تخيل أنك تقود بأقصى سرعة على طريق ذو حارتين. وفجأة يظهر على اليمين
يتم تنشيط الوسادة الهوائية بواسطةمقياس التسارع - جهاز استشعار يكتشف التغيرات المفاجئة في السرعة. تعمل أجهزة قياس التسارع على إبقاء الصواريخ والطائرات على مسار الرحلة الصحيح وتوفر الملاحة للسيارات ذاتية القيادة. كما أنها مدمجة في الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وأجهزة القراءة الإلكترونية لعرض الصور بشكل صحيح عندما يقوم المستخدم بقلب الجهاز.
باحثون من المعهد الوطنيقامت شركة المعايير والتقنيات (NIST) بتطوير مقياس تسارع يبلغ سمكه ملليمترًا فقط. ويستخدم ضوء الليزر بدلاً من التشوه الميكانيكي لتوليد إشارة. ويأمل العلماء في تلبية الطلب المتزايد على قياسات التسارع الدقيقة في أنظمة الملاحة الصغيرة والأجهزة الأخرى.
على الرغم من أن بعض مقاييس التسارع الأخرى أيضًاتعتمد على الضوء، فإن تصميم أداة NIST يجعل عملية القياس أسهل مع توفير دقة أكبر. بالإضافة إلى ذلك، فهو يعمل على نطاق ترددي أوسع وقد خضع لاختبارات أكثر صرامة من الأجهزة المماثلة.
جهاز NIST - مقياس التسارع البصري الميكانيكيلا يتطلب عملية معايرة دورية طويلة. في الواقع، نظرًا لأن الجهاز يستخدم ضوء الليزر بتردد معروف لقياس التسارع، فقد يكون في النهاية بمثابة مرجع محمول لمعايرة مقاييس التسارع الأخرى الموجودة حاليًا في السوق، مما يجعلها أكثر دقة.
سيعمل مقياس التسارع أيضًا على تحسين الملاحة بالقصور الذاتيفي الأنظمة الحيوية مثل الطائرات العسكرية والأقمار الصناعية والغواصات، خاصة عندما لا تتوفر إشارة GPS. وصف الباحثون في NIST جيسون جورمان وتوماس ليبرون وديفيد لونج وزملاؤهم عملهم في مجلة أوبتيكا.
مقاييس التسارع، بما في ذلك جهاز NIST الجديد،تسجيل التغيرات في السرعة عن طريق تتبع موضع كتلة متحركة بحرية، تسمى "الكتلة المرجعية"، بالنسبة إلى نقطة مرجعية ثابتة داخل الجهاز. تتغير المسافة بين الكتلة المرجعية والنقطة المرجعية فقط إذا تباطأ مقياس التسارع أو تسارع أو تغير اتجاهه. وينطبق الشيء نفسه إذا كنت راكبا في السيارة. إذا كانت السيارة متوقفة أو تتحرك بسرعة ثابتة، فإن المسافة بين الشخص ولوحة القيادة تبقى دون تغيير. أما إذا فرملت السيارة فجأة، فإن السائق يندفع إلى الأمام وتقل المسافة بين الشخص ولوحة القيادة.
حركة الكتلة المرجعية تخلق قابلية للاكتشافإشارة. يستخدم مقياس التسارع الجديد ضوء الأشعة تحت الحمراء لقياس التغير في المسافة بين سطحين شديدي الانعكاس يغطيان مساحة صغيرة من المساحة الفارغة. كتلة تحكم معلقة على عوارض مرنة يبلغ عرضها خمس شعرة الإنسان تدعم أحد أسطح المرآة. ويتكون السطح العاكس الآخر، والذي يعمل كنقطة مرجعية ثابتة لمقياس التسارع، من مرآة مقعرة صغيرة ثابتة.
