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- 美國研究人員開發(fā)了新型的高度準確和可靠的加速度計
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/4/8
光機械加速度計的插圖，該光加速度計使用光來測量加速度（圖片：F。Zhou / NIST）
美國國家標準技術(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，該加速度計使用激光代替機械應(yīng)變來產(chǎn)生信號。
盡管其他一些加速度計也依賴光，但光機械加速度計的設(shè)計使測量過程更加簡單，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)美國國家標準技術(shù)研究院（NIST）的數(shù)據(jù)，光機械加速度計已比類似設(shè)備進行了更嚴格的測試，并且比最佳的商業(yè)加速度計更加精確。它也不需要定期校準。
該儀器使用已知頻率的激光來測量加速度可能使其適合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(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。
加速度計是作為NIST on Chip的一部分而開發(fā)的，該計劃旨在利用該研究所的測量科學技術(shù)和專業(yè)知識，將其應(yīng)用于商業(yè)，醫(yī)學，國防和學術(shù)界。
加速度計（包括此新的NIST加速度計）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“標準質(zhì)量”）的位置來記錄速度變化。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(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。研究人員還采用了一種光學頻率梳-一種可以用作標尺來測量光的波長的設(shè)備-可以高精度地測量腔體的長度。
可以將尺子的標記視為一系列波長相等的激光器。當質(zhì)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(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)有的光機械加速度計中都是成問題的。但是，該團隊的新設(shè)計可確保檢驗質(zhì)量的位移與加速度之間的動態(tài)關(guān)系簡單且易于建模。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)使科學家們無需校準設(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。自從他們的研究在Optica中發(fā)表以來，研究人員已經(jīng)進行了幾項改進，可以將設(shè)備的不確定度降低到將近1％。
光學機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上所有具有類似尺寸和帶寬的加速度計。
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