国家标准与技术研究所 光学机械加速度计的图示,它使用光来测量加速度
NIST装置由两个硅芯片组成,红外激光从底部芯片进入,从顶部射出
顶部芯片包含一个由硅梁悬挂的检测质量块,使质量块能够响应加速度自由上下移动
检测质量上的镜面涂层和附着在底部芯片上的半球形反射镜形成光学腔
选择红外光的波长,使其几乎与谐振腔的谐振波长相匹配,从而使光在射出之前在两个镜面之间来回反射多次,从而增强强度
当装置经历加速度时,检测质量移动,改变腔的长度并移动共振波长
这改变了反射光的强度
光学读数将强度的变化转换成加速度的测量值
信用:F
周/ 当一辆汽车冲出你右边的车道时,你正以限速行驶在双车道上
你猛踩刹车,在撞击的几分之一秒内,安全气囊就会膨胀,使你免于重伤甚至死亡
安全气囊的展开得益于加速度计——一种检测速度突然变化的传感器
加速度计使火箭和飞机保持在正确的飞行路线上,为自动驾驶汽车提供导航,并旋转图像,使它们在手机和平板电脑上保持右上方,以及其他重要任务
为了满足在小型导航系统和其他设备中精确测量加速度的日益增长的需求,美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员开发了一种只有毫米厚的加速度计,它使用激光而不是机械应变来产生信号
虽然其他一些加速度计也依赖于光,但NIST仪器的设计使测量过程更加简单,提供了更高的精度
它还可以在更大的频率范围内工作,并且经过了比类似设备更严格的测试
NIST设备被称为光学机械加速度计,它不仅比最好的商用加速度计精确得多,而且不需要经历耗时的定期校准过程
事实上,由于该仪器使用已知频率的激光来测量加速度,它最终可能作为便携式参考标准来校准市场上的其他加速度计,从而使它们更加精确
加速度计还有可能改善军用飞机、卫星和潜艇等关键系统的惯性导航,尤其是在全球定位系统信号不可用的情况下
NIST的研究人员杰森·戈尔曼、托马斯·勒布朗、大卫·龙和他们的同事在《光学》杂志上描述了他们的工作
这项研究是NIST芯片项目的一部分,该项目将该研究所的尖端测量科学技术和专业知识直接带给商业、医学、国防和学术界的用户
加速度计,包括新的NIST装置,通过跟踪一个自由移动的质量的位置来记录速度的变化,该质量被称为“验证质量”,相对于装置内的一个固定参考点
只有当加速度计减速、加速或改变方向时,检测质量和参考点之间的距离才会改变
如果你是车里的乘客,情况也是如此
如果汽车静止或匀速行驶,你和仪表板之间的距离保持不变
但是如果汽车突然刹车,你就会被向前推,你和仪表板之间的距离就会减小
检测质量的运动产生了可检测的信号
NIST研究人员开发的加速度计依靠红外光来测量两个高反射表面之间的距离变化,这两个表面挡住了一小块空白区域
检测质量块由1/5人类头发宽度的柔性梁悬挂,因此可以自由移动,它支撑着其中一个镜面
另一个反射面作为加速度计的固定参考点,由一个不可移动的微型凹面镜组成
这两个反射面和它们之间的空隙一起形成了一个空腔,在这个空腔中,波长恰好合适的红外光可以在镜子之间共振或来回反射,从而增强强度
这个波长是由两个镜子之间的距离决定的,就像弹拨吉他的音高取决于乐器音品和琴桥之间的距离一样
如果检测质量随着加速度而移动,改变了反射镜之间的间隔,那么共振波长也会改变
为了高灵敏度地跟踪谐振腔谐振波长的变化,一个稳定的单频激光器被锁定在谐振腔中
正如最近在《光学快报》上发表的一篇文章所述,研究人员还使用了一种光学频率梳——一种可以用作测量光波长的标尺的设备——来高精度地测量空腔长度
尺子上的标记(梳子的齿)可以被认为是一系列波长相等的激光
当检测质量块在加速期间移动时,无论是缩短还是延长空腔,反射光的强度都会随着与梳子齿相关的波长与空腔共振的进出而变化
精确地将检测质量的位移转换成加速度是一个关键步骤,这在大多数现有的光学机械加速度计中是有问题的
然而,该团队的新设计确保了验证质量的位移和加速度之间的动态关系是简单的,并且容易通过物理学的第一原理来建模
简而言之,检测质量块和支撑梁的设计使它们像一个简单的弹簧或谐振子,在加速度计的工作范围内以单一频率振动
这种简单的动态响应使科学家能够在1千赫至20千赫的大范围加速度频率下实现低测量不确定性,而无需校准设备
这个特性是独一无二的,因为所有商用加速度计都必须校准,这既耗时又昂贵
自从他们的研究在Optica上发表以来,研究人员已经进行了几项改进,将他们的设备的不确定性降低到近1%
光学机械加速度计能够感应到小于氢原子直径十万分之一的验证质量的位移,它能探测到小到320亿分之一克的加速度,其中克是地球重力产生的加速度
这比目前市场上所有尺寸和带宽相似的加速度计都要高
随着进一步的改进,NIST光学机械加速度计可以用作便携式、高精度的参考设备来校准其他加速度计,而不必将它们带到实验室
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