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加速度计是测量速度变化的传感器，可以安装在汽车、飞机、手机、心脏起搏器以及其他大量产品中。加速度计也可以用于对工业制造设备、楼宇和桥梁中潜在的破坏性震动进行预警。除此之外，它还可以记录地震冲击，并能引导导弹击中目标。  得益于微机电系统(MEMS)技术的发展，加速度计越来越小型化，成为微米量级的元件，并且可以在三维空间的三个轴上同步记录加速度。在通过加速度计算速度时，误差会被积累放大，所以输出量中微小的错误也会导致非常严重的后果。 然而，当三轴数字设备的三轴灵敏度和横轴灵敏度在不同校准实验室中测量时，测量值会出现明显差异，导致这种变化的因素难以确定，但通常是由测试设备校准误差或者加速度计内部校准问题引起的，甚至二者都有。 同一只加速度计(如智能手机中的加速度计)在不同的实验室进行测试时，常常会得到完全不同的值。造成这种现象的原因可能有多种：测试所用常平架系统的轴没有完全对准;被测器件的内部轴本身就是偏的;或者被测器件在测试台上的安装方式是错误的。为了消除这些问题，NIST的科学家们正在进行测量，以确定被测器件的“固有”特性，即器件本身独有的那些属性。在视频演示中可以看到同时在所有三个轴上旋转被测器件(在本例中为智能手机)的高精度常平架系统。 现在NIST的科学家设计了一套方法理论来减少或消除由于加速度计“固有”特性而造成的偏差，而所谓固有特性就是指加速度计本身独有的那些属性，与安装或测试方式统统无关，这样才有可能保证实验室间比对是准确的。 NIST物理测量实验室与MEMS和传感器工业集团(MSIG)以及电气和电子工程师协会(IEEE)建立了合作关系。NIST物理测量实验室的Michael Gaitan说：“ 确定固有特性只是NIST研究的一部分，而这项研究的更高目标是为了帮助行业制定针对基于微机电系统(MEMS)的新式装置技术的标准测试协议，这类协议目前还不存在。MSIG报告指出，这类装置的测试成本占到了制造成本的一半。虽然生产商无法削减很多实际制造成本，但是他们能从这些装置的包装、测试和校准中找到节约成本的办法。” 当对基于MEMS的三轴加速度计*进行测试时，通常将其安装在常平架系统上，使其绕X,Y,Z三轴旋转，并分别在这三个方向上进行测量。这些测试结果被规范地记录在一个三行三列的表格中，这个表格称为“交叉灵敏度矩阵(cross-sensitivity matrix)”，被生产商用于装置性能评价。它能明确沿万向轴的加速度响应与沿被测装置输入轴的响应之间的关系。 但该过程假设了被测装置的X,Y,Z三轴是完全正交，安装在常平架系统上的装置也是精准对准万向轴的，并且常平架系统的万向轴也是完全对齐的。若测试对象是已经集成了加速度计的手机等产品，那么还要假设加速度计被安装在与手机外壳的轴线完全一致的位置。然而以上所有这些假设条件并不一定就是真实情况，因此任何变量的细微偏差都会导致同一台测试装置在不同实验室会得到完全不同的测量值。 “所以除了使用交叉灵敏度矩阵，”Gaitan说，“我们还在想办法定义这些装置的固有特性，不再假定这些装置的轴是完全正交的，而是认为它们的排列可能会有一些变化。” 在NIST的测试协议里，被测装置安装于位置速率转台上，这种转台可以在常平架系统的三个轴上以特定级配非常精确地将设备旋转360度，同时以一定时间间隔测量装置响应。测试协议还指出了被测装置内部轴的校准，每个轴在不同方向上的响应幅度，以及它的“信号位相差”，即真值与测量值的固定差值。 有了这些信息，NIST等中央标准实验室就可以完全表征一个或多个被测装置的固有特性，并将这些装置分配给其他实验室，由它们进行结果比较，并确定读数是否因仪器相关测量误差而出现了偏差。 2017年年初，NIST购买了一台新的位置速率转台，其尺寸比较大，足以对安装了加速度计的整个包装产品进行测量。他们最初的常平架系统是一种比较小的设备，只能用来做静态测量。而现在这台新的位置速率转台可以对手机大小的物体做动态测量。它能像唱片机一样稳态旋转，并对转速进行加速，可以测量大于1g的重力加速度。 *一个三轴加速度计实际上包含了三个独立的加速度计，每个加速度计测量一个轴向上的速度变化。这些信号合并在一起就记录了三维空间上的移动变化。 来源：NIST新闻 |
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