技术领域
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
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。
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3m
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。
发明内容
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。
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。
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。
所述的聚苯乙烯小球11的直径为6-8μm.
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。
所述的毛细管12为玻璃毛细管,内径均大于10μm。
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
图1是一种微纳芯片重力测量装置结构图。
图2是微流芯片端结构图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明
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。
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:
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;
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;
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
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:
E
其中,E
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。
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。
机译: 微阀,一种制造相同阀的方法以及一种微流体芯片,该微流体芯片能够通过在微孔中通过基于孔的下侧包括基于聚合物的锡膜来改善阀的功能,从而提高阀的功能
机译: 具有并行多通道和微/纳能系统的硅微流控芯片,使用所述微流控芯片
机译: 微流体芯片,一种制造相同流体的方法,一种微流体芯片的微通道,以及一种能够减小微通道形状中的微通道壁中颗粒壁损耗的微通道的方法