一個(gè)更好的方法來(lái)測量加速度


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  安全氣囊通過(guò)加速度計展開(kāi)-傳感器可檢測速度的突然變化。加速度計可將火箭和飛機保持在正確的飛行路徑上,為自動(dòng)駕駛汽車(chē)提供導航,并旋轉圖像,使它們在手機和平板電腦上保持正面朝上,以及其他重要任務(wù)。

  為了滿(mǎn)足在小型導航系統和其他設備中準確測量加速度的不斷增長(cháng)的需求,美國國家標準技術(shù)研究院(NIST)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種加速度計,厚度僅為毫米厚,使用激光代替機械應變來(lái)產(chǎn)生信號。

  盡管其他一些加速度計也依賴(lài)光,但NIST儀器的設計使測量過(guò)程更加簡(jiǎn)單,并提供了更高的精度。它也可以在更大的頻率范圍內工作,并且比類(lèi)似設備經(jīng)過(guò)更嚴格的測試。

  NIST設備不僅被稱(chēng)為光機械加速度計,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(shí)的定期校準過(guò)程。實(shí)際上,由于該儀器使用已知頻率的激光來(lái)測量加速度,因此它最終可以作為便攜式參考標準來(lái)校準目前市場(chǎng)上的其他加速度計,從而使其更加準確。

  加速度計還具有改善諸如軍用飛機,衛星和潛艇等關(guān)鍵系統中的慣性導航的潛力,尤其是在沒(méi)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雜志中描述了他們的工作。

  該動(dòng)畫(huà)演示了新加速度計的工作原理。該光機械加速度計由兩個(gè)硅芯片組成。第一芯片具有由一組硅束懸掛的檢測質(zhì)量,該檢測質(zhì)量允許檢測質(zhì)量垂直移動(dòng)。團塊的頂部具有鏡面涂層。第二個(gè)芯片有一個(gè)嵌入式半球鏡。質(zhì)量和半球鏡共同形成一個(gè)光學(xué)腔。紅外激光被引導到設備中。大多數頻率被完全反射。但是,與諧振頻率匹配的光會(huì )在腔體內積累,強度會(huì )增加,直到由腔傳輸的光的強度與輸入匹配。腔體透射的光可以在另一側被檢測到。當設備加速時(shí),空腔的長(cháng)度會(huì )改變,從而改變諧振頻率。通過(guò)使激光與腔體的諧振頻率連續匹配,研究人員可以確定設備的加速度。動(dòng)畫(huà):Sean Kelley / NIST該研究是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(zhuān)業(yè)知識直接帶給商業(yè),醫學(xué),國防和學(xué)術(shù)界的用戶(hù)。

  加速度計(包括新的NIST設備)通過(guò)跟蹤相對于設備內部固定參考點(diǎn)的自由移動(dòng)質(zhì)量(稱(chēng)為“標準質(zhì)量”)的位置來(lái)記錄速度變化。僅當加速度計減速,加速或切換方向時(shí),檢測質(zhì)量與參考點(diǎn)之間的距離才會(huì )改變。如果您是汽車(chē)上的乘客,情況也是如此。如果汽車(chē)處于靜止狀態(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(chē)突然剎車(chē),您將被甩向前方,并且您與儀表板之間的距離會(huì )縮短。

  檢測質(zhì)量的運動(dòng)產(chǎn)生可檢測的信號。由NIST研究人員開(kāi)發(fā)的加速度計依靠紅外光來(lái)測量?jì)蓚€(gè)高反射性表面之間的距離變化,這些表面附著(zhù)在很小的空白區域。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(dòng),該檢驗質(zhì)量支撐著(zhù)鏡面之一。另一個(gè)反射表面是加速度計的固定參考點(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(cháng)的紅外光可以在反射鏡之間共振或來(lái)回反射,從而增強強度。該波長(cháng)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(lè )器的品格和琴橋之間的距離一樣。如果檢測質(zhì)量響應于加速度而移動(dòng),從而改變了反射鏡之間的間隔,則諧振波長(cháng)也會(huì )發(fā)生變化。

  為了以高靈敏度跟蹤諧振腔諧振波長(cháng)的變化,將穩定的單頻激光器鎖定到諧振腔。正如最近在《光學(xué)快報》(Optics Letters)上所描述的那樣,研究人員還采用了一種光學(xué)頻率梳-一種可以用作標尺來(lái)測量光波長(cháng)的設備-以高精度測量腔體長(cháng)度。魯爾的標記


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