【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学传感，特别是一种加速度传感器及其测量方法。
技术介绍
1、光学加速度传感器相较于电学加速度传感器而言，具有高精度、宽频响、抗电磁干扰、传感单元可实现本质安全、能胜任恶劣和危险的环境，因此是电学加速度传感器一种有力的补充。按照加速度测量技术方案划分，光学加速度传感器大抵可分为几何光学方案、波导光学方案及新型光学机械方案。
2、几何光学方案的光学加速度传感器凭借结构简单、成本低廉，对光学器件要求低等优点，已被较广泛应用，例如abbaspour-sani e等人构建了光栅快门型的光学加速度传感器，通过测量光通量的变化实现加速度测量，又例如tang sh等人构建了光强调制型的光学加速度传感器，其工作原理是在mems质量块的中心有一个狭缝，光通量随着mems质量的位移而变化，从而改变象限二极管的输出，根据二极管的光电流输出实现加速度测量，然而由于测量精度与环境抗干扰能力限制，在高精度、高带宽测量领域存在一定的局限性。
3、波导光学方案的光学加速度传感器具有灵敏度高、形式多样等特点，是目前应用最广泛、研究最多的光学加速度传感方案。根据实现技术手段划分，波导光学方案可细化分为光栅干涉腔方案、光纤布拉格光栅方案、法布里-珀罗腔方案、光子晶体方案等，相关专利与论文较多，例如hall na等人基于光栅干涉腔方案构建了加速度传感器，其工作原理为将衍射光栅固定在质量块上，发射的激光垂直入射到衍射光栅上，运动驱使质量块产生平面外位移，使得衍射光束的输出光强变化，通过检测光强计算位移量与加速度量。波导光学方案是通过
4、无论是几何光学方案或波导光学方案，受限于尺寸、材料等自身限制与光传播特性，使得其测量上都存在一定程度的近似，这不仅反映在纳米级光学效应的不准确解释，并丢失相关信息。
5、新型光学机械方案则是在亚波长范围内进行光场操纵，利用光与物质相互作用，提高灵敏度，接近甚至超过标准量子极限（sql），因此基于该方案构建加速度传感器是目前研究的热点方向，例如krishnamoorthy u等人基于垂直堆叠亚波长纳米光栅构建了光学加速度传感器。但是该技术目前尚不成熟，仍处于原理验证阶段。超表面技术凭借其具备在亚波长尺度上塑造和控制波前的能力，在成像、加密、全息和显示等领域引发广泛兴趣。
6、本专利技术提供一种基于偏振编码的超表面光栅的加速度传感器和测量方法，利用超表面微纳结构对于光场偏振调控，基于马吕斯定律，结合加速度传感结构，实现加速度测量。该加速度传感技术结合了几何光学方案与新型光学机械方案优点，即具备测量的高灵敏度，其探测结构与信号解调系统简单、易实现。
7、鉴于此，本专利技术公开了一种加速度传感器及其测量方法，包括用于产生线偏振准直光的光源模块、将外界的振动加速度转化为相对于传感器同比运动位移量的换能模块、敏感元件和用于将光信号转化为电信号并探测所述光信号光强大小的光电探测模块。本专利技术通过超表面的微纳结构对光场偏振进行调控，基于马吕斯定律，并结合加速度传感结构，实现对加速度的高灵敏度测量；通过超表面材料技术实现对线偏振准直光的编码和检偏，进而转化为光电探测模块的直接探测来求解外界振动的加速度，测量精度更高，传感器的结构更为简单，无需在光路中增加相位调制器、后端高精度解调模块和复杂的解调算法即可实现对加速度的高精度探测，降低了传感器成本，也简化了制造和维护过程。此外，本专利技术将几何光学方案的简单性和新型光学机械方案的高灵敏度进行有机结合，具有结构简单、测量方法便捷、测量精度高、本质安全等优点。
技术实现思路
1、针对上述问题，提供一种加速度传感器及其测量方法，通过超表面的微纳结构对光场偏振进行调控，基于马吕斯定律，并结合加速度传感结构，实现对加速度的高灵敏度测量；通过超表面材料技术实现对线偏振准直光的编码和检偏，进而转化为光电探测模块的直接探测来求解外界振动的加速度，测量精度更高，无需在光路中增加相位调制器、后端高精度解调模块和复杂的解调算法即可实现对加速度的高精度探测，降低了传感器成本，也简化了制造和维护过程，具有结构简单、测量方法便捷、测量精度高、本质安全等优点。
2、为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是。
3、一种加速度传感器，包括用于产生线偏振准直光的光源模块、将外界的振动加速度转化为相对于传感器同比运动位移量的换能模块、敏感元件和用于将光信号转化为电信号并探测所述光信号光强大小的光电探测模块；所述敏感元件包括用于将线偏振准直光编码为偏振态空间变化结构光的第一偏振编码超表面光栅和用于检测所述结构光偏振态的第二偏振编码超表面光栅；所述第一偏振编码超表面光栅与所述换能模块一端固定连接；所述第二偏振编码超表面光栅与传感器固定连接；
4、外界振动带动所述换能模块和固定于所述换能模块一端的第一偏振编码超表面光栅同步产生相对于传感器的同比运动位移量δ x，所述光源模块产生线偏振准直光进入所述敏感元件的第一偏振编码超表面光栅，经第一偏振编码超表面光栅编码为偏振态空间变化结构光后进入第二偏振编码超表面光栅，经第二偏振编码超表面光栅检测所述结构光的偏振态后输出光信号至光电探测模块，由光电探测模块将光信号转化为电信号并探测出所述光信号的光强信号，通过马吕斯定律计算出所述第二偏振编码超表面光栅相对于第一偏振编码超表面光栅的相对位移δ x，结合换能模块的有阻尼单自由度稳态运动方程求解出外界的振动加速度。