معًا ، سطحان عاكسان وفراغيشكل الفراغ بينهما تجويفًا يتردد فيه ضوء الأشعة تحت الحمراء ذي الطول الموجي المطلوب أو ينعكس بين المرآتين ، مما يزيد من شدته. يتم تحديد هذا الطول الموجي من خلال المسافة بين المرآتين ، تمامًا كما تعتمد درجة صوت الغيتار المقطوع على المسافة بين حنق الآلة والجسر. إذا تحركت الكتلة المرجعية استجابةً للتسارع عن طريق تغيير المسافة بين المرآتين ، يتغير طول الموجة الرنانة أيضًا.
لتتبع التغيرات في طول الرنينموجات الرنان ذات الحساسية العالية، يتم ربط الليزر المستقر أحادي التردد بالرنان. استخدم العلماء مشط التردد البصري لقياس طول الرنان بدقة عالية. يمكن اعتبار علامات المسطرة (أسنان المشط) بمثابة سلسلة من أشعة الليزر ذات أطوال موجية متساوية المسافات. عندما تتحرك كتلة الاختبار خلال فترة التسارع، مما يؤدي إلى تقصير أو إطالة التجويف، تتغير شدة الضوء المنعكس مع تحرك الأطوال الموجية المرتبطة بأسنان المشط داخل وخارج الرنين مع التجويف.
تحويل دقيق لحركة التحكمكانت الكتلة في التسارع مشكلة في معظم مقاييس التسارع الميكانيكية البصرية الموجودة. ومع ذلك، يضمن التصميم الجديد للجهاز أن تكون العلاقة الديناميكية بين إزاحة الكتلة المرجعية والتسارع بسيطة وسهلة النمذجة باستخدام المبادئ الأولى للفيزياء. ببساطة، تم تصميم كتلة الاختبار وحزم الدعم لتتصرف مثل الزنبرك البسيط أو المذبذب التوافقي. يهتز بتردد واحد ضمن نطاق تشغيل مقياس التسارع.
هذه الاستجابة الديناميكية البسيطة سمحت للعلماءتحقيق خطأ قياس منخفض على نطاق واسع من ترددات التسارع - من 1 إلى 20 كيلو هرتز - دون الحاجة إلى معايرة الجهاز. تعتبر هذه الميزة فريدة من نوعها حيث أنه يجب معايرة جميع مقاييس التسارع التجارية، وهو ما يستغرق وقتًا طويلاً ومكلفًا. منذ نشر دراستهم في Optica، أجرى الباحثون العديد من التحسينات التي من شأنها أن تقلل الخطأ في أجهزتهم إلى ما يقرب من 1٪.
مقياس التسارع البصري الميكانيكي قادر علىاكتشاف إزاحات كتلة مرجعية تقل عن مائة ألف من قطر ذرة الهيدروجين، واكتشاف تسارعات تصل إلى 32 مليار جزء Ag، حيث g هو التسارع الناتج عن جاذبية الأرض. وهذه حساسية أعلى من أي مقياس تسارع موجود حاليًا في السوق بنفس الحجم وعرض النطاق الترددي.
مع مزيد من التحسيناتيمكن استخدام مقياس التسارع الميكانيكي البصري من NIST كجهاز مرجعي محمول عالي الدقة لمعايرة مقاييس التسارع الأخرى دون الحاجة إلى إحضارها إلى المختبر.
قراءة المزيد
ابتكر الفيزيائيون نظيرًا للثقب الأسود وأكدوا نظرية هوكينغ. إلى أين تقود؟
اكتشفت الخوارزمية طبقة غامضة جديدة داخل الأرض
بسبب الشمس ، يفقد الغلاف الجوي للأرض كل الأكسجين الحر
في البصريات ، مشط التردد هو ليزرمصدر يتكون طيفه من سلسلة من خطوط التردد المنفصلة والمتباعدة بشكل متساوٍ. يسمح مشط التردد بالاتصال المباشر من معايير الترددات الراديوية إلى الترددات الضوئية. تعمل معايير التردد الحديثة مثل الساعات الذرية في منطقة الميكروويف من الطيف ، ويجلب مشط التردد دقة هذه الساعات إلى الجزء البصري من الطيف الكهرومغناطيسي.