當(dāng)一輛汽車從右邊的車道上駛過時(shí)，您將在兩條車道的道路上以速度限制行駛。您猛踩剎車，并在不到一秒的時(shí)間內(nèi)使安全氣囊膨脹，從而避免了嚴(yán)重的人身傷害甚至死亡。

有了加速度計(jì)，安全氣囊就展開了，加速度計(jì)是一種檢測速度突然變化的傳感器。加速度計(jì)可將火箭和飛機(jī)保持在正確的飛行路徑上，為自動(dòng)駕駛汽車提供導(dǎo)航，并旋轉(zhuǎn)圖像，使它們在手機(jī)和平板電腦上保持正面朝上，以及其他重要任務(wù)。

為了滿足在小型導(dǎo)航系統(tǒng)和其他設(shè)備中準(zhǔn)確測量加速度的不斷增長的需求，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的研究人員開發(fā)了一種加速度計(jì)，厚度僅為毫米厚，使用激光代替機(jī)械應(yīng)變來產(chǎn)生信號。

盡管其他一些加速度計(jì)也依賴光，但NIST儀器的設(shè)計(jì)使測量過程更加簡單，并提供了更高的精度。它也可以在更大的頻率范圍內(nèi)工作，并且比類似設(shè)備經(jīng)過更嚴(yán)格的測試。

NIST設(shè)備不僅被稱為光機(jī)械加速度計(jì)，而且比最佳的商用加速度計(jì)要精確得多，而且它不需要經(jīng)歷耗時(shí)的定期校準(zhǔn)過程。實(shí)際上，由于該儀器使用已知頻率的激光來測量加速度，因此它最終可以作為便攜式參考標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)目前市場上的其他加速度計(jì)，從而使其更加準(zhǔn)確。

加速度計(jì)還具有改善諸如軍用飛機(jī)，衛(wèi)星和潛艇等關(guān)鍵系統(tǒng)中的慣性導(dǎo)航的潛力，尤其是在沒有GPS信號的情況下。NIST的研究人員Jason Gorman，Thomas LeBrun，David Long及其同事在Optica雜志上描述了他們的工作。

光機(jī)械加速度計(jì)的圖示，它使用光來測量加速度。NIST設(shè)備由兩個(gè)硅芯片組成，紅外激光在底部芯片進(jìn)入，在頂部發(fā)射。頂部芯片包含由硅梁懸掛的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊使質(zhì)量塊可以響應(yīng)加速度自由上下移動(dòng)。檢測質(zhì)量上的鏡面涂層和連接到底部芯片的半球形鏡形成光學(xué)腔。選擇紅外光的波長，使其與腔體的諧振波長幾乎匹配，從而使光在離開兩個(gè)反射鏡表面之間多次來回反射時(shí)逐漸增強(qiáng)強(qiáng)度。當(dāng)設(shè)備加速時(shí)，檢測質(zhì)量就會移動(dòng)，從而改變腔體的長度并改變共振波長。這改變了反射光的強(qiáng)度。光學(xué)讀數(shù)將強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換為加速度的量度。

這項(xiàng)研究是NIST on Chip的一部分，該計(jì)劃將研究所的前沿測量科學(xué)技術(shù)和專業(yè)知識直接帶給商業(yè)，醫(yī)學(xué)，國防和學(xué)術(shù)界的用戶。

加速度計(jì)（包括新的NIST設(shè)備）通過跟蹤相對于設(shè)備內(nèi)部固定參考點(diǎn)的自由移動(dòng)質(zhì)量（稱為“標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量”）的位置來記錄速度變化。僅當(dāng)加速度計(jì)減速，加速或切換方向時(shí)，檢測質(zhì)量與參考點(diǎn)之間的距離才會改變。如果您是汽車上的乘客，情況也是如此。如果汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)或以恒定速度行駛，則您與儀表板之間的距離將保持不變。但是，如果汽車突然剎車，您將被甩向前方，并且您與儀表板之間的距離會縮短。

檢測質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可檢測的信號。由NIST研究人員開發(fā)的加速度計(jì)依靠紅外光來測量兩個(gè)高反射性表面之間的距離變化，這些表面附著在很小的空白區(qū)域。檢驗(yàn)質(zhì)量被一根人發(fā)寬度的五分之一的柔性梁懸掛，使其可以自由移動(dòng)，該檢驗(yàn)質(zhì)量支撐著鏡面之一。另一個(gè)反射表面是加速度計(jì)的固定參考點(diǎn)，由不可移動(dòng)的微型凹面鏡組成。

兩個(gè)反射面以及它們之間的空隙共同形成一個(gè)空腔，在該空腔中，恰好波長的紅外光可以在反射鏡之間共振或來回反射，從而增強(qiáng)強(qiáng)度。該波長由兩個(gè)反射鏡之間的距離決定，就像彈撥吉他的音高取決于樂器的品格和琴橋之間的距離一樣。如果檢測質(zhì)量響應(yīng)于加速度而移動(dòng)，從而改變了反射鏡之間的間隔，則共振波長也會發(fā)生變化。

為了以高靈敏度跟蹤諧振腔諧振波長的變化，將穩(wěn)定的單頻激光器鎖定到諧振腔。正如最近在《光學(xué)快報(bào)》上發(fā)表的文章中所描述的那樣，研究人員還采用了一種光學(xué)頻率梳（可以用作標(biāo)尺來測量光的波長的裝置）來高精度地測量腔體的長度。直尺（梳子的齒）的標(biāo)記可以被認(rèn)為是一系列波長相等的激光。當(dāng)質(zhì)量塊在加速期間（縮短或延長空腔）移動(dòng)時(shí)，反射光的強(qiáng)度會隨著與梳齒相關(guān)的波長移動(dòng)而與空腔共振而發(fā)生變化。

將檢測質(zhì)量的位移準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為加速度是至關(guān)重要的一步，這在大多數(shù)現(xiàn)有的光機(jī)械加速度計(jì)中都是成問題的。但是，該團(tuán)隊(duì)的新設(shè)計(jì)可確保通過質(zhì)量的第一原理簡單且易于建模證明質(zhì)量的位移與加速度之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。簡而言之，設(shè)計(jì)檢測質(zhì)量和支撐梁，使其表現(xiàn)得像簡單的彈簧或諧波振蕩器，在加速度計(jì)的工作范圍內(nèi)以單個(gè)頻率振動(dòng)。

這種簡單的動(dòng)態(tài)響應(yīng)使科學(xué)家們無需校準(zhǔn)設(shè)備即可在很寬的加速度頻率范圍（1kHz至20kHz）上實(shí)現(xiàn)較低的測量不確定度。此功能是獨(dú)特的，因?yàn)楸仨毿?zhǔn)所有商用加速度計(jì)，這既費(fèi)時(shí)又昂貴。自從他們的研究在Optica上發(fā)表以來，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了幾項(xiàng)改進(jìn)，可以將設(shè)備的不確定度降低到將近1％。

光學(xué)機(jī)械加速度計(jì)能夠檢測質(zhì)量小于氫原子直徑十分之一的位移，因此可檢測到小至320億分之a(chǎn)g的加速度，其中g(shù)是地球引力引起的加速度。這比目前市場上所有尺寸和帶寬相似的加速度計(jì)都具有更高的靈敏度。

隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，NIST光學(xué)機(jī)械加速度計(jì)可以用作便攜式，高精度的參考設(shè)備來校準(zhǔn)其他加速度計(jì)，而不必將其帶入實(shí)驗(yàn)室。