沿x轴变化。利用多通道ADC模块连接每一列的电池阵列，检测每一列上的电流的情况，最终得到传感器在x轴上的运动情况。
参照图6，当传感器在y轴上加速（减速）时，由于惯性作用，长波光源在y轴方向也会产生相应的位移，此时在砷化镓太阳能电池阵列上的衍射条纹会垂直方向上上移（下移），间距不变。根据光伏效应，电池阵列上产生的光电流的大小会发生变化。利用多通道ADC模块连接每一列的电池阵列，对光电流的变化进行检测最终得到传感器在y轴上的运动。
参照图7，当传感器在z轴上加速或减速时，由于惯性作用，长波光源在z轴方向也会产生相应的位移，此时在砷化镓太阳能电池阵列上的衍射条纹的间距会减小或增加，中央明纹的位置不变。此时根据光伏效应，受到光照而能够产生光电流的太阳能电池阵列之间的距离减小或增大。利用多通道ADC模块连接每一列的电池阵列，对光电流进行检测最终得到传感器在z轴上的运动。
综上所述：该基于光栅衍射的加速度传感器通过利用衍射条纹的变化反映传感器的运动情况，具有较高的精度和灵敏度等优点，测量范围广。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.基于光栅衍射的加速度传感器，其特征在于：
所述加速度传感器的结构主要由衍射光源、砷化镓太阳能电池阵以及多通道ADC外围电路组成；
所述衍射光源由长波光源、遮光板、光栅和透镜组成；所述长波光源的四周用遮光板固定，并将靠近光栅一侧的底部遮光板部分开口，开口方向与光栅垂直，使得一部分光源透过，并采用弹簧将长波光源和遮光板固定；所述衍射光源采用光源外壳将其内部元件集装在一起；光源外壳通过支架进行固定；传感器静止时，光源底部被遮光板遮住一半，衍射出的条纹在太阳能电池板上占据一半；
所述砷化镓太阳能电池阵位于衍射光源的下方，其结构为砷化镓太阳能电池阵列纵向并排均匀分布PCB上；
所述多通道ADC外围电路主要由ADC模块、放大器模块组成，并与太阳能电池阵列连接；
当传感器沿x轴运动变化时，衍射条纹沿x轴移动；当传感器沿y轴运动变化时，衍射条纹会沿y轴移动；当传感器沿z轴运动变化时，衍射条纹间距会变化；因此，可根据条纹不同的变化情况，计算出传感器的运动情况。
2.根据权利要求1所述的基于光栅衍射的加速度传感器，其特征在于：所述多通道ADC外围电路连接每一列太阳能电池，将每一列的变化光电流放大并转换为相应的变化电平，通过测量相应电平的变化位置即可得到物体在不同方向上的运动情况。
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