[发明专利]一种光学无线加速度传感器

说明书

本发明公开了一种光学无线加速度传感器，一种光学无线加速度传感器中，入射激光加热一个吸收极，在吸收极上方形成一个热气泡，入射激光同时激发出热气泡周围不同荧光材料的荧光，出射的荧光携带了热气泡周围的温度分布信息，通过检测多点的温度差异可以判断出热气泡偏离中央平衡位置的程度及方向，亦即加速度数据由荧光信号中提取。该传感器可以用于检测振动，也可以作精密水平仪使用，具有无线传输信号、免疫电磁干扰、耐冲击的优点。

技术领域

本发明涉及加速度的光学测量方法及器件，具体涉及一种基于荧光温度传感技术以及热对流式加速度传感技术的光学无线加速度传感器。

背景技术

热对流式加速度传感器是一类低成本加速度传感器，单轴热对流式加速度传感器的主要组成部分包括一个电热源与沿所测轴向分置于热源两侧的两个半导体温度传感器，两个半导体温度传感器测得的温度差与施加在传感器敏感轴方向上的加速度成正比。它仍然属于典型的电测器件。

本发明提出，用吸收激光发热的材料代替热对流式加速度传感器中的电热源、用具有分布式测温能力的荧光物质代替热对流式加速度传感器中的半导体温度传感器，器件的工作不再需要供电，同时加速度信息由在自由空间传播的荧光携带，从而构成一种光学无线加速度传感器。

发明内容

本发明的目的在于设计一种光学无线加速度传感器，该传感器可以用于不便供电或不便连接信号线的加速度测试场合以及电磁干扰严重的环境中，与目前常见的压电式、变电阻式、变电容式、热对流式等加速度传感器相比，具有免疫电磁干扰、耐过载冲击、成本低廉的优点；与光干涉仪、多普勒计、光纤光栅等常用的光学测量振动速度或加速度的设备相比，具有构造简单、成本低廉、操作便利的优点。

本发明的技术方案如下：一种光学无线加速度传感器，由光吸收极、多个荧光极、光学窗口、结构元件封装构成。光吸收极吸收入射激光发热，在平衡状态下传感器中央形成一个热气泡，热气泡周围的温度分布信息反映加速度使热气泡偏离传感器中央位置的程度及方向，不同的荧光极分布在热气泡的周围，入射激光同时激发出荧光极的荧光，出射的荧光携带了温度分布信息，亦即加速度数据由荧光信号中提取。

所述的光吸收极是能将所述的入射激光吸收转化为热量的固体材料，例如石墨膜片，位于所述的加速度传感器的底部中间。在传感器平衡状态下光吸收极的上方形成一个热气泡，当在传感器的敏感方向施加加速度时或在重力场中倾斜传感器时，基于流体的自然对流效应，热气泡偏离传感器中央位置。反映自然对流浮升力与粘性力之比的Grashof数表明，加速度对自然对流的浮升力起决定性作用。

所述的多个荧光极分别由不同的温敏荧光材料构成，对称布置在光吸收极的周圈。加速度传感器的敏感轴方向及数量由荧光极的分布位置及数量确定。当热气泡偏离传感器中央位置，偏离的程度及方向反映为各荧光极处温度的不均匀分布。

所述的多个荧光极同时被入射激光激发，它们发射的荧光波段不同，被记录在同一光谱图上仍然可以区分各荧光极的温敏荧光。各荧光极的荧光材料的荧光温度传感方程是荧光材料的固有属性，该温度传感方程通过独立的标定过程得到。由同时测得但可以在波长范围上区分的各荧光极的荧光信号，结合独立标定得到的各荧光温度传感方程，可以不作逐点扫描就一次得到热气泡周围的温度分布。从而，基于（1）加速度改变温度分布，（2）温度变化改变荧光信号的函数关系，由荧光分析能得到加速度数据。

在同时测量所述的多个荧光极的荧光得到的一幅光谱图上可以区分各荧光极的温敏荧光光谱特征。

所述的光学窗口容许入射激光及所述的荧光极荧光的透射。

所述的结构元件封装是气密性封装，传感器内封存惰性气体，例如氮气或氩气。惰性气体保护光吸收极，避免高温引起的氧化、挥发等效应。

本发明的实质是单荧光光谱分布式温度传感技术与热对流式振动传感技术的有机结合。