本發明專利技術涉及基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器。該加速度傳感器包括表面等離子體共振折射率傳感器和氣體膜盒。利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，將輸入的加速度變化轉化為新型氣體膜盒內傳感氣體的折射率變化，通過表面等離子體共振折射率傳感器測量出折射率的變化，該折射率變化與輸入加速度的大小成正比。本發明專利技術將在生物、化學傳感領域廣泛應用的SPR傳感技術與新型氣體膜盒相結合，應用于加速度傳感中，具有靈敏度高、結構簡單等特點。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種新型光學加速度傳感器，特別涉及一種基于表面等離子體共振原理和新型氣體膜盒相結合的加速度傳感器。
技術介紹
加速度傳感器是將運載體的加速度通過各種測量原理轉化為電信號的傳感裝置，它在工業生產、慣性技術等領域都有著廣泛應用。加速度計的發展已經經歷了幾十年的歷史，種類繁多。其中光學加速度傳感器以其高靈敏度、強抗電磁干擾能力等優點逐漸成為國內外加速度計研究的熱點。專利ZL200910227028. 8公開了一種高精度雙Y型腔雙頻激光加速度計。而在一般應用場合中，更高性價比的光學加速度傳感器是其發展方向之一。光纖加速度傳感器和微光機電加速度傳感器是這個發展方向的典型代表。 表面等離子共振(surface plasma resonance,簡稱為SPR)是一種物理光學現象。利用光在玻璃界面處發生全內反射時的消失波，可以激發金屬表面的自由電子產生表面等離子體子。在入射角或波長為某一適當值的條件下，表面等離子體子與消失波的頻率和波數相等，二者將發生共振，入射光被吸收，反射光能量急劇下降，在反射光譜上出現共振峰(即反射強度最低值)。當緊靠在金屬薄膜表面的介質折射率不同時，共振峰位置將不同。該物理特性可用于測量介質的折射率，已廣泛應用于化學化工、生物、環境監測領域，逐漸形成了國際傳感器領域新的研究熱點，即SPR折射率傳感器。SPR折射率傳感器一般由光源部分、光學耦合部分、信號檢測與控制部分等組成。按照SPR折射率傳感器的光學率禹合結構分類，主要有棱鏡稱合結構、衍射光柵稱合結構、光波導稱合結構以及光纖稱合結構等，其中Kretschmann棱鏡耦合結構的研究和應用最為廣泛，其理論和技術比較成熟。按照SPR折射率傳感器的信號檢測方式分類，主要有角度調制、波長調制、強度調制和相位調制等。不同類型的SPR折射率傳感器中，信號檢測與控制部分具有不同的組成和功能，其主要功能包括光源的波長調諧、光源的相位調諧、光源的功率調諧、光源入射角的調諧、出射光信號的檢測與數據處理等。氣體膜盒是一種工業領域傳統的彈性元件，應變式膜盒氣體壓強傳感器是其典型應用，它可完成膜盒內氣體壓強與膜盒形變之間的轉換。專利ZL200910227028. 8中提出了一種新型氣體膜盒結構，利用該氣體膜盒可以完成從加速度到膜盒內氣體折射率的轉換。
技術實現思路
本專利技術的目的是提出一種基于表面等離子體共振原理和新型氣體膜盒結構的加速度傳感器，具有結構簡單、靈敏度高等優點。該加速度傳感器利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，將輸入的加速度變化轉化為氣體膜盒內傳感氣體的折射率變化，通過表面等離子體共振折射率傳感器測量出新型氣體膜盒內傳感氣體的折射率變化，該折射率變化與輸入加速度的大小成正比。本專利技術所采用的技術方案是一種基于表面等離子體共振和新型氣體膜盒的加速度傳感器，其特征在于該加速度傳感器包括表面等離子體共振(SPR)折射率傳感器和氣體膜盒，其中，氣體膜盒由圓筒、超薄石英片和質量塊組成；質量塊為圓柱形，粘接在超薄石英片中心；超薄石英片為圓形，粘接在圓筒的第一端面上；其中，SPR折射率傳感器包括光源部分、光學稱合部分、信號檢測與控制部分；光學率禹合部分為Kretschmann棱鏡稱合結構,包括棱鏡、金屬膜,金屬膜為50nm厚的金膜或銀膜，金屬膜鍍在棱鏡底面上，棱鏡為等腰三角形或半圓柱形；圓筒的第二端面粘接在棱鏡底部，構成密閉空間，其內充有一定壓強的氣體，稱為傳感氣體。其中，SPR折射率傳感器可采用多種信號檢測方式，不同信號檢測方式的SPR傳感器中，光源的類型不同，信號檢測與控制部分的組成和功能也不同。該加速度傳感器利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，當垂直于超薄石英片方向有加速度輸入時，在質量塊和超薄石英片的慣性力作用下，超薄石英片產生彈性形變，氣體膜盒的體積增大(或減小)，與氣體膜盒內傳感氣體的密度減小(或增大)，根據格拉德 斯通一戴爾(Gladstone-Dale)公式，折射率也相應減小(或增大)，再通過SPR折射率傳感器測量出折射率的變化，該折射率的變化正比于輸入加速度的大小。