衡量加速度的更好方法

2021-03-11 13:18:37

当一辆汽车从右边的车道上驶过时,您将在两条车道的道路上以速度限制行驶。您猛踩刹车,并在不到一秒的时间内使安全气囊膨胀,从而避免了严重的人身伤害甚至死亡。

安全气囊通过加速度计展开,加速度计是一种检测速度突然变化的传感器。加速度计可将火箭和飞机保持在正确的飞行路径上,为自动驾驶汽车提供导航,并旋转图像,使它们在手机和平​​板电脑上保持正面朝上,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准确测量加速度的不断增长的需求,美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员开发了一种加速度计,厚度仅为毫米厚,使用激光代替机械应变来产生信号。

尽管其他一些加速度计也依赖光,但NIST仪器的设计使测量过程更加简单,并提供了更高的精度。它也可以在更大的频率范围内工作,并且比类似设备经过更严格的测试。

NIST设备不仅被称为光机械加速度计,而且比最佳的商用加速度计要精确得多,而且它不需要经历耗时的定期校准过程。实际上,由于该仪器使用已知频率的激光来测量加速度,因此它最终可以用作便携式参考标准,以校准目前市场上的其他加速度计,从而使其更加准确。

加速度计还具有改善诸如军用飞机,卫星和潜艇等关键系统中的惯性导航的潜力,尤其是在没有GPS信号的情况下。NIST的研究人员Jason Gorman,Thomas LeBrun,David Long及其同事在Optica杂志上描述了他们的工作。

这项研究是NIST on Chip的一部分,该计划将研究所的前沿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设备)通过跟踪相对于设备内部固定参考点的自由移动质量(称为“标准质量”)的位置来记录速度变化。仅当加速度计减速,加速或切换方向时,检测质量与参考点之间的距离才会改变。如果您是汽车上的乘客,情况也是如此。如果汽车处于静止状态或以恒定速度行驶,则您与仪表板之间的距离将保持不变。但是,如果汽车突然刹车,您将被甩向前方,并且您与仪表板之间的距离会缩短。

检测质量的运动产生可检测的信号。由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性表面之间的距离变化,这些表面附着在很小的空白区域。检验质量被一根人发宽度的五分之一的柔性梁悬挂,使其可以自由移动,该检验质量支撑着镜面之一。另一个反射表面是加速度计的固定参考点,由不可移动的微型凹面镜组成。

两个反射面以及它们之间的空隙共同形成一个空腔,在该空腔中,恰好波长的红外光可以在反射镜之间共振或来回反射,从而增强强度。该波长由两个反射镜之间的距离决定,就像弹拨吉他的音高取决于乐器的品格和琴桥之间的距离一样。如果检测质量响应于加速度而移动,从而改变了反射镜之间的间隔,则谐振波长也会发生变化。

为了以高灵敏度跟踪谐振腔谐振波长的变化,将稳定的单频激光器锁定到谐振腔。正如最近在《光学快报》上发表的文章中所描述的那样,研究人员还采用了一种光学频率梳(可以用作标尺来测量光的波长的设备)来高精度地测量腔体的长度。直尺(梳子的齿)的标记可以被认为是一系列波长相等的激光。当质量块在加速期间(缩短或延长空腔)移动时,反射光的强度会随着与梳齿相关的波长移动而与空腔共振而发生变化。

将检测质量的位移准确地转换为加速度是至关重要的一步,这在大多数现有的光机械加速度计中都是成问题的。但是,该团队的新设计可确保通过质量的第一原理简单且易于建模证明质量的位移与加速度之间的动态关系。简而言之,设计检测质量和支撑梁,使其表现得像简单的弹簧或谐波振荡器,在加速度计的工作范围内以单个频率振动。

这种简单的动态响应使科学家无需校准设备即可在很宽的加速度频率范围(1kHz至20kHz)上实现较低的测量不确定度。此功能是独特的,因为必须校准所有商用加速度计,这既费时又昂贵。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,可以将设备的不确定度降低到近1%。

光学机械加速度计能够检测质量小于氢原子直径十分之一的位移,因此可检测到小至320亿分之ag的加速度,其中g是地球引力引起的加速度。这比目前市场上所有尺寸和带宽相似的加速度计都具有更高的灵敏度。

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,而不必将其带入实验室。

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