我们许多人知道，速度描述了位置是如何变化的，而加速度描述了速度是如何变化的。加速度的测量是基本的物理测量之一，广泛应用于科学技术中。例如当一辆汽车从对面左边的车道上驶过时，你会在两条车道的道路上限制速度行驶。如果你猛踩刹车，并在不到一秒的时间内汽车的安全气囊则可能膨胀，从而避免了严重的人身伤亡。安全气囊为什么会自动打开保护人的安全？那是因为通过加速度测量仪，加速度测量仪是一种检测速度变化的敏感传感器。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，以及其它许多重要的应用。对于加速度，常用惯性测量法，即把惯性式加速度传感器安装在运动体上进行测量。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。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。如果你是汽车上，情况也是如此。当汽车处于静止状态或以恒定速度行驶，则你与仪表板之间的距离将保持不变。但是，如果汽车突然刹车，你将被甩向前方，从而你与仪表板之间的距离会快速缩短。为了满足在小型导航系统和其它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）的研究人员开发出了一种加速度计，厚度仅为毫米厚，使用激光代替惯性式加速度传感器的机械应变来产生信号。尽管其它有些加速度计也通过使用光，但该最新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。该新设备称为光学-机械加速度计（optomechanicalaccelerometer），它比目前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，因此它最终可以作为便携式参考标准来校准目前市场上的其它加速度计，从而使其更加准确。如图所示的新型光-机械加速度计，使用光来测量加速度。该设备由两个硅芯片组成，红外激光在底部芯片进入，在顶部发射。顶部芯片包含由硅梁悬挂的标准质量块，该质量块使质量块可以响应加速度自由上下移动。检测质量上的镜面涂层和连接到底部芯片的半球形镜形成光学腔。选择红外光的波长，使其与腔体的谐振波长几乎匹配，从而使光在离开两个反射镜表面之间多次来回反射时逐渐增强强度。当设备加速时，检测质量就会移动，从而改变腔体的长度并改变共振波长。这改变了反射光的强度。光学读数将强度的变化转换为加速度的量度。检测质量的运动产生可检测的信号。研究人员所开发的这一新型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。该新型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。该项研究是美国国家标准技术研究院的“在芯片上”（NISTonChip）项目计划的一部分，该计划旨在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。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（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长度。直尺（梳子的牙齿）的标记可以看作是一系列波长相等的激光。当检测质量在加速期间（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相当具有挑战性。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就可以在1kHz至20kHz的宽加速频率范围内实现较高的测量精确度。这是独特的功能，因为目前所有的商用加速度计必须校准，这既费时又昂贵。目前，研究人员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，因此其加速度可检测到小至地球引力所引起的加速度g的32亿分之一。这比目前所有尺寸和带宽相似的加速度计都具有更高的灵敏度。该研究论文的两大重大结果先后发表在《光学》和《光学通讯》上。参考：FengZhouetal,Broadbandthermomechanicallylimitedsensingwithanoptomechanicalaccelerometer,Optica().DOI:10./OPTICA.D.A.Longetal.Electro-opticfrequency

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