專利名稱:利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及測量加速度的裝置,尤其是利用雙光束光纖光阱測量加速度的 裝置。
背景技術(shù):
根據(jù)量子理論,光束是一群以光速運動的、既有質(zhì)量又有動量的光子流。 當(dāng)光子入射到介質(zhì)表面發(fā)生折射和反射,光子的速度和方向改變,導(dǎo)致其動量 矢量的變化。由動量守恒定律就可以推出,當(dāng)光束入射微粒,光子的動量變化 量就是微粒的動量變化量。所以光束對微粒存在力的作用,稱為光輻射壓。研 究表明,光輻射壓包括了沿光束傳播方向的散射力和總是指向光強較強處的梯 度力。在這兩個力的作用下,光束能在一定區(qū)域內(nèi)對微粒進(jìn)行捕捉,即令其穩(wěn) 定在某特定位置,該區(qū)域稱為光阱。利用兩條精確對準(zhǔn)、相向傳播的單模光纖 出射基模高斯光束,微??梢栽谘刂馐廨S方向的散射力的作用下達(dá)到軸向
平衡;可以在垂直于光軸并指向光強較大的軸線方向的梯度力作用下達(dá)到徑向 平衡。改變兩光纖中的光功率大小,就可以改變微粒在軸向的位移。
目前已經(jīng)有眾多關(guān)于加速度的測試方法和裝置。最普遍的原理就是傳感元 件通過機械懸臂與被測主體固定在一起,當(dāng)加速運動時,慣性力使傳感元件的 某一物理量發(fā)生變化,此時相應(yīng)的探測元件得到的信號也相應(yīng)地發(fā)生變化。這 類測試方法的主要缺點在于,對傳感元件的機械式支撐方式會因為支撐元件而 引入誤差,如溫度會影響機械臂的形態(tài)等。而且機械支撐部分的磨損和腐蝕很 容易降低測試精度和使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用雙光束光纖光阱對粒子的捕獲和探測來測量 加速度的裝置,以提高測量精度。
本發(fā)明的利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置,包括基板,固定在基板上 的激光器、光強調(diào)制器、兩條單模光纖、玻璃毛細(xì)管、光電圖像探測器和處理器, 激光器出射的光經(jīng)過光強調(diào)制器調(diào)制成兩束光強相同的光后分別輸入到兩條單 模光纖中,兩條單模光纖的輸出端分別固定在玻璃毛細(xì)管的兩端,單模光纖的輸 出端面直徑和玻璃毛細(xì)管的口徑相匹配,兩條單模光纖的輸出端面間保持間隔, 在玻璃毛細(xì)管內(nèi)放置一個球狀SiC粒子,球狀SiC粒子位于兩條單模光纖端面
之間,光電圖像探測器位于玻璃毛細(xì)管的上方,光電圖像探測器與光強調(diào)制器分別和處理器相連。
為了提高球狀SiC粒子對加速度的靈敏度,通常,選擇球狀SiC粒子的半 徑為5 20微米,質(zhì)量為10-9 10-7克;兩條單模光纖在玻璃毛細(xì)管內(nèi)的端面間 隔為100 800微米。
為了使球狀SiC粒子在受到激光捕獲時不受自身重力的影響,總是保持在 光軸上,可以在玻璃毛細(xì)管內(nèi)填充密度與球狀SiC粒子相同的透明溶液,例如 煤油、KOH溶液。
該裝置用于測試加速度的工作原理將裝置通過基板固定在被測主體上,利 用光強調(diào)制器將激光器出射的光調(diào)制成兩束光強相同A =P2的光,分別輸入到兩 條單模光纖中。兩條單模光纖端面出射的光束在玻璃毛細(xì)管中相向傳播,對玻璃 毛細(xì)管內(nèi)的球狀SiC粒子進(jìn)行捕獲,使其穩(wěn)定停留在沿光軸方向的兩光纖端面連 線中點,即平衡位置。當(dāng)被測主體沿著光軸方向作加速運動,玻璃毛細(xì)管中的球 狀SiC粒子偏離原來的平衡位置。光電圖像探測器將探測到的球狀SiC粒子的當(dāng) 前位置信息送到處理器中,處理器計算得到能使球狀SiC粒子回復(fù)到原平衡位置 的相應(yīng)調(diào)節(jié)量。處理器輸出該調(diào)節(jié)量給光強調(diào)制器,光強調(diào)制器據(jù)此改變兩光束 的輸出光強S、尸2,使球狀SiC粒子在光軸方向上沿著與偏離初始平衡點方向相 反的方向移動,直至球狀SiC粒子回復(fù)到原平衡位置。此時光強調(diào)制器出射的兩 束光存在光強差A(yù)P = A -P2 。光強調(diào)制器將此光強差信息輸入到處理器中計算獲 得加速度大小。
和傳統(tǒng)加速度傳感器比較,本發(fā)明的優(yōu)點有以下幾方面
1. 傳統(tǒng)加速度傳感器使用的傳感元件是在應(yīng)力作用下能發(fā)生明顯形變的器 件,通過對形變程度的探測確定加速度的大小。而本發(fā)明中的傳感元件是受光 束捕捉的球狀粒子,本質(zhì)是通過光電探測其位移而得到加速度值。因為光輻射 壓是皮牛量級大小的力,半徑(質(zhì)量)極小的粒子對加速度變化比較敏感,所 以本發(fā)明具有較高的精度。
