一种基于干涉的硅光加速器传感器及加速度测量方法

文档序号:66495 发布日期:2021-10-01 浏览:29次 >En<

阅读说明:本技术 一种基于干涉的硅光加速器传感器及加速度测量方法 (Silicon light accelerator sensor based on interference and acceleration measuring method ) 是由 刘晓海 俞童 于 2021-06-30 设计创作,主要内容包括:本申请涉及一种基于干涉的硅光加速器传感器及加速度测量方法,通过入射光纤末端的第一布拉格反射镜和扭转梁上的第二布拉格反射镜组成F-P腔,第二布拉格反射镜能够随着扭转梁的扭转其角度发生变化,F-P腔间隙发生改变,继而与第一布拉格反射镜射出的光线发生干涉。因此,若有宽带光入射,经过第一布拉格反射镜和第二布拉格反射镜后,只有特定波长的光出射,出射波长和F-P腔间隙有关。而间隙变化与受到惯性力引起的扭转梁形变有关系,进而根据波长即可知道惯性力的大小。由于使用F-P干涉的方法,传感器灵敏度较高,且具有该结构的传感器能够测量平面外惯性力。(The application relates to a silicon accelerator sensor based on interference and an acceleration measuring method, wherein an F-P cavity is formed by a first Bragg reflector at the tail end of an incident optical fiber and a second Bragg reflector on a torsion beam, the second Bragg reflector can change the angle along with the torsion of the torsion beam, the gap of the F-P cavity changes, and then the F-P cavity interferes with light rays emitted by the first Bragg reflector. Therefore, if broadband light enters, only light with specific wavelength is emitted after passing through the first Bragg reflector and the second Bragg reflector, and the emitted wavelength is related to the F-P cavity gap. The change of the gap is related to the deformation of the torsion beam caused by the inertia force, and the magnitude of the inertia force can be known according to the wavelength. Due to the adoption of the F-P interference method, the sensitivity of the sensor is high, and the sensor with the structure can measure out-of-plane inertia force.)

一种基于干涉的硅光加速器传感器及加速度测量方法

技术领域

本申请属于光子芯片

技术领域

,尤其是涉及一种基于干涉的硅光加速器传感器及加速度测量方法。

背景技术

目前,商业化最成功的微机电(MEMS)加速度计通常是电容式,但它们受到低灵敏度,高功耗,温度依赖性和高交叉敏感性的限制,并且不会对电磁干扰免疫,因此不适合作为卫星等航空航天应用。

而光学MEMS传感器经常用于工业过程,航空航天和军事应用,由于他们对电磁干扰免疫和高温等危险环境应用的可能性。

能够制成硅光加速器传感器的硅光集成电路是由单个衬底上的两个或多个光子器件组成的。目前,使用硅光集成电路进行平面外惯性力的测量比较难以实现,急需一种能够测量平面外惯性力基于干涉的硅光加速器传感器结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是:为解决现有技术中的不足,从而提供一种能够测量平面外惯性力基于干涉的硅光加速器传感器及加速度测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

一种基于干涉的硅光加速器传感器,包括:

入射光纤、出射光纤、扭转梁、质量块和锚;

所述质量块两端通过扭转梁与锚连接,且所述扭转梁的中轴线不经过所述质量块的质心;

所述入射光纤末端设置有第一布拉格反射镜,所述扭转梁上设置有第二布拉格反射镜,所述出射光纤能够接收从所述入射光纤发出的经过第一布拉格反射镜、第二布拉格反射镜的光线。

优选地,本发明的基于干涉的硅光加速器传感器,所述第一布拉格反射镜和第二布拉格反射镜为若干凹槽。

优选地,本发明的基于干涉的硅光加速器传感器,所述入射光纤形成两个分支,两个分支末端均设置第一布拉格反射镜,两个扭转梁上均设置第二布拉格反射镜,所述出射光纤也为两根分别与两个分支末端的第一布拉格反射镜以及两个扭转梁对应设置。

优选地,本发明的基于干涉的硅光加速器传感器,所述入射光纤通过耦合器形成两个分支。

优选地,本发明的基于干涉的硅光加速器传感器,所述第二布拉格反射镜内填充SIO2材料。

优选地,本发明的基于干涉的硅光加速器传感器,所述扭转梁4中间部分的厚度比与质量块10和锚3连接的部分大。

优选地,本发明的基于干涉的硅光加速器传感器,在扭转梁4中间形成向入射光纤1方向延伸的膨大部分,所述第二布拉格反射镜形成膨大部分上。

本发明还提供一种加速度测量方法,使用上述的基于干涉的硅光加速器传感器,并将硅光加速器传感器设置于待测物体表面,包括以下步骤:

将宽带光通入入射光纤中,检测出射光纤的光线的波长,根据波长确定待测物体加速度。

本发明还提供一种加速度测量方法,对于两个测量位的结的基于干涉的硅光加速器传感器,并将硅光加速器传感器设置于待测物体表面,包括以下步骤:

将宽带光通入入射光纤中,检测两根出射光纤的光线的波长;

若其中一根出射光纤有光线输出,另一根没有光线输出;

则根据输出的光线的波长确定待测物体加速度;