其中，當SPR折射率傳感器采用角度調制方式時，光源采用單色光，信號檢測與控制部分包括旋轉平臺、光電探測器、信號處理電路，Kretschmann棱鏡稱合結構和新型氣體膜盒固定在旋轉平臺上。信號檢測與控制部分的功能主要有控制與改變光源的入射角、接收并檢測反射光的強度隨入射角的變化、根據共振角的變化反演出折射率的變化，進而計算出輸入加速度的變化。其中，當SPR折射率傳感器采用波長調制方式時，光源采用白光光源，信號檢測與控制部分包括光譜儀和信號處理電路。信號檢測與控制部分的功能主要有根據共振波長的變化反演出折射率的變化，進而計算出輸入加速度的變化。其中，當SPR折射率傳感器采用強度調制方式時，光源采用激光光源，信號檢測與控制部分包括光電探測器和信號處理電路。信號檢測與控制部分的功能主要有接收并檢測反射光強，根據反射光強的變化反演出折射率的變化，進而計算出輸入加速度的變化。其中，當SPR折射率傳感器采用相位調制方式時，光源采用單色光，信號檢測與控制部分包括光電探測器和信號處理電路。信號檢測與控制部分的功能主要有檢測反射光中S光和P光的相位差，根據相位差的變化反演出折射率的變化，進而計算出輸入加速度的變化。本專利技術的有益效果是本專利技術將在生物、化學傳感領域廣泛應用的SPR傳感技術與新型氣體膜盒相結合，應用于加速度傳感中，具有靈敏度高、結構簡單等特點。附圖說明圖I為基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器結構圖；圖2為新型氣體膜盒的剖面圖；圖3為光學耦合部分與新型氣體膜盒連接圖；圖4為Kretschmann棱鏡耦合結構波長調制型SPR光學加速度傳感器的結構圖。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術作進一步的說明。但不應因此限制本專利技術的保護范圍。如圖I所示，基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器包括SPR折射率傳感器100、新型氣體膜盒200。SPR折射率傳感器100包括光源部分101、光學耦合部分102和信號檢測與控制部分103。新型氣體膜盒完成從輸入加速度到折射率變化的轉換，SPR折射率傳感器測量出折射率的變化，從而完成對加速度的傳感。如圖2所示，新型氣體膜盒200包括圓筒201、超薄石英片202和質量塊203。質量塊203為圓柱形，粘接在超薄石英片202的中心。超薄石英片202為圓形，粘接在圓筒201的第一端面上。 如圖3所示，光學耦合部分102包括棱鏡10201、金屬膜10202，金屬膜鍍制在棱鏡底部，棱鏡為等腰三角形或半圓柱形。圓筒201的第二端面與光學耦合部分102中棱鏡的底部粘接在一起，構成密閉空間，其內充有一定壓強的傳感氣體。下面對本專利技術的一個實施示例作具體說明。圖4是Kretschmann棱鏡耦合結構波長調制型SPR光學加速度傳感器的結構圖，信號檢測方式采用波長調制，光源采用白光源。光源部分101包括白光源10101、光束方向調節機構10102和會聚透鏡10103，用于調整入射光的方向和會聚程度。信號檢測與控制部分由光譜儀10301和信號處理電路10302組成。光譜儀10301用于檢測出射光強最小的波長，即共振波長。信號處理電路10302根據共振波長的變化反演出折射率的變化，進本文檔來自技高網...
【技術保護點】
基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器，包括SPR折射率傳感器和氣體膜盒，其特征在于，氣體膜盒由圓筒、超薄石英片和質量塊組成；質量塊粘接在超薄石英片中心；超薄石英片粘接在圓筒的第一端面上；其中，SPR折射率傳感器包括光源部分、光學耦合部分、信號檢測與控制部分；光學耦合部分，包括棱鏡、金屬膜，金屬膜鍍在棱鏡底面上，圓筒的第二端面粘接在棱鏡底部；該加速度傳感器利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，當垂直于超薄石英片方向有加速度輸入時，在質量塊和超薄石英片的慣性力作用下，超薄石英片產生彈性形變，氣體膜盒的體積增大或減小，與氣體膜盒內傳感氣體的密度減小或增大，根據格拉德斯通－戴爾公式，折射率也相應減小或增大，再通過SPR折射率傳感器測量出折射率的變化，該折射率的變化正比于輸入加速度的大小。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：肖光宗，張斌，趙洪常，汪之國，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科學技術大學，
類型：發明
國別省市：
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