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- 美國(guó)研究人員開發(fā)了新型的高度準(zhǔn)確和可靠的加速度計(jì)
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/4/8
光機(jī)械加速度計(jì)的插圖，該光加速度計(jì)使用光來測(cè)量加速度（圖片：F。Zhou / NIST）
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的研究人員開發(fā)了一種厚度為1毫米的加速度計(jì)，該加速度計(jì)使用激光代替機(jī)械應(yīng)變來產(chǎn)生信號(hào)。
盡管其他一些加速度計(jì)也依賴光，但光機(jī)械加速度計(jì)的設(shè)計(jì)使測(cè)量過程更加簡(jiǎn)單，從而提供了更高的精度。它還可以在更大的頻率范圍內(nèi)工作，
根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的數(shù)據(jù)，光機(jī)械加速度計(jì)已比類似設(shè)備進(jìn)行了更嚴(yán)格的測(cè)試，并且比最佳的商業(yè)加速度計(jì)更加精確。它也不需要定期校準(zhǔn)。
該儀器使用已知頻率的激光來測(cè)量加速度可能使其適合用作便攜式參考標(biāo)準(zhǔn)，以校準(zhǔn)目前市場(chǎng)上的其他加速度計(jì)，從而使其更加準(zhǔn)確。
加速度計(jì)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(hào)的情況下。
加速度計(jì)是作為NIST on Chip的一部分而開發(fā)的，該計(jì)劃旨在利用該研究所的測(cè)量科學(xué)技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，將其應(yīng)用于商業(yè)，醫(yī)學(xué)，國(guó)防和學(xué)術(shù)界。
加速度計(jì)（包括此新的NIST加速度計(jì)）通過跟蹤相對(duì)于設(shè)備內(nèi)部固定參考點(diǎn)的自由移動(dòng)質(zhì)量（稱為“標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量”）的位置來記錄速度變化。檢測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)。
由NIST研究人員開發(fā)的加速度計(jì)依靠紅外光來測(cè)量?jī)蓚�(gè)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(yàn)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(dòng)，該檢驗(yàn)質(zhì)量支撐著鏡面之一。另一個(gè)反射表面是加速度計(jì)的固定參考點(diǎn)，由不可移動(dòng)的微型凹面鏡組成。
兩個(gè)反射面以及它們之間的空隙共同形成一個(gè)空腔，在該空腔中，恰好波長(zhǎng)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(zhǎng)由兩個(gè)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(cè)質(zhì)量響應(yīng)于加速度而移動(dòng)，從而改變了反射鏡之間的間隔，則共振波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化。
為了以高靈敏度跟蹤諧振腔諧振波長(zhǎng)的變化，將穩(wěn)定的單頻激光器鎖定到諧振腔。研究人員還采用了一種光學(xué)頻率梳-一種可以用作標(biāo)尺來測(cè)量光的波長(zhǎng)的設(shè)備-可以高精度地測(cè)量腔體的長(zhǎng)度。
可以將尺子的標(biāo)記視為一系列波長(zhǎng)相等的激光器。當(dāng)質(zhì)量塊在加速期間（縮短或延長(zhǎng)空腔）移動(dòng)時(shí)，反射光的強(qiáng)度會(huì)隨著與梳齒相關(guān)的波長(zhǎng)移動(dòng)而與空腔共振而發(fā)生變化。
將檢測(cè)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(jì)中都是成問題的。但是，該團(tuán)隊(duì)的新設(shè)計(jì)可確保檢驗(yàn)質(zhì)量的位移與加速度之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系簡(jiǎn)單且易于建模。簡(jiǎn)而言之，設(shè)計(jì)檢測(cè)質(zhì)量和支撐梁，使其表現(xiàn)得像簡(jiǎn)單的彈簧或諧波振蕩器，在加速度計(jì)的工作范圍內(nèi)以單個(gè)頻率振動(dòng)。
這種簡(jiǎn)單的動(dòng)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(shí)現(xiàn)較低的測(cè)量不確定度。自從他們的研究在Optica中發(fā)表以來，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了幾項(xiàng)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(jì)能夠檢測(cè)質(zhì)量小于氫原子直徑十分之一的位移，因此可檢測(cè)到微小到g的320億分之一的加速度，其中g(shù)是地球重力引起的加速度，靈敏度更高比目前市場(chǎng)上所有具有類似尺寸和帶寬的加速度計(jì)。
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