若两根出射光纤均有光线输出,则根据两个输出光线的波长的平均值确定待测物体加速度;

本发明的加速度测量方法,两根出射光纤均有光线输出还要比较两个输出光线的波长的差值,如果差值超出了误差范围,则不采用此次测量的数据。

本发明的有益效果是:

本发明的基于干涉的硅光加速器传感器,通过入射光纤末端的第一布拉格反射镜和扭转梁上的第二布拉格反射镜组成F-P腔,第二布拉格反射镜能够随着扭转梁的扭转其角度发生变化,F-P腔间隙发生改变,继而与第一布拉格反射镜射出的光线发生干涉。因此,若有宽带光入射,经过第一布拉格反射镜和第二布拉格反射镜后,只有特定波长的光出射,出射波长和F-P腔间隙有关。而间隙变化与受到惯性力引起的扭转梁形变有关系,进而根据波长即可知道惯性力的大小。由于使用F-P干涉的方法,传感器灵敏度较高,且具有该结构的传感器能够测量平面外惯性力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请实施例1的基于干涉的硅光加速器传感器的一种具体结构的示意图;

图2是本申请实施例1的基于干涉的硅光加速器传感器的另一种具体结构的示意图;

图3是本申请实施例中1F-P腔变化以测量加速度的原理图;

图4是本申请实施例1的基于干涉的硅光加速器传感器的双测量结构的示意图;

图中的附图标记为:

1 入射光纤;

2 出射光纤;

3 锚;

4 扭转梁;

6 第一布拉格反射镜;

7 第二布拉格反射镜;

8 耦合器;

10 质量块。

具体实施方式

需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种基于干涉的硅光加速器传感器,如图1所示,包括:

入射光纤1、出射光纤2、扭转梁4、质量块10和锚3;

所述质量块10两端通过扭转梁4与锚3连接,且所述扭转梁4的中轴线不经过所述质量块10的质心;

所述入射光纤1末端设置有第一布拉格反射镜6,所述扭转梁4上设置有第二布拉格反射镜7,所述出射光纤2能够接收从所述入射光纤1发出的经过第一布拉格反射镜6、第二布拉格反射镜7的光线。

F-P腔通过入射光纤1末端的第一布拉格反射镜6和扭转梁4上的第二布拉格反射镜7组成,第二布拉格反射镜7能够随着扭转梁4的扭转其角度发生变化,F-P腔间隙发生改变,如图3所示,继而与第一布拉格反射镜6射出的光线发生干涉。因此,若有宽带光(含有连续波长的光)入射,经过第一布拉格反射镜6和第二布拉格反射镜7后,只有特定波长的光出射,出射波长和F-P腔间隙有关。而间隙变化与受到惯性力引起的扭转梁4形变有关系,进而根据波长即可知道惯性力的大小。由于使用F-P干涉的方法,传感器灵敏度较高,且具有该结构的传感器能够测量平面外惯性力。

如图4所示,入射光纤1上设置有耦合器8以使入射光纤1形成两个分支,两个分支末端均设置第一布拉格反射镜6,两个扭转梁4上均设置第二布拉格反射镜7,所述出射光纤2也为两根分别与两个分支末端的第一布拉格反射镜6以及两个扭转梁4对应设置。质量块10两侧均设置布拉格反射镜,形成两个测量点,可以进一步提高灵敏度。采用了耦合器8作为光路分光结构,保证了入射光纤1两个分支光线相同。

进一步地,所述第一布拉格反射镜6和第二布拉格反射镜7为若干凹槽。

为了降低扭转梁4扭转形变时,对第二布拉格反射镜7产出影响(使凹槽间距发生改变),可以在第二布拉格反射镜7上填充SiO2材料,通过填充的材料来抵抗形变。

或者所述扭转梁4中间部分的厚度比与质量块10和锚3连接的部分大。

也可以如图2所示,在扭转梁4中间形成向入射光纤1方向延伸的膨大部分,所述第二布拉格反射镜7形成膨大部分上,中间部分质量大本身就提高了刚度,使所述第二布拉格反射镜7远离扭转梁4的转轴,从而降低第二布拉格反射镜7的形变,使得波长与待测物体加速度更符合线性相关。

实施例2

本实施例提供一种加速度测量方法,使用实施例1的基于干涉的硅光加速器传感器,并将硅光加速器传感器设置于待测物体表面,包括以下步骤:

将宽带光通入入射光纤1中,检测出射光纤2的光线的波长,根据波长确定待测物体加速度。

需要说明的是,波长与待测物体加速度的关系需要提前定量得到。

针对两个测量位的结构时,加速度测量方法的步骤为:

将宽带光通入入射光纤1中,检测两根出射光纤2的光线的波长;

若其中一根出射光纤2有光线输出,另一根没有光线输出;

则根据输出的光线的波长确定待测物体加速度;

若两根出射光纤2均有光线输出,则根据两个输出光线的波长的平均值确定待测物体加速度;

进一步可以进行一次数据检验,两根出射光纤2均有光线输出还要比较两个输出光线的波长的差值,如果差值超出了误差范围,则不采用此次测量的数据。

以上述依据本申请的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

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