5、优选的，所述光源模块包括用于产生激光的激光器、用于对激光进行准直的空间光准直透镜或光纤准直器、用于将准直光转化为线偏振准直光的起偏镜。
6、优选的，所述换能模块包括质量块、用于承受和传递外界振动垂直载荷的弹性元件和用于对外界振动进行减振和消能的阻尼器。
7、优选的，所述光电探测模块包括光电探测器。
8、优选的，所述光电探测模块包括耦合透镜组和光纤光电探测器。
9、一种加速度传感器的测量方法，包括如下步骤：
10、步骤1：光源模块输出线偏振准直光至敏感元件的第一偏振编码超表面光栅；
11、步骤2：所述第一偏振编码超表面光栅与换能模块中的质量块固定相连，所述换能模块将外界的振动加速度转化为所述质量块与传感器之间的同比运动位移量δ x，所述质量块带动所述第一偏振编码超表面光栅产生相同运动的位移量δ x；
12、步骤3：所述第一偏振编码超表面光栅将线偏振准直光编码为偏正态空间变化结构光，并照射至第二偏振编码超表面光栅；所述第二偏振编码超表面光栅与传感器固定连接；
13、步骤4：所述结构光经第二偏振编码超表面光栅的偏振态检测后输出光信号至光电探测模块，由光电探测模块将光信号转化为电本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种加速度传感器，其特征在于：包括用于产生线偏振准直光的光源模块、将外界的振动加速度转化为相对于传感器同比运动位移量的换能模块、敏感元件和用于将光信号转化为电信号并探测所述光信号光强大小的光电探测模块；所述敏感元件包括用于将线偏振准直光编码为偏振态空间变化结构光的第一偏振编码超表面光栅和用于检测所述结构光偏振态的第二偏振编码超表面光栅；所述第一偏振编码超表面光栅与所述换能模块一端固定连接；所述第二偏振编码超表面光栅与传感器固定连接；
2.如权利要求1所述的一种加速度传感器，其特征在于：所述光源模块包括用于产生激光的激光器、用于对激光进行准直的空间光准直透镜或光纤准直器、用于将准直光转化为线偏振准直光的起偏镜。
3.如权利要求1所述的一种加速度传感器，其特征在于：所述换能模块包括质量块、用于承受和传递外界振动垂直载荷的弹性元件和用于对外界振动进行减振和消能的阻尼器。
4.如权利要求1所述的一种加速度传感器，其特征在于：所述光电探测模块包括光电探测器。
5.如权利要求1所述的一种加速度传感器，其特征在于：所述光电探测模块包括耦合透镜
6.如权利要求1-5任一所述的一种加速度传感器的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
7.如权利要求6所述的一种加速度传感器的测量方法，其特征在于：所述马吕斯定律如下：
8.如权利要求6所述的一种加速度传感器的测量方法，其特征在于：所述有阻尼单自由度稳态运动方程的计算公式如下：
9.如权利要求6所述的一种加速度传感器的测量方法，其特征在于：所述结构光的空间局域偏振为不同振动方向的线偏振准直光，其偏振方向与初始偏振方向夹角为θ=2πx/Λ，其中x为第一偏振编码超表面光栅的坐标，Λ为第一偏振编码超表面光栅的结构周期。
10.如权利要求9所述的一种加速度传感器的测量方法，其特征在于：所述结构光经第二偏振编码超表面光栅检测后，其偏振角变化量为Δθ=2πΔx/Λ，其中Λ为第一偏振编码超表面光栅的结构周期，Δx为所述第二偏振编码超表面光栅相对于第一偏振编码超表面光栅的相对位移。
...【技术特征摘要】
1.一种加速度传感器，其特征在于：包括用于产生线偏振准直光的光源模块、将外界的振动加速度转化为相对于传感器同比运动位移量的换能模块、敏感元件和用于将光信号转化为电信号并探测所述光信号光强大小的光电探测模块；所述敏感元件包括用于将线偏振准直光编码为偏振态空间变化结构光的第一偏振编码超表面光栅和用于检测所述结构光偏振态的第二偏振编码超表面光栅；所述第一偏振编码超表面光栅与所述换能模块一端固定连接；所述第二偏振编码超表面光栅与传感器固定连接；
2.如权利要求1所述的一种加速度传感器，其特征在于：所述光源模块包括用于产生激光的激光器、用于对激光进行准直的空间光准直透镜或光纤准直器、用于将准直光转化为线偏振准直光的起偏镜。
3.如权利要求1所述的一种加速度传感器，其特征在于：所述换能模块包括质量块、用于承受和传递外界振动垂直载荷的弹性元件和用于对外界振动进行减振和消能的阻尼器。
4.如权利要求1所述的一种加速度传感器，其特征在于：所述光电探测模块包括光电探测器。
5.如权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕韬，王大迟，王瑞，俞本立，
申请(专利权)人：安徽至博光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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