一种基于微纳芯片的小型化绝对重力仪

1.本发明属于绝对重力测量领域，具体涉及一种基于微纳芯片的小型化绝对重力仪。


背景技术：

2.精密的重力加速度测量在诸多领域都有应用，如地球物理、计量学、惯性导航与定位、资源勘探、科学研究等，地球重力场分布能够反映出地球内部的物质密度分布，对地质构造、地球形状、地球自转建模等有重要的意义。大地水准面的计算需要精确知道全球多个重力基站的重力数据，还需要局域的航空重力测量数据作为补充。在火山附近与地震频发区域做长期的重力监控，有助于预测地壳的运动趋势以减轻火山和地震带来的危害。重力的精密测量对于研究固体潮、海潮模型、极地运动、地下水分布等有着重要的作用。这些数据对理解地慢及大陆岩石圈的动力学变化、全球气候变暖、极地冰川融化、海平面上升也有重要的参考价值。物理学与重力、引力有关的各种理论与定律需要实验的检验，也需要高精度的重力测量数据作为支撑。
3.通常绝对重力仪都是体积巨大，功耗大，测量周期长，例如传统的fg5
‑
x型绝对重力仪总重量为150kg，需要用6个箱子装运，占地面积3m2，额定功率达到500w。实际应用受到一定的限制。再比如较为先进的冷原子干涉型绝对重力仪aqg
‑
a01型重力仪，总重量达到115kg，需要用4个箱子装运，控制单元占地1m2，传感探头占地0.25m2，额定功率达到300w，安装时间需要15分钟，测量时间取决于测量精度，达到最优精度需要40分钟。因此现有的重力仪的应用受到一定的限制。
4.本发明通过采用微纳芯片作为核心，采用光纤光路以及集成电路实现重力测量，其体积和功耗大大降低，可以用于一些需要绝对重力测量，但是体积受限的应用场景。


技术实现要素：

5.本发明的目的：提供一种基于微纳芯片的小型化绝对重力仪，避免了传统绝对重力仪电源系统以及光路系统复杂的不足，降低绝对重力测量系统的体积和质量，满足小型化重力测量的工程使用需求。
6.本发明的技术方案：一种微纳芯片重力测量装置，所述的装置包括980nm激光器1、光纤隔离器2、波分复用器3、微纳芯片4、1550nm激光器5、光纤环形器6、光电探测器7、a/d转换器8、fpga芯片9、单模光纤10、聚苯乙烯小球11、毛细管12和电动注射器13。其中光纤环形器6有三个端口输入端、输出端和反射端。980nm激光器1通过单模光纤10与光纤隔离器2连接在一起，1550nm激光器通过单模光纤10与光纤环形器6的输入端口连接在一起，光纤隔离器2的输出端和光纤环形器6的输出端一起连接到波分复用器3的输入端，波分复用器3的输出光纤集成到微纳芯片4中，光纤环形器6的反射端接到光电探测器7中，光电探测器7连接到a/d转换器8，a/d转换器8连接到fpga芯片9中。
7.所述的微纳芯片4内有两个通道：水平通道和垂直通道。水平通道的一侧通过毛细
管12与电动注射器13连接，电动注射器13通过毛细管12往微流芯片注入聚苯乙烯小球11；垂直通道的下方通过单模光纤10与波分复用器3连接在一起。
8.所述的聚苯乙烯小球11的直径为6
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8μm.
9.所述的微纳芯片4的水平通道直径为8
‑
11μm，垂直通道直径大于200μm。
10.所述的毛细管12为玻璃毛细管,内径均大于10μm。
11.发明的有益效果在于：本发明实现在微纳芯片中实现了重力测量的功能，大大降低了重力仪的体积，功耗和测量周期，可用于在各类测量领域实现重力加速度快速测量，降低了环境限制。
附图说明
12.图1是一种微纳芯片重力测量装置结构图。
13.图2是微流芯片端结构图。
具体实施方式
14.下面对本发明做进一步详细说明
15.请同时参阅图1，其中图1是一种微纳芯片重力测量装置结构图，所述的装置包括980nm激光器1、光纤隔离器2、波分复用器3、微纳芯片4、1550nm激光器5、光纤环形器6、光电探测器7、a/d转换器8、fpga芯片9、单模光纤10、聚苯乙烯小球11、毛细管12和电动注射器13。
16.请同时参阅图2，其中图2是微流芯片端结构图。装置测量分为三个步骤，具体如下：
17.步骤一：输出稳定的聚苯乙烯小球11序列，电动注射器13通过控制程序以一定的流速往微纳芯片4的水平通道中注射聚苯乙烯小球11，此时在微纳芯片4的水平通道中有间距和流速都固定的聚苯乙烯小球11序列；
18.步骤二：捕获聚苯乙烯小球11，聚苯乙烯小球11在经过水平通道和垂直通道的交叉口时会波分复用器3的输出光纤的输出光捕获，此时光电探测器7会收到聚苯乙烯小球的反射信号(1550nm)，通过a/d转换器8将该信号输入到fpga芯片9中，之后fpga芯片9给电动注射器13发送停止注射的指令，由于光场力和重力平衡，聚苯乙烯小球11悬停在输出光纤的输出光捕获场中；
19.步骤三：测量绝对重力值，聚苯乙烯小球11被捕获后，fpga芯片9给980nm激光器1发出增加功率的指令，聚苯乙烯小球11收到向上的推力，聚苯乙烯小球11开始上抛，fpga芯片9开始采集一个周期的干涉信号，通过低通滤波，信号提取获得当地重力加速度值。具体算法如下
20.光纤端出射的光在被捕获小球的表面被反射，与从纤端被反射的光发生干涉。其干涉光场表达式应该是：
21.e
n
＝e
12 exp j(φt)
22.[0023][0024]
其中，e
01
为光纤探针端反射光束的振幅，e
02
为小球表面反射光束的振幅，v为小球的下落速度。
[0025]
对速度v进行一次微分处理即可获得当地的重力加速度g。
[0026][0027]
通过重复测量多个聚苯乙烯小球的重力值，以提升重力测量值的精度，理论上来说，测量次数越多，重力测量值越精确。