Представете си, че шофирате с максимална скорост по двулентов път. И изведнъж се появява отдясно
Въздушната възглавница се активира отакселерометър - сензор, който отчита внезапни промени в скоростта. Акселерометрите поддържат ракетите и самолетите на правилната траектория на полета и осигуряват навигация за самоуправляващите се автомобили. Те също са вградени в мобилни телефони, таблети и електронни четци, за да показват правилно изображения, когато потребителят обърне устройството.
Изследователи от Националния институтСтандартите и технологиите (NIST) разработиха акселерометър с дебелина само един милиметър. Той използва лазерна светлина вместо механична деформация, за да генерира сигнал. Учените се надяват да отговорят на нарастващото търсене на точни измервания на ускорението в малки навигационни системи и други устройства.
Въпреки че някои други акселерометри същоразчитат на светлината, дизайнът на инструмента NIST прави процеса на измерване по-лесен, като същевременно осигурява по-голяма точност. В допълнение, той работи в по-широк честотен диапазон и е преминал по-строги тестове от подобни устройства.
NIST устройство - оптико-механичен акселерометърне изисква дълъг периодичен процес на калибриране. Всъщност, тъй като инструментът използва лазерна светлина с известна честота за измерване на ускорението, той в крайна сметка може да служи като преносим референтен инструмент за калибриране на други акселерометри, които в момента са на пазара, което ги прави по-точни.
Акселерометърът ще подобри и инерционната навигацияв критични системи като военни самолети, сателити и подводници, особено когато GPS сигналът не е наличен. Изследователите на NIST Джейсън Горман, Томас Лебрън, Дейвид Лонг и техните колеги описаха работата си в списание Optica.
Акселерометри, включително новото устройство NIST,записвайте промените в скоростта чрез проследяване на позицията на свободно движеща се маса, наречена „референтна маса“, спрямо фиксирана референтна точка вътре в устройството. Разстоянието между еталонната маса и еталонната точка се променя само ако акселерометърът се забави, ускори или промени посоката. Същото важи и ако сте пътник в автомобил. Ако колата е неподвижна или се движи с постоянна скорост, разстоянието между човека и таблото остава непроменено. Но ако колата внезапно спре, водачът се изхвърля напред и разстоянието между човека и таблото намалява.
Движението на еталонната маса създава откриваемсигнал. Новият акселерометър използва инфрачервена светлина, за да измери промяната в разстоянието между две силно отразяващи повърхности, които покриват малка площ от празно пространство. Контролна маса, окачена на гъвкави греди с една пета от ширината на човешки косъм, поддържа една от огледалните повърхности. Другата отразяваща повърхност, която служи като фиксирана референтна точка за акселерометъра, се състои от фиксирано микровдлъбнато огледало.
Заедно, две отразяващи повърхности и заготовкапространството между тях образува кухина, в която инфрачервената светлина с желаната дължина на вълната резонира или се отразява между огледалата, увеличавайки интензивността. Тази дължина на вълната се определя от разстоянието между двете огледала, точно както височината на изтръгнатата китара зависи от разстоянието между лада на инструмента и моста. Ако референтната маса се движи в отговор на ускорение чрез промяна на разстоянието между огледалата, резонансната дължина на вълната също се променя.
За проследяване на промените в резонансната дължинарезонаторни вълни с висока чувствителност, стабилен едночестотен лазер е свързан към резонатора. Учените са използвали оптичен честотен гребен, за да измерят дължината на резонатора с висока точност. Линийките (зъбци на гребена) могат да се разглеждат като серия от лазери с еднакво разпределени дължини на вълните. Тъй като тестовата маса се движи по време на периода на ускорение, скъсявайки или удължавайки кухината, интензитетът на отразената светлина се променя, тъй като дължините на вълните, свързани със зъбите на гребена, влизат и излизат от резонанс с кухината.
Точно преобразуване на контролното движениемаса в ускорението е проблематично в повечето съществуващи оптомеханични акселерометри. Новият дизайн на устройството обаче гарантира, че динамичната връзка между изместването на еталонната маса и ускорението е проста и лесна за моделиране, като се използват първите принципи на физиката. Просто казано, тестовата маса и опорните греди са проектирани да се държат като обикновен пружинен или хармоничен осцилатор. Той вибрира на една честота в работния диапазон на акселерометъра.
Тази проста динамична реакция позволи на ученитепостига ниска грешка при измерване в широк диапазон от честоти на ускорение - от 1 до 20 килохерца - без необходимост от калибриране на устройството. Тази функция е уникална с това, че всички търговски акселерометри трябва да бъдат калибрирани, което отнема време и е скъпо. Откакто публикуваха изследването си в Optica, изследователите направиха няколко подобрения, които трябва да намалят грешката на тяхното устройство до почти 1%.
Оптико-механичен акселерометър, способен наоткрива премествания на референтна маса, които са по-малки от една стохилядна от диаметъра на водороден атом, откривайки ускорения до 32 ppb ag, където g е ускорението, дължащо се на гравитацията на Земята. Това е по-висока чувствителност от всеки акселерометър в момента на пазара с подобен размер и честотна лента.
С допълнителни подобренияОптомеханичният акселерометър на NIST може да се използва като преносимо високопрецизно референтно устройство за калибриране на други акселерометри, без да се налага да ги носите в лабораторията.
Прочетете още
Физиците са създали аналог на черна дупка и са потвърдили теорията на Хокинг. Къде води?
Алгоритъмът е открил нов тайнствен слой вътре в Земята
Поради Слънцето земната атмосфера ще загуби целия свободен кислород
В оптиката честотен гребен е лазеризточник, чийто спектър се състои от поредица от дискретни, еднакво разположени честотни линии. Честотният гребен позволява директна комуникация от RF стандартите към оптичните честоти. Съвременните честотни стандарти като атомни часовници работят в микровълновата област на спектъра и честотният гребен придава прецизността на такива часовници в оптичната част на електромагнитния спектър.