一种三维加速度检测传感器、检测系统和测量方法与流程

本发明涉及检测，特别是涉及一种三维加速度检测传感器、检测系统和测量方法。

背景技术：

1、作为量子科技的一大研究赛道，量子传感技术通过电子、光子、声子等微观量子体系与外界环境的相互作用，精确感知强度极弱的物理量，测量精度就此实现质的飞跃。随着上世纪激光技术的快速发展，微观尺度下极其微弱的光力学效应被科研人员逐渐发现。1970年，美国贝尔实验室首次观察到被激光照射的微米尺度乳胶小球的加速运动和稳定悬浮的现象，由此发现了光辐射压作用，并首次提出光阱的概念。

2、随着真空技术的不断突破，基于光力效应的悬浮光力传感技术应运而生。该技术利用处于真空环境的光阱对微纳尺度的机械振子进行悬浮与囚禁，并将待测物理量转换为光悬浮机械振子的状态变化量，通过敏感出该微纳振子的运动参数，实现物理量的高精度测量。然而在实际应用中，还存在多种问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题至少之一，本发明第一方面提供一种基于光力效应的三维加速度检测传感器，包括检测通道，传感探头和光电探测器，其中

2、所述传感探头包括对称设置的两组传输光纤矩阵和微粒，每组传输光纤矩阵包括相同数量的传输光纤；

3、所述检测通道，用于接收外部光源发射的多路标准激光信号，将所述标准激光信号传输至所述传感探头的各传输光纤矩阵的各传输光纤以形成多个光阱，并接收经所述传感探头的各光阱反馈的多个反馈激光信号、分别将各反馈激光信号与对应设置的参考激光信号进行干涉以形成多个干涉光信号，至少一个所述干涉光信号包括所述微粒的位置信息；

4、所述光电探测器，用于按照预设置的时间间隔捕捉所述干涉光信号并转换为干涉电信号。

5、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度检测传感器中，所述传感探头包括设置在壳体上相对设置的两个表面上且对称安装的第一传输光纤矩阵和第二传输光纤矩阵；

6、所述第一传输光纤矩阵的各传输光纤的端面和第二传输光纤矩阵中对应的传输光纤的端面正对设置，多组相对设置的两个传输光纤响应于输入的相向传播的标准激光信号形成多个光阱；

7、所述微粒位于所述多个光阱中的一个光阱中，并且所述微粒响应于所述光阱的标准激光信号、以及重力呈悬浮状态。

8、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度检测传感器中，所述壳体为真空长方体结构，所述壳体中设置所述第一传输光纤矩阵和第二传输光纤矩阵的表面分别设置与各所述传输光纤相连接的光纤引导孔；

9、各传输光纤与对应的表面垂直设置，并且，所述第一传输光纤矩阵的各传输光纤的端面相对于所连接的表面平齐，所述第二传输光纤矩阵的各传输光纤的端面相对于所连接的表面平齐。

10、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度检测传感器中，所述第一传输光纤矩阵和第二传输光纤矩阵包括至少9个传输光纤。

11、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度检测传感器中，所述第一传输光纤矩阵和第二传输光纤矩阵包括3×3个传输光纤，第一传输光纤矩阵和第二传输光纤矩阵的对应的传输光纤响应于输入的相向传播的标准激光信号形成第一光阱到第九光阱；所述检测通道包括：

12、将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第一传输光纤和第二传输光纤矩阵的第一传输光纤以形成第一光阱，将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第九传输光纤和第二传输光纤矩阵的第九传输光纤以形成第九光阱，对所述第一光阱的第二传输光纤矩阵的第一传输光纤接收的反馈激光信号与所述第九光阱的第二传输光纤矩阵的第九传输光纤接收的反馈激光信号进行干涉的第一检测子通道；

13、将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第二传输光纤和第二传输光纤矩阵的第二传输光纤以形成第二光阱，将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第八传输光纤和第二传输光纤矩阵的第八传输光纤以形成第八光阱，对所述第二光阱的第二传输光纤矩阵的第二传输光纤接收的反馈激光信号与所述第八光阱的第二传输光纤矩阵的第八传输光纤接收的反馈激光信号进行干涉的第二检测子通道；

