CN112925036A - 一种基于微纳芯片的小型化绝对重力仪 - Google Patents

Abstract

一种基于微纳芯片的小型化绝对重力仪，该发明涉及到绝对重力测量领域，旨在避免传统绝对重力仪电源系统以及光路系统复杂的不足，降低绝对重力测量系统的体积和质量，满足小型化重力测量的工程使用需求。一种基于微纳芯片的小型化绝对重力仪，包括980nm激光器、光纤隔离器、波分复用器、微纳芯片、1550nm激光器、光纤环形器、光电探测器、A/D转换器、FPGA芯片、单模光纤、聚苯乙烯小球、毛细管和电动注射器。通过电动注射器输出稳定的聚苯乙烯小球序列，并通过980nm激光捕获并发射聚苯乙烯小球，再通过1550nm激光干涉效应测量当地的绝对重力值。本发明通过微纳芯片、光纤光路结合实现重力测量，其体积和功耗大大降低，可以适用于体积受限的绝对重力测量应用场景。

Description

一种基于微纳芯片的小型化绝对重力仪

技术领域

本发明属于绝对重力测量领域，具体涉及一种基于微纳芯片的小型化绝对重力仪。

背景技术

精密的重力加速度测量在诸多领域都有应用，如地球物理、计量学、惯性导航与定位、资源勘探、科学研究等，地球重力场分布能够反映出地球内部的物质密度分布，对地质构造、地球形状、地球自转建模等有重要的意义。大地水准面的计算需要精确知道全球多个重力基站的重力数据，还需要局域的航空重力测量数据作为补充。在火山附近与地震频发区域做长期的重力监控，有助于预测地壳的运动趋势以减轻火山和地震带来的危害。重力的精密测量对于研究固体潮、海潮模型、极地运动、地下水分布等有着重要的作用。这些数据对理解地慢及大陆岩石圈的动力学变化、全球气候变暖、极地冰川融化、海平面上升也有重要的参考价值。物理学与重力、引力有关的各种理论与定律需要实验的检验，也需要高精度的重力测量数据作为支撑。

通常绝对重力仪都是体积巨大，功耗大，测量周期长，例如传统的FG5-X型绝对重力仪总重量为150Kg，需要用6个箱子装运，占地面积3m²，额定功率达到500W。实际应用受到一定的限制。再比如较为先进的冷原子干涉型绝对重力仪AQG-A01型重力仪，总重量达到115Kg，需要用4个箱子装运，控制单元占地1m²，传感探头占地0.25m²，额定功率达到300W，安装时间需要15分钟，测量时间取决于测量精度，达到最优精度需要40分钟。因此现有的重力仪的应用受到一定的限制。

本发明通过采用微纳芯片作为核心，采用光纤光路以及集成电路实现重力测量，其体积和功耗大大降低，可以用于一些需要绝对重力测量，但是体积受限的应用场景。

发明内容

本发明的目的：提供一种基于微纳芯片的小型化绝对重力仪，避免了传统绝对重力仪电源系统以及光路系统复杂的不足，降低绝对重力测量系统的体积和质量，满足小型化重力测量的工程使用需求。

本发明的技术方案：一种微纳芯片重力测量装置，所述的装置包括980nm激光器1、光纤隔离器2、波分复用器3、微纳芯片4、1550nm激光器5、光纤环形器6、光电探测器7、A/D转换器8、FPGA芯片9、单模光纤10、聚苯乙烯小球11、毛细管12和电动注射器13。其中光纤环形器6有三个端口输入端、输出端和反射端。980nm激光器1通过单模光纤10与光纤隔离器2连接在一起，1550nm激光器通过单模光纤10与光纤环形器6的输入端口连接在一起，光纤隔离器2的输出端和光纤环形器6的输出端一起连接到波分复用器3的输入端，波分复用器3的输出光纤集成到微纳芯片4中，光纤环形器6的反射端接到光电探测器7中，光电探测器7连接到A/D转换器8，A/D转换器8连接到FPGA芯片9中。

所述的微纳芯片4内有两个通道：水平通道和垂直通道。水平通道的一侧通过毛细管12与电动注射器13连接，电动注射器13通过毛细管12往微流芯片注入聚苯乙烯小球11；垂直通道的下方通过单模光纤10与波分复用器3连接在一起。

所述的聚苯乙烯小球11的直径为6-8μm.

所述的微纳芯片4的水平通道直径为8-11μm，垂直通道直径大于200μm。

所述的毛细管12为玻璃毛细管,内径均大于10μm。

发明的有益效果在于：本发明实现在微纳芯片中实现了重力测量的功能，大大降低了重力仪的体积，功耗和测量周期，可用于在各类测量领域实现重力加速度快速测量，降低了环境限制。

附图说明

图1是一种微纳芯片重力测量装置结构图。

图2是微流芯片端结构图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明

请同时参阅图1，其中图1是一种微纳芯片重力测量装置结构图，所述的装置包括980nm激光器1、光纤隔离器2、波分复用器3、微纳芯片4、1550nm激光器5、光纤环形器6、光电探测器7、A/D转换器8、FPGA芯片9、单模光纤10、聚苯乙烯小球11、毛细管12和电动注射器13。

