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  • 美国NIST研发出光机械加速度计 测量加速更精准

    作者:佚名 来源:cnBeta 时间:2021-03-11 20:30 阅读:253 [投稿]
    美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员开发了一种毫米级别的加速度计,它使用激光光代替机械应变来产生信号。

    安全气囊之所以能够在碰撞的几分之一秒内膨胀,让司机和乘客免受重伤或者死亡,很大程度上归功于加速度计(Accelerometer)。它是一种用于测量加速度的惯性传感器,能够让火箭和飞机保持正确的飞行路线,为自动驾驶汽车提供导航,在手机和平板电脑上旋转画面以及其他重要任务。



    不过鉴于针对在较小的导航系统和其他设备中准确测量加速度的需求日益增长,美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员开发了一种毫米级别的加速度计,它使用激光光代替机械应变来产生信号。虽然其他一些加速度计也是依靠光,但 NIST 仪器的设计使测量过程更加直接,提供了更高的精度。它还可以在更大的频率范围内工作,并且经过了比同类设备更严格的测试。 

    这个被称为光机械加速度计(optomechanical accelerometer)的 NIST 设备不仅比最好的商用加速度计更精确,而且不需要经过定期校准这一耗时的过程。事实上,由于该仪器使用已知频率的激光来测量加速度,因此它最终可以作为便携式参考标准来校准现在市场上的其他加速度计,使其更加精确。

    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,特别是在没有 GPS 信号的情况下。NIST 的研究人员 Jason Gorman、Thomas LeBrun、David Long 和他们的同事最新发表在《Optica》杂志上描述了他们的工作。

    由NIST研究人员开发出的最新加速度计,利用红外(IR)激光对两个相对的中间间隔很小的高反光表面之间的相对距离进行测量。器件的一边是由正方形硅板制成的检测质量,其向内的表面贴有一面平面镜。

    检测质量由位于其上下表面边缘的微型弹性悬臂梁悬挂在腔体内,这些悬臂梁起到了弹簧的作用,在器件处于加速运动时可使检测质量与周围环境之间产生相对运动。这样的设计可避免检测质量产生摇摆运动,使测量系统的稳定性得到了最大化,从而大大提升了系统测量的灵敏度。




    腔体的另一侧是一个固定的半球状凹面镜,其镜面相内正对着检测质量。这种由两个相对反光镜组成的结构被称作“珐珀腔”。当红外激光刚刚射入珐珀腔时,几乎全部被反射回来 — 只有恰好具有能在两面反光镜之间来回反射并产生谐振波的具有某一特定波长的光,才可以形成驻波使其光强度增加到足够大(约一千倍以上),从而透过空腔被光探测器检测到。

    谐振波的波长是由两面反光镜之间的相对距离所决定的,这就像交响乐团中长号拉杆的伸缩可以产生不同音调的声音一样。由于目前对于光的控制和测量已经达到了很高的水准,因此用光来测量距离变化会有较高的灵敏度和精确度。

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