14、将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第三传输光纤和第二传输光纤矩阵的第三传输光纤以形成第三光阱，将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第七传输光纤和第二传输光纤矩阵的第七传输光纤以形成第七光阱，对第三光阱的第二传输光纤矩阵的第三传输光纤接收的反馈激光信号与第七光阱的第二传输光纤矩阵的第七传输光纤接收的反馈激光信号进行干涉的第三检测子通道；

15、将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第四传输光纤和第二传输光纤矩阵的第四传输光纤以形成第四光阱，将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第六传输光纤和第二传输光纤矩阵的第六传输光纤以形成第六光阱，对所述第四光阱的第二传输光纤矩阵的第四传输光纤接收的反馈激光信号与所述第六光阱的第二传输光纤矩阵的第六传输光纤接收的反馈激光信号进行干涉的第四检测子通道；

16、将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第五传输光纤和第二传输光纤矩阵的第五传输光纤以形成第五光阱，对所述第五光阱的第二传输光纤矩阵的第五传输光纤接收的反馈激光信号与所述标准激光信号进行干涉的第五检测子通道。

17、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度检测传感器中，每个检测子通道包括耦合器、以及与各光阱对应设置的环形器和中间传输光纤，其中，

18、所述环形器，用于将所述标准激光信号传输至对应的传输光纤，所述传输光纤接收所属光阱反馈的反馈激光信号并传输至所述中间传输光纤；

19、所述耦合器，用于将所述中间传输光纤传输的反馈激光信号与对应设置的参考激光信号进行干涉并生成所述干涉光信号。

20、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度检测传感器中，在所述第一检测子通道到第四检测子通道中，两个光阱反馈的反馈激光信号互为对方反馈激光信号的所述对应设置的参考激光信号；

21、在所述第五检测子通道中，所述对应设置的参考激光信号为所述标准激光信号。

22、本发明第二方面提供一种三维加速度检测系统，包括光源，处理器，以及如第一方面所述的三维加速度检测传感器，其中，

23、所述光源，用于发射多路标准激光信号至所述三维加速度检测传感器；

24、所述处理器，用于根据预设置的时间间隔和所述三维加速度检测传感器输出的干涉电信号获取所述三维加速度检测传感器的传感探头的微粒的位移信息和时间信息，并根据所述位移信息和时间信息获取所述传感探头的加速度和移动方向。

25、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度检测系统中，所述处理器包括加速度方向对照表，所述加速度方向对照表包括位移信息、时间信息、与所述位移信息和时间信息对应的加速度和移动方向；

26、所述处理器根据所述位移信息和时间信息查找所述加速度方向对照表以获取所述传感探头的加速度和移动方向。

27、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度检测系统中，所述标准激光信号的波长大于等于1530nm并且小于等于1565nm。

28、本发明第三方面提供一种应用第二方面所述的三维加速度检测系统的三维加速度测量方法，包括：

29、利用三维加速度检测传感器的检测通道接收光源发射的多路标准激光信号，所述检测通道将标准激光信号传输至所述三维加速度检测传感器的传感探头的各传输光纤矩阵的各传输光纤以形成多个光阱，所述检测通道接收经所述传感探头的各光阱反馈的多个反馈激光信号、分别将各反馈激光信号与对应设置的参考激光信号进行干涉以形成多个干涉光信号，至少一个所述干涉光信号包括所述传感探头的微粒的位置信息；

30、利用所述三维加速度检测传感器的光电探测器按照预设置的时间间隔捕捉所述干涉光信号并转换为干涉电信号；

31、利用处理器根据所述时间间隔和所述干涉电信号获取所述微粒的位移信息和时间信息，所述处理器根据所述位移信息和时间信息获取所述传感探头的加速度和移动方向。

32、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度测量方法中，所述传感探头包括设置在壳体上相对设置的两个表面上且对称安装的第一传输光纤矩阵和第二传输光纤矩阵，每组传输光纤矩阵包括相同数量的传输光纤；

33、所述检测通道将标准激光信号传输至所述三维加速度检测传感器的传感探头的各传输光纤矩阵的各传输光纤以形成多个光阱进一步包括：

34、所述第一传输光纤矩阵的各传输光纤的端面和第二传输光纤矩阵中对应的传输光纤的端面正对设置，多组相对设置的两个传输光纤响应于输入的相向传播的标准激光信号形成多个光阱；

