[發明專利]一種光學無線加速度傳感器

在審

• 申請號: 201711291674.1
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN108020682A
• 公開（公告）日: 2018-05-11
• 發明（設計）人: 張巍巍;秦朝菲;賀丹
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

本發明公開了一種光學無線加速度傳感器，一種光學無線加速度傳感器中，入射激光加熱一個吸收極，在吸收極上方形成一個熱氣泡，入射激光同時激發出熱氣泡周圍不同熒光材料的熒光，出射的熒光攜帶了熱氣泡周圍的溫度分布信息，通過檢測多點的溫度差異可以判斷出熱氣泡偏離中央平衡位置的程度及方向，亦即加速度數據由熒光信號中提取。該傳感器可以用于檢測振動，也可以作精密水平儀使用，具有無線傳輸信號、免疫電磁干擾、耐沖擊的優點。

技術領域

本發明涉及加速度的光學測量方法及器件，具體涉及一種基于熒光溫度傳感技術以及熱對流式加速度傳感技術的光學無線加速度傳感器。

背景技術

熱對流式加速度傳感器是一類低成本加速度傳感器，單軸熱對流式加速度傳感器的主要組成部分包括一個電熱源與沿所測軸向分置于熱源兩側的兩個半導體溫度傳感器，兩個半導體溫度傳感器測得的溫度差與施加在傳感器敏感軸方向上的加速度成正比。它仍然屬于典型的電測器件。

本發明提出，用吸收激光發熱的材料代替熱對流式加速度傳感器中的電熱源、用具有分布式測溫能力的熒光物質代替熱對流式加速度傳感器中的半導體溫度傳感器，器件的工作不再需要供電，同時加速度信息由在自由空間傳播的熒光攜帶，從而構成一種光學無線加速度傳感器。

發明內容

本發明的目的在于設計一種光學無線加速度傳感器，該傳感器可以用于不便供電或不便連接信號線的加速度測試場合以及電磁干擾嚴重的環境中，與目前常見的壓電式、變電阻式、變電容式、熱對流式等加速度傳感器相比，具有免疫電磁干擾、耐過載沖擊、成本低廉的優點；與光干涉儀、多普勒計、光纖光柵等常用的光學測量振動速度或加速度的設備相比，具有構造簡單、成本低廉、操作便利的優點。

本發明的技術方案如下：一種光學無線加速度傳感器，由光吸收極、多個熒光極、光學窗口、結構元件封裝構成。光吸收極吸收入射激光發熱，在平衡狀態下傳感器中央形成一個熱氣泡，熱氣泡周圍的溫度分布信息反映加速度使熱氣泡偏離傳感器中央位置的程度及方向，不同的熒光極分布在熱氣泡的周圍，入射激光同時激發出熒光極的熒光，出射的熒光攜帶了溫度分布信息，亦即加速度數據由熒光信號中提取。

所述的光吸收極是能將所述的入射激光吸收轉化為熱量的固體材料，例如石墨膜片，位于所述的加速度傳感器的底部中間。在傳感器平衡狀態下光吸收極的上方形成一個熱氣泡，當在傳感器的敏感方向施加加速度時或在重力場中傾斜傳感器時，基于流體的自然對流效應，熱氣泡偏離傳感器中央位置。反映自然對流浮升力與粘性力之比的Grashof數表明，加速度對自然對流的浮升力起決定性作用。

所述的多個熒光極分別由不同的溫敏熒光材料構成，對稱布置在光吸收極的周圈。加速度傳感器的敏感軸方向及數量由熒光極的分布位置及數量確定。當熱氣泡偏離傳感器中央位置，偏離的程度及方向反映為各熒光極處溫度的不均勻分布。

所述的多個熒光極同時被入射激光激發，它們發射的熒光波段不同，被記錄在同一光譜圖上仍然可以區分各熒光極的溫敏熒光。各熒光極的熒光材料的熒光溫度傳感方程是熒光材料的固有屬性，該溫度傳感方程通過獨立的標定過程得到。由同時測得但可以在波長范圍上區分的各熒光極的熒光信號，結合獨立標定得到的各熒光溫度傳感方程，可以不作逐點掃描就一次得到熱氣泡周圍的溫度分布。從而，基于（1）加速度改變溫度分布，（2）溫度變化改變熒光信號的函數關系，由熒光分析能得到加速度數據。

在同時測量所述的多個熒光極的熒光得到的一幅光譜圖上可以區分各熒光極的溫敏熒光光譜特征。

所述的光學窗口容許入射激光及所述的熒光極熒光的透射。

所述的結構元件封裝是氣密性封裝，傳感器內封存惰性氣體，例如氮氣或氬氣。惰性氣體保護光吸收極，避免高溫引起的氧化、揮發等效應。

本發明的實質是單熒光光譜分布式溫度傳感技術與熱對流式振動傳感技術的有機結合。