[发明专利]一种在线测量光悬浮加速度传感器标度因数的方法

说明书

本发明属于光学工程领域和精密测量技术领域，具体涉及一种在线测量光悬浮加速度传感器标度因数的方法。在光悬浮加速度传感器中，通过测量微粒的位移信息，再通过傅里叶变换获得微粒的谐振频率，从而获得加速度传感器的标度因数。该方法获取标度因数的速度与微粒位移采集的速度相当，因而可以实现高速在线测量标度因数。本发明无需测量刚度系数和微粒质量等参数，不需要进行实验标定，还具有结构简单、实用性强和适用范围广等优点。

技术领域

本发明属于光学工程领域和精密测量技术领域，具体涉及一种在线测量光悬浮加速度传感器标度因数的方法。

背景技术

加速度传感器一般由支承结构和质量块构成，当质量块受到加速度的作用时，质量块会产生位移，同时支承结构产生形变。一般质量块的位移量与输入的加速度值成比例关系，该比值称为“标度因数”，通过测量质量块的位移量可以计算得到加速度值。常规支承结构一般由弹簧、悬臂梁等构成，具有难以避免的机械噪声。此外，支承材料应力的持续释放还会引入积累误差。

光悬浮是一种新型的操纵工具，被广泛应用于生命科学、基础物理和精密测量等领域。特别在精密测量方面，光悬浮技术已经实现了仄牛量级力灵敏度，幺克级质量灵敏度，微重力加速度量级的加速度灵敏度等。其具有无接触式悬浮、损伤小、精度高等优点，因而采用光悬浮作为支承方式制作加速度计可以有效避免机械噪声和积累误差，是实现高精度加速度传感的重要技术方案。

准确获取标度因数是光悬浮加速度传感器实现高精度应用的重要前提，一般获取方法有两种：第一种为直接标定法，测得加速度和质量块位移的实验数据后，通过拟合计算得到标度因数；第二种方法为间接测量法，根据牛顿第二定律和胡克定律可得，标度因数为刚度系数和微粒质量的比值，测得这两个参数后通过比值计算即可得到标度因数值。这两种方法都需要在使用前测得相关的参数，测量方法比较繁琐。此外，标度因数可能会在使用过程中产生波动，为光悬浮加速度传感器引入测量误差，而这两种方法都无法实时测量标度因数的变化。本发明提出的技术方案，目前未见报道。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出了一种在线测量光悬浮加速度传感器标度因数的方法，该方法可以在线实时监测标度因数的变化，具有方法简单、实用效果强、成本低廉等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种在线测量光悬浮加速度传感器标度因数的方法，包括以下步骤：

步骤一，搭建光镊系统捕获微粒：采用捕获激光、聚光透镜搭建光镊系统，构建三维光学势阱；装载微粒进入光学势阱区域，实现光镊系统捕获微粒；

步骤二，获取微粒的位移信息；

步骤三，获取微粒的谐振频率Ω：对微粒任意维度的位移信息进行傅里叶变换，得到微粒该维度位移信息的频谱分布，并获取微粒的谐振频率Ω；

步骤四，计算标度因数Q：通过计算微粒的谐振频率的平方得到标度因数，即Q＝Ω²。

进一步地，步骤二中所述获取微粒的位移信息采用位移探测器测量微粒的散射光来实现。

本发明的有益效果是：在光悬浮加速度传感器中，通过测量微粒的位移信息，再通过傅里叶变换获得微粒的谐振频率，从而获得加速度传感器的标度因数。该方法获取标度因数的速度与微粒位移采集的速度相当，因而可以实现高速在线测量标度因数。此外，该方法无需测量刚度系数和微粒质量等参数，不需要进行实验标定，具有结构简单和实用性强等优点；本发明不局限于光阱结构和光路结构，适用范围非常广。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明实施例中实验装置示意图；

图3为本发明实施例中微粒位移功率谱的实验数据。

具体实施方式