Wanneer verschillende laboratoria dezelfde versnellingsmeter testen, zoals die in uw smartphone, ze komen vaak met heel verschillende waarden. Er zijn verschillende mogelijke redenen:misschien zijn de assen van het cardanische systeem dat bij het testen wordt gebruikt niet perfect uitgelijnd, of de interne assen van het te testen apparaat (DUT) zelf zijn verkeerd uitgelijnd, of misschien is de DUT verkeerd op de testtafel gemonteerd. Om deze problemen op te lossen, NIST-wetenschappers nemen metingen om de 'intrinsieke' eigenschappen van de TU Delft te bepalen - die uniek zijn voor het apparaat zelf. Deze videodemonstratie bevat beelden van de uiterst nauwkeurige cardanische tafel die wordt gebruikt om de DUT te draaien (in dit geval een smartphone) op alle drie de assen tegelijk.

Versnellingsmeters - apparaten die verandering in snelheid meten - zijn ingebouwd in auto's, vliegtuigen, telefoons, gangmakers, en tal van andere producten. Ze waarschuwen voor potentieel destructieve trillingen in industriële apparatuur, gebouwen, en bruggen; seismische schokken registreren; en leiden raketten naar hun doelen.

Meer en meer, ze zijn geminiaturiseerd met behulp van micro-elektromechanische systemen (MEMS) -technologieën met componentafmetingen in de orde van micrometers, en tegelijkertijd versnelling registreren in alle drie de assen van de driedimensionale ruimte. Omdat fouten additief zijn bij het berekenen van snelheid uit versnelling, zelfs kleine fouten in de uitvoer kunnen zeer ernstige gevolgen hebben.

Maar wanneer drie-assige gevoeligheden en kruis-as gevoeligheden van een digitaal drie-assig apparaat worden getest in verschillende kalibratielaboratoria, de metingen kunnen aanzienlijk variëren, afhankelijk van factoren die moeilijk te bepalen zijn, maar komen vaak voort uit fouten bij het uitlijnen van de testapparatuur, de interne uitlijning van de versnellingsmeters in het apparaat, of allebei.

Nu hebben NIST-wetenschappers een methodologie ontwikkeld om die verschillen te verminderen of te elimineren door intrinsieke eigenschappen van een versnellingsmeter te karakteriseren - die uniek zijn, ongeacht de manier waarop deze is gemonteerd of getest - waardoor nauwkeurige interlaboratoriumvergelijkingen mogelijk worden.

"Bepaling van intrinsieke eigenschappen maakt deel uit van NIST's grotere inspanning om de industrie te helpen bij het ontwikkelen van standaard testprotocollen voor de nieuwe MEMS-gebaseerde apparaattechnologieën, die momenteel niet bestaan, " zegt Michael Gaitan van NIST's Physical Measurement Laboratory, die samenwerkt met de MEMS and Sensors Industry Group (MSIG) en het Institute of Electrical and Electronics Engineers. "Het testen werd door MSIG gerapporteerd als de helft van de productiekosten voor dit soort apparaten. Fabrikanten kunnen de kosten van fysieke fabricage niet erg verlagen. Maar ze kunnen besparingen vinden in de manier waarop ze verpakken, toets, en kalibreer de apparaten."

Wanneer MEMS-gebaseerd, drie-assige versnellingsmeters worden getest, ze zijn meestal gemonteerd op een cardanische systeem en geroteerd over drie assen-x, ja, en z—met metingen in verschillende richtingen. De metingen zijn geformatteerd in een raster van drie bij drie, zogenaamde "kruisgevoeligheidsmatrix", " gebruikt door fabrikanten om de prestaties van het apparaat te evalueren. Het specificeert de relatie tussen de acceleratierespons langs de cardanische assen en de respons langs de assen van het te testen apparaat (DUT).

Dat proces, echter, gaat ervan uit dat de drie assen van de TU Delft perfect orthogonaal zijn - haaks op elkaar - en dat het apparaat perfect is uitgelijnd met de cardanische assen, die zelf perfect op elkaar zijn afgestemd. En in het geval van het testen van accelerometerpakketten nadat ze in producten zijn geïntegreerd, zoals smartphones, het gaat ervan uit dat het pakket is geïnstalleerd in exacte uitlijning met de assen van het telefoonhoesje. Maar geen van die voorwaarden is gegarandeerd, en kleine afwijkingen in een van de variabelen kunnen verklaren waarom metingen van dezelfde testeenheid in verschillende laboratoria verschillende waarden opleveren.

"Dus in plaats van alleen de kruisgevoeligheidsmatrix te gebruiken, "Gitan zegt, "we definiëren het apparaat met intrinsieke eigenschappen waarbij niet wordt aangenomen dat de assen van het apparaat volledig orthogonaal zijn. Er kan enige variatie zijn in hun uitlijning."

In het meetprotocol van NIST, de DUT is gemonteerd op de positie- en snelheidstabel die het apparaat zeer nauwkeurig in specifieke gradaties 360 graden draait op elk van de drie assen van de cardanische ophanging, terwijl de respons van het apparaat bij elk interval wordt gemeten. Het protocol onthult de uitlijning van de interne as van de TU Delft, de grootte van de respons van elke as in verschillende oriëntaties, en zijn "signaaloffset" - de constante hoeveelheid waarmee gemeten waarden verschillen van de "echte" waarde.

Met die informatie, een centraal standaardlaboratorium zoals NIST zou de intrinsieke eigenschappen van een of meer DUT's volledig kunnen karakteriseren en de apparaten naar andere laboratoria kunnen distribueren, die ze zou gebruiken om resultaten te vergelijken en te bepalen, bijvoorbeeld, of de metingen scheef waren vanwege instrumentgerelateerde meetfouten.

Eerder dit jaar, NIST heeft een nieuwe positie- en snelheidstabel verkregen die groot genoeg is om metingen mogelijk te maken op hele producten waarop versnellingsmeters zijn geïnstalleerd. "Ons eerste gimbal-systeem was een kleiner instrument dat handig was voor het maken van statische metingen, ' zegt Gaitan.

"Maar nu kunnen we dynamische metingen doen aan objecten zo groot als een mobiele telefoon. We kunnen het instellen op stabiele rotatie zoals een platenspeler, en we kunnen de rotatiesnelheid versnellen. Dat stelt ons in staat metingen te doen boven de 1g zwaartekrachtversnelling en versnelling door rotatie te meten."