衡量加速度的更好方法

2021-03-11 13:18:37

當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使安全氣囊膨脹,從而避免了嚴重的人身傷害甚至死亡。

安全氣囊通過加速度計展開,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保持在正確的飛行路徑上,為自動駕駛汽車提供導航,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。

為了滿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的需求,美國國家標準技術研究院(NIST)的研究人員開發了一種加速度計,厚度僅為毫米厚,使用激光代替機械應變來產生信號。

盡管其他一些加速度計也依賴光,但NIST儀器的設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工作,并且比類似設備經過更嚴格的測試。

NIST設備不僅被稱為光機械加速度計,而且比最佳的商用加速度計要精確得多,而且它不需要經歷耗時的定期校準過程。實際上,由于該儀器使用已知頻率的激光來測量加速度,因此它最終可以用作便攜式參考標準,以校準目前市場上的其他加速度計,從而使其更加準確。

加速度計還具有改善諸如軍用飛機,衛星和潛艇等關鍵系統中的慣性導航的潛力,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。

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技術和專業知識直接帶給商業,醫學,國防和學術界的用戶。

加速度計(包括新的NIST設備)通過跟蹤相對于設備內部固定參考點的自由移動質量(稱為“標準質量”)的位置來記錄速度變化。僅當加速度計減速,加速或切換方向時,檢測質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。如果汽車處于靜止狀態或以恒定速度行駛,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。

檢測質量的運動產生可檢測的信號。由NIST研究人員開發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域。檢驗質量被一根人發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,從而增強強度。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。如果檢測質量響應于加速度而移動,從而改變了反射鏡之間的間隔,則諧振波長也會發生變化。

為了以高靈敏度跟蹤諧振腔諧振波長的變化,將穩定的單頻激光器鎖定到諧振腔。正如最近在《光學快報》上發表的文章中所描述的那樣,研究人員還采用了一種光學頻率梳(可以用作標尺來測量光的波長的設備)來高精度地測量腔體的長度。直尺(梳子的齒)的標記可以被認為是一系列波長相等的激光。當質量塊在加速期間(縮短或延長空腔)移動時,反射光的強度會隨著與梳齒相關的波長移動而與空腔共振而發生變化。

將檢測質量的位移準確地轉換為加速度是至關重要的一步,這在大多數現有的光機械加速度計中都是成問題的。但是,該團隊的新設計可確保通過質量的第一原理簡單且易于建模證明質量的位移與加速度之間的動態關系。簡而言之,設計檢測質量和支撐梁,使其表現得像簡單的彈簧或諧波振蕩器,在加速度計的工作范圍內以單個頻率振動。

這種簡單的動態響應使科學家無需校準設備即可在很寬的加速度頻率范圍(1kHz至20kHz)上實現較低的測量不確定度。此功能是獨特的,因為必須校準所有商用加速度計,這既費時又昂貴。自從他們的研究在Optica上發表以來,研究人員已經進行了幾項改進,可以將設備的不確定度降低到近1%。

光學機械加速度計能夠檢測質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ag的加速度,其中g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。

隨著進一步的改進,NIST光學機械加速度計可以用作便攜式,高精度的參考設備來校準其他加速度計,而不必將其帶入實驗室。

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