2. 傳統(tǒng)加速度傳感器使用懸臂將傳感元件和被測物體固定在一起,是一種 機械式、接觸式的支撐。本發(fā)明則采用光束對粒子的夾持來固定傳感元件,是 一種懸浮式、非接觸式的支撐。這樣就克服了機械臂安裝精度對整個系統(tǒng)精度 的限制,而且避免了因為環(huán)境因素對機械臂可能造成的形變,無磨損的特點也 更是提高了系統(tǒng)的使用壽命。
3. 本發(fā)明裝置對加速度的測量的動態(tài)范圍較大。因為本發(fā)明中的加速度信 息是由粒子位移信息轉(zhuǎn)化為光強差再換算得到的,基于光電探測和光強調(diào)制器的成熟技術(shù),粒子位移量可以準(zhǔn)確地由光束功率差表示,只要光功率差大,則
可調(diào)位移范圍較大,也就是說加速度的可測量動態(tài)范圍較大。
圖1是本發(fā)明測量加速度的裝置示意圖; 圖2是玻璃毛細(xì)管連接兩單模光纖的示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
參照圖l、圖2,利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置,包括固定在基板 上的激光器l、光強調(diào)制器2、兩條單模光纖3、玻璃毛細(xì)管4、光電圖像探測 器5和處理器6,激光器1出射的光經(jīng)過光強調(diào)制器2調(diào)制成兩束光強相同的光 后分別輸入到兩條單模光纖3中,兩條單模光纖3的輸出端分別固定在玻璃毛 細(xì)管4的兩端,單模光纖3的輸出端面直徑和玻璃毛細(xì)管4的口徑相匹配,這 樣,可使兩條單模光纖3的端面出射的光束得到精確對準(zhǔn)。兩條單模光纖3的 輸出端面間保持間隔,通常,間隔為100 800微米。在玻璃毛細(xì)管4內(nèi)放置一 個球狀SiC粒子7,球狀SiC粒子7的半徑為5 20微米,質(zhì)量為10-9 10-7克, 球狀SiC粒子7位于兩條單模光纖3端面之間,光電圖像探測器5位于玻璃毛 細(xì)管4的上方,光電圖像探測器5與光強調(diào)制器2分別和處理器6相連。
圖2所示實例中,在玻璃毛細(xì)管4內(nèi)填充有密度配置為3.2xlO、/附3的KOH 溶液8,以此可消除球狀SiC粒子7的自身重力影響,使SiC粒子保持在光軸上。
權(quán)利要求
1.利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置,其特征是包括基板,固定在基板上的激光器(1)、光強調(diào)制器(2)、兩條單模光纖(3)、玻璃毛細(xì)管(4)、光電圖像探測器(5)和處理器(6),激光器(1)出射的光經(jīng)過光強調(diào)制器(2)調(diào)制成兩束光強相同的光后分別輸入到兩條單模光纖(3)中,兩條單模光纖(3)的輸出端分別固定在玻璃毛細(xì)管(4)的兩端,單模光纖(3)的輸出端面直徑和玻璃毛細(xì)管(4)的口徑相匹配,兩條單模光纖(3)的輸出端面間保持間隔,在玻璃毛細(xì)管(4)內(nèi)放置一個球狀SiC粒子(7),球狀SiC粒子位于兩條單模光纖(3)端面之間,光電圖像探測器(5)位于玻璃毛細(xì)管(4)的上方,光電圖像探測器(5)與光強調(diào)制器(2)分別和處理器(6)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置,其特征 是球狀SiC粒子(7)的半徑為5 20微米,質(zhì)量為10-9 X10-7克。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置,其特征 是在玻璃毛細(xì)管(4)內(nèi)填充密度與SiC粒子(7)相同的透明溶液。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置,其特征 是兩條單模光纖(3)在玻璃毛細(xì)管(4)內(nèi)的端面間隔為100 800微米。
全文摘要
本發(fā)明公開的利用雙光束光纖光阱測量加速度的裝置包括固定在基板上的激光器、光強調(diào)制器、兩條單模光纖、玻璃毛細(xì)管、光電圖像探測器和處理器,激光器出射的光經(jīng)光強調(diào)制器調(diào)制成兩束光強相同的光后分別輸入兩條單模光纖中,兩條單模光纖的輸出端分別固定在口徑匹配的玻璃毛細(xì)管兩端,玻璃毛細(xì)管內(nèi)放置一個球狀SiC粒子。把該裝置固定在被測主體上,當(dāng)被測主體沿著光軸方向做加速運動時,粒子將偏離原平衡位置。光電圖像探測器測定粒子的位置,并由處理器計算出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量,光強調(diào)制器據(jù)此改變兩光束的輸出光強,使得粒子回復(fù)到原平衡位置。處理器根據(jù)光強調(diào)制器的光強差計算獲得加速度的大小。該裝置可實時測量較大動態(tài)范圍的加速度,測量精度高。
文檔編號G01P15/00GK101320049SQ20081006299
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者承 劉, 劍 白, 胡慧珠, 舒曉武, 晶 陳 申請人:浙江大學(xué)