[发明专利]基于Y型腔正交偏振激光器的力和质量测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度力和质量测量方法及装置，特别涉及一种新的微纳力和微纳质量计量标准的传递方法，属于激光测量技术领域。

背景技术

在国际单位制(SI)中，力是一个依据牛顿第二定律(F＝ma)的导出量，质量也往往转化为重力场中的自重力来进行测量。传统的力和质量的测量方法通常是基于虎克定律的，它们往往将输入力转化为弹性元件(如弹簧、弹性膜片等)的弹性形变。这种方法一般都存在非线性、精度低、重复性和稳定性差等缺点。近代激光技术、光纤传感技术、微制造技术的发展给光学测量的研究提供了有利条件，基于光学技术的力测量方法发展迅速，种类较多。通常的方法是将输入力用来调制光强、偏振态或者位相，例如光纤MEMS力传感器(Xiao-Qin，Ming W，Xu-Xing C，et al.An optical fibre MEMS pressure sensor using dual-wavelength interrogation[J]Measurement Science and Technology.2006，17(9)：2401.)和光纤布喇格光栅力传感器(Zhang W，Liu L，Li F，et al.Fiber Bragg grating pressure sensor with enhanced sensitivity[J]Chinese Optics Letters.2007，5(9)：507～508.)。光纤的弹性形变也可以用来调制透射光的位相从而实现力传感(Zhou J，Dasgupta S，Kobayashi H，et al.Optically interrogated MEMS pressure sensors for propulsion applications[J]Optical Engineering.2001，40(4)：598～604.)。也有研究者将SOI-MEMS技术用于力测量(Dao D V.Micro/nano-mechanical sensors and actuators based on SOI-MEMS technology[J]Advances in Natural Sciences：Nanoscience and Nanotechnology.2010(1)：13001.)。这些测量方法通常都不同程度的存在非线性的特点。另外一种光学测量方法是将输入力用来调制激光的频率，它利用激光晶体(如Nd:YAG)的光弹效应，实现力-频率转换。该方法分辨率较高，但由于激光晶体的光弹性质容易受到温度等环境因素的影响，抗干扰能力较差。中国发明专利申请“双Y型腔双频激光加速度计”(申请号：200910227028.8)公开了一种新型的Y型腔正交偏振氦氖激光器和基于该激光器的测量加速度的方法，该激光器在力和质量测量方面有着较大的潜力。

微纳测量是纳米科技的基础。随着纳米科技的飞速发展，微纳力和微纳质量的测试和计量技术的发展却显得相对滞后，成为纳米科技发展的制约因素之一。传统的力和质量的计量体系建立在标准质量块的量值溯源和量值传递的基础上。目前在许多领域需要观测的力值越来越小，mN级已经偏大，需要μN、nN级的测量。若通过质量块(标准砝码)溯源，理论上可以制造、标定出更小的质量块，但小力值的质量块的相对不确定度偏大，如0.5mg其相对不确定度为几十μg/mg，而且随着质量的减小，其相对误差却呈现出不断增加的趋势。当自重力减小到μN、nN级时，且不说质量块如何制造，其误差已与量程相当，因此需要建立一套新的微力测量溯源体系。近年来，世界上很多发达国家都正在致力于发展新的微纳力和微纳质量计量体系，包括计量基准和计量标准传递方法，取得了一定程度的进展。英国国家物理实验室初步建立了小力天平(Low Force Balance)作为国家计量基准，他们正在研制基于悬梁臂等弹性元件的微纳力计量标准传递仪。该微纳力计量标准传递仪对弹性元件的力学性能要求很高，因此需要很高的加工技术和很严格的加工工艺，这也是他们目前需要解决的主要问题。

发明内容

为克服现有的力和质量测量方法和装置的非线性、精度低、抗干扰能力差等不足，本发明提供一种高精度力和质量测量方法及装置；通过改变其结构参数，可以方便地调节该装置的测量范围和分辨率，以适用于不同的应用场合；通过优化其结构参数，该装置可以作为微纳力值和微纳质量的计量标准传递仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的装置，包括Y型腔正交偏振激光器、气体膜盒、加力单元、工作点选择与控制单元、信号采集与处理单元，