35、所述微粒位于所述多个光阱中的一个光阱中，并且所述微粒响应于所述光阱的标准激光信号、以及重力呈悬浮状态。

36、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度测量方法中，所述第一传输光纤矩阵和第二传输光纤矩阵包括3×3个传输光纤，第一传输光纤矩阵和第二传输光纤矩阵的对应的传输光纤响应于输入的相向传播的标准激光信号形成第一光阱到第九光阱；

37、所述检测通道将标准激光信号传输至所述三维加速度检测传感器的传感探头的各传输光纤矩阵的各传输光纤以形成多个光阱，所述检测通道接收经所述传感探头的各光阱反馈的多个反馈激光信号、分别将各反馈激光信号与对应设置的参考激光信号进行干涉以形成多个干涉光信号进一步包括：

38、第一检测子通道将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第一传输光纤和第二传输光纤矩阵的第一传输光纤以形成第一光阱，将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第九传输光纤和第二传输光纤矩阵的第九传输光纤以形成第九光阱，对所述第一光阱的第二传输光纤矩阵的第一传输光纤接收的反馈激光信号与所述第九光阱的第二传输光纤矩阵的第九传输光纤接收的反馈激光信号进行干涉并生成所述第一检测子通道的第一干涉光信号；

39、第二检测子通道将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第二传输光纤和第二传输光纤矩阵的第二传输光纤以形成第二光阱，将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第八传输光纤和第二传输光纤矩阵的第八传输光纤以形成第八光阱，对所述第二光阱的第二传输光纤矩阵的第二传输光纤接收的反馈激光信号与所述第八光阱的第二传输光纤矩阵的第八传输光纤接收的反馈激光信号进行干涉并生成所述第二检测子通道的第二干涉光信号；

40、第三检测子通道将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第三传输光纤和第二传输光纤矩阵的第三传输光纤以形成第三光阱，将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第七传输光纤和第二传输光纤矩阵的第七传输光纤以形成第七光阱，对所述第三光阱的第二传输光纤矩阵的第三传输光纤接收的反馈激光信号与所述第七光阱的第二传输光纤矩阵的第七传输光纤接收的反馈激光信号进行干涉并生成所述第三检测子通道的第三干涉光信号；

41、第四检测子通道将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第四传输光纤和第二传输光纤矩阵的第四传输光纤以形成第四光阱，将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第六传输光纤和第二传输光纤矩阵的第六传输光纤以形成第六光阱，对所述第四光阱的第二传输光纤矩阵的第四传输光纤接收的反馈激光信号与所述第六光阱的第二传输光纤矩阵的第六传输光纤接收的反馈激光信号进行干涉并生成所述第四检测子通道的第四干涉光信号；

42、第五检测子通道将所述标准激光信号传输至所述第一传输光纤矩阵的第五传输光纤和第二传输光纤矩阵的第五传输光纤以形成第五光阱，对所述第五光阱的第二传输光纤矩阵的第五传输光纤接收的反馈激光信号与所述标准激光信号进行干涉并生成所述第五检测子通道的第五干涉光信号。

43、例如，在本技术一些实施例提供的三维加速度测量方法中，所述处理器包括加速度方向对照表，所述加速度方向对照表包括位移信息、时间信息、与所述位移信息和时间信息对应的加速度和移动方向；

44、所述处理器根据所述位移信息和时间信息获取所述传感探头的加速度和移动方向进一步包括：所述处理器根据所述位移信息和时间信息查找所述加速度方向对照表以获取所述传感探头的加速度和移动方向。

45、本发明的有益效果如下：

46、本发明针对目前现有的问题，制定一种三维加速度检测传感器、检测系统和测量方法，通过传感探头中对称设置的两组传输光纤矩阵形成多个光阱，并通过各光阱反馈的多个反馈激光信号表征微粒的位置，通过与对应设置的参考激光信号进行干涉进一步放大光强，再通过光电探测器按照预设置的时间间隔检测干涉后的光波生成电信号，在提高三维加速度检测传感器的灵敏度的同时进一步增加时间信息，以便于根据电信号和时间信息动态获取微粒在三维空间的加速度和移动方向，从而弥补了现有技术中存在的问题，有效提高三维加速度检测传感器的检测精度，扩大使用范围，具有广泛的应用前景。