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美国研究人员开发了新型的高度准确和可靠的加速度计
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/4/8

光机械加速度计的插图,该光加速度计使用光来测量加速度(图片:f。zhou / nist)


美国国家标准技术研究院的研究人员开发了一种厚度为1毫米的加速度计,该加速度计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,但光机械加速度计的设计使测量过程更加简单,从而提供了更高的精度。它还可以在更大的频率范围内工作,


根据美国国家标准技术研究院(nist)的数据,光机械加速度计已比类似设备进行了更严格的测试,并且比最佳的商业加速度计更加精确。它也不需要定期校准。


该仪器使用已知频率的激光来测量加速度可能使其适合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。


加速度计是作为nist on chip的一部分而开发的,该计划旨在利用该研究所的测量科学技术和专业知识,将其应用于商业,医学,国防和学术界。


加速度计(包括此新的nist加速度计)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。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,则共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。研究人员还采用了一种光学频率梳-一种可以用作标尺来测量光的波长的设备-可以高精度地测量腔体的长度。


可以将尺子的标记视为一系列波长相等的激光器。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检验质量的位移与加速度之间的动态关系简单且易于建模。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们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。自从他们的研究在optica中发表以来,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将近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,因此可检测到微小到g的320亿分之一的加速度,其中g是地球重力引起的加速度,灵敏度更高比目前市场上所有具有类似尺寸和带宽的加速度计。


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