Představte si, že jedete nejvyšší rychlostí po dvouproudé silnici.Najednou napravo
Airbag se aktivujedíky akcelerometru, senzoru, který detekuje náhlé změny rychlosti.Akcelerometry udržují rakety a letadla na správné trajektorii letu, poskytujíJsou také zabudovány do mobilních telefonů, tabletů a elektronických čteček, aby se obrázek správně zobrazil, když jej uživatel otočízařízení.
Výzkumníci z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) vyvinuli akcelerometrVyužívá laserové světloVědci doufají, že uspokojí rostoucí poptávku po přesném měření zrychlení v malých navigačních systémech a dalších zařízeních.
Ačkoli některé další akcelerometry také spoléhají na světlo, konstrukce přístroje NIST umožňujeProces měření je jednodušší a poskytuje vyšší přesnost.V širším frekvenčním rozsahu byl testován přísněji než podobná zařízení.
Optomechanický akcelerometr NIST nevyžaduje zdlouhavý proces pravidelné kalibrace.Ve skutečnosti, protože zařízení používá laserové světloznámou frekvenci pro měření zrychlení, může nakonecSlouží jako přenosné měřítko pro kalibraci dalších akcelerometrů, které jsou v současné době na trhu, a činí je přesnějšími.
Akcelerometr také zlepšuje inerciální navigaci v kritických systémech, jako jsou vojenská letadla, satelity a ponorky, zejména když není k dispozici signál GPS.Výzkumníci NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long a jejich kolegové popisují svou práci v časopise Optica.
Akcelerometry, včetně nového zařízení NIST,zaznamenejte změny rychlosti sledováním polohy volně se pohybující hmoty, nazývané „referenční hmota“, vzhledem k pevnému referenčnímu bodu uvnitř zařízení. Vzdálenost mezi referenční hmotou a referenčním bodem se mění pouze v případě, že akcelerometr zpomaluje, zrychluje nebo mění směr. Totéž platí, pokud jste spolujezdec v autě. Pokud vůz stojí nebo se pohybuje konstantní rychlostí, vzdálenost mezi osobou a přístrojovou deskou zůstává nezměněna. Pokud ale auto náhle zabrzdí, řidiče vymrští dopředu a vzdálenost mezi osobou a přístrojovou deskou se zmenší.
Pohyb referenční hmoty vytváří detekovatelnýsignál. Nový akcelerometr využívá infračervené světlo k měření změny vzdálenosti mezi dvěma vysoce reflexními povrchy, které pokrývají malou oblast prázdného prostoru. Kontrolní hmota zavěšená na ohebných trámech o šířce jedné pětiny lidského vlasu podpírá jednu ze zrcadlových ploch. Druhá odrazná plocha, která slouží jako pevný referenční bod pro akcelerometr, se skládá z pevného mikrokonkávního zrcadla.
Společně dva reflexní povrchy a blankