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- 測量加速度的更好方法
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/4/7
當(dāng)一輛汽車從右邊的車道上駛過時，您將在兩條車道的道路上以速度限制行駛。您猛踩剎車，并在不到一秒的時間內(nèi)使安全氣囊膨脹，從而避免了嚴(yán)重的人身傷害甚至死亡。
有了加速度計，安全氣囊就展開了，加速度計是一種檢測速度突然變化的傳感器。加速度計可將火箭和飛機(jī)保持在正確的飛行路徑上，為自動駕駛汽車提供導(dǎo)航，并旋轉(zhuǎn)圖像，使它們在手機(jī)和平板電腦上保持正面朝上，以及其他重要任務(wù)。
為了滿足在小型導(dǎo)航系統(tǒng)和其他設(shè)備中準(zhǔn)確測量加速度的不斷增長的需求，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的研究人員開發(fā)了一種加速度計，厚度僅為毫米厚，使用激光代替機(jī)械應(yīng)變來產(chǎn)生信號。
盡管其他一些加速度計也依賴光，但NIST儀器的設(shè)計使測量過程更加簡單，并提供了更高的精度。它也可以在更大的頻率范圍內(nèi)工作，并且比類似設(shè)備經(jīng)過更嚴(yán)格的測試。
NIST設(shè)備不僅被稱為光機(jī)械加速度計，而且比最佳的商用加速度計要精確得多，而且它不需要經(jīng)歷耗時的定期校準(zhǔn)過程。實際上，由于該儀器使用已知頻率的激光來測量加速度，因此它最終可以作為便攜式參考標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)目前市場上的其他加速度計，從而使其更加準(zhǔn)確。
加速度計還具有改善諸如軍用飛機(jī)，衛(wèi)星和潛艇等關(guān)鍵系統(tǒng)中的慣性導(dǎo)航的潛力，尤其是在沒有GPS信號的情況下。NIST的研究人員Jason Gorman，Thomas LeBrun，David Long及其同事在Optica雜志上描述了他們的工作。
光機(jī)械加速度計的圖示，它使用光來測量加速度。NIST設(shè)備由兩個硅芯片組成，紅外激光在底部芯片進(jìn)入，在頂部發(fā)射。頂部芯片包含由硅梁懸掛的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊使質(zhì)量塊可以響應(yīng)加速度自由上下移動。檢測質(zhì)量上的鏡面涂層和連接到底部芯片的半球形鏡形成光學(xué)腔。選擇紅外光的波長，使其與腔體的諧振波長幾乎匹配，從而使光在離開兩個反射鏡表面之間多次來回反射時逐漸增強(qiáng)強(qiáng)度。當(dāng)設(shè)備加速時，檢測質(zhì)量就會移動，從而改變腔體的長度并改變共振波長。這改變了反射光的強(qiáng)度。光學(xué)讀數(shù)將強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換為加速度的量度。
這項研究是NIST on Chip的一部分，該計劃將研究所的前沿測量科學(xué)技術(shù)和專業(yè)知識直接帶給商業(yè)，醫(yī)學(xué)，國防和學(xué)術(shù)界的用戶。
加速度計（包括新的NIST設(shè)備）通過跟蹤相對于設(shè)備內(nèi)部固定參考點的自由移動質(zhì)量（稱為“標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量”）的位置來記錄速度變化。僅當(dāng)加速度計減速，加速或切換方向時，檢測質(zhì)量與參考點之間的距離才會改變。如果您是汽車上的乘客，情況也是如此。如果汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)或以恒定速度行駛，則您與儀表板之間的距離將保持不變。但是，如果汽車突然剎車，您將被甩向前方，并且您與儀表板之間的距離會縮短。
檢測質(zhì)量的運動產(chǎn)生可檢測的信號。由NIST研究人員開發(fā)的加速度計依靠紅外光來測量兩個高反射性表面之間的距離變化，這些表面附著在很小的空白區(qū)域。檢驗質(zhì)量被一根人發(fā)寬度的五分之一的柔性梁懸掛，使其可以自由移動，該檢驗質(zhì)量支撐著鏡面之一。另一個反射表面是加速度計的固定參考點，由不可移動的微型凹面鏡組成。
兩個反射面以及它們之間的空隙共同形成一個空腔，在該空腔中，恰好波長的紅外光可以在反射鏡之間共振或來回反射，從而增強(qiáng)強(qiáng)度。該波長由兩個反射鏡之間的距離決定，就像彈撥吉他的音高取決于樂器的品格和琴橋之間的距離一樣。如果檢測質(zhì)量響應(yīng)于加速度而移動，從而改變了反射鏡之間的間隔，則共振波長也會發(fā)生變化。
為了以高靈敏度跟蹤諧振腔諧振波長的變化，將穩(wěn)定的單頻激光器鎖定到諧振腔。正如最近在《光學(xué)快報》上發(fā)表的文章中所描述的那樣，研究人員還采用了一種光學(xué)頻率梳（可以用作標(biāo)尺來測量光的波長的裝置）來高精度地測量腔體的長度。直尺（梳子的齒）的標(biāo)記可以被認(rèn)為是一系列波長相等的激光。當(dāng)質(zhì)量塊在加速期間（縮短或延長空腔）移動時，反射光的強(qiáng)度會隨著與梳齒相關(guān)的波長移動而與空腔共振而發(fā)生變化。
將檢測質(zhì)量的位移準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為加速度是至關(guān)重要的一步，這在大多數(shù)現(xiàn)有的光機(jī)械加速度計中都是成問題的。但是，該團(tuán)隊的新設(shè)計可確保通過質(zhì)量的第一原理簡單且易于建模證明質(zhì)量的位移與加速度之間的動態(tài)關(guān)系。簡而言之，設(shè)計檢測質(zhì)量和支撐梁，使其表現(xiàn)得像簡單的彈簧或諧波振蕩器，在加速度計的工作范圍內(nèi)以單個頻率振動。
這種簡單的動態(tài)響應(yīng)使科學(xué)家們無需校準(zhǔn)設(shè)備即可在很寬的加速度頻率范圍（1kHz至20kHz）上實現(xiàn)較低的測量不確定度。此功能是獨特的，因為必須校準(zhǔn)所有商用加速度計，這既費時又昂貴。自從他們的研究在Optica上發(fā)表以來，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了幾項改進(jìn)，可以將設(shè)備的不確定度降低到將近1％。
光學(xué)機(jī)械加速度計能夠檢測質(zhì)量小于氫原子直徑十分之一的位移，因此可檢測到小至320億分之a(chǎn)g的加速度，其中g(shù)是地球引力引起的加速度。這比目前市場上所有尺寸和帶寬相似的加速度計都具有更高的靈敏度。
隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，NIST光學(xué)機(jī)械加速度計可以用作便攜式，高精度的參考設(shè)備來校準(zhǔn)其他加速度計，而不必將其帶入實驗室。
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