请同时参阅图2，其中图2是微流芯片端结构图。装置测量分为三个步骤，具体如下：

步骤一：输出稳定的聚苯乙烯小球11序列，电动注射器13通过控制程序以一定的流速往微纳芯片4的水平通道中注射聚苯乙烯小球11，此时在微纳芯片4的水平通道中有间距和流速都固定的聚苯乙烯小球11序列；

步骤二：捕获聚苯乙烯小球11，聚苯乙烯小球11在经过水平通道和垂直通道的交叉口时会波分复用器3的输出光纤的输出光捕获，此时光电探测器7会收到聚苯乙烯小球的反射信号(1550nm)，通过A/D转换器8将该信号输入到FPGA芯片9中，之后FPGA芯片9给电动注射器13发送停止注射的指令，由于光场力和重力平衡，聚苯乙烯小球11悬停在输出光纤的输出光捕获场中；

步骤三：测量绝对重力值，聚苯乙烯小球11被捕获后，FPGA芯片9给980nm激光器1发出增加功率的指令，聚苯乙烯小球11收到向上的推力，聚苯乙烯小球11开始上抛，FPGA芯片9开始采集一个周期的干涉信号，通过低通滤波，信号提取获得当地重力加速度值。具体算法如下

光纤端出射的光在被捕获小球的表面被反射，与从纤端被反射的光发生干涉。其干涉光场表达式应该是：

E_n＝E₁₂ exp j(φt)

其中，E₀₁为光纤探针端反射光束的振幅，E₀₂为小球表面反射光束的振幅，v为小球的下落速度。

对速度v进行一次微分处理即可获得当地的重力加速度g。

通过重复测量多个聚苯乙烯小球的重力值，以提升重力测量值的精度，理论上来说，测量次数越多，重力测量值越精确。

Claims (7)

1.一种微纳芯片绝对重力测量装置，所述的装置包括980nm激光器1、光纤隔离器2、波分复用器3、微纳芯片4、1550nm激光器5、光纤环形器6、光电探测器7、A/D转换器8、FPGA芯片9、单模光纤10、聚苯乙烯小球11、毛细管12和电动注射器13。其中光纤环形器6有三个端口输入端、输出端和反射端。980nm激光器1通过单模光纤10与光纤隔离器2连接在一起，1550nm激光器通过单模光纤10与光纤环形器6的输入端口连接在一起，光纤隔离器2的输出端和光纤环形器6的输出端一起连接到波分复用器3的输入端，波分复用器3的输出光纤集成到微纳芯片4中，光纤环形器6的反射端接到光电探测器7中，光电探测器7连接到A/D转换器8，A/D转换器8连接到FPGA芯片9中。

微纳芯片4内有两个通道：水平通道和垂直通道。水平通道的一侧通过毛细管12与电动注射器13连接，电动注射器13通过毛细管12往微流芯片注入聚苯乙烯小球11；垂直通道的下方通过单模光纤10与波分复用器3连接在一起。

2.根据权利要求1所述的微纳芯片绝对重力测量装置，其特征在于：所述的聚苯乙烯小球11的直径为6-8μm。

3.根据权利要求1所述的微纳芯片绝对重力测量装置，其特征在于：所述的微纳芯片4的水平通道直径为8-11μm，垂直通道直径大于200μm。

4.根据权利要求1所述的微纳芯片绝对重力测量装置，其特征在于：所述的毛细管12为玻璃毛细管,内径均大于10μm。

5.根据权利要求1所述的微纳芯片绝对重力测量装置，其特征在于：电动注射器13通过控制程序以一定的流速往微纳芯片4的水平通道中注射聚苯乙烯小球11，此时在微纳芯片4的水平通道中有间距和流速都固定的聚苯乙烯小球11序列。

6.根据权利要求1所述的微纳芯片绝对重力测量装置，其特征在于：聚苯乙烯小球11在经过水平通道和垂直通道的交叉口时会波分复用器3的输出光纤的输出光捕获，此时光电探测器7会收到聚苯乙烯小球的反射信号(1550nm)，通过A/D转换器8将该信号输入到FPGA芯片9中，之后FPGA芯片9给电动注射器13发送停止注射的指令，聚苯乙烯小球11悬停在输出光纤的输出光捕获场中。

7.根据权利要求1所述的微纳芯片绝对重力测量装置，其特征在于：聚苯乙烯小球11被捕获后，FPGA芯片9给980nm激光器1发出增加功率的指令，聚苯乙烯小球11收到向上的推力，聚苯乙烯小球11开始上抛，FPGA芯片9开始采集一个周期的反射信号，通过低通滤波，信号提取获得当地重力加速度值。具体算法如下

光纤端出射的光在被捕获小球的表面被反射，与从纤端被反射的光发生干涉。其干涉光场表达式应该是：

E_n＝E₁₂ exp j(φt)

其中，E₀₁为光纤探针端反射光束的振幅，E₀₂为小球表面反射光束的振幅，v为小球的下落速度。

对速度v进行一次微分处理即可获得当地的重力加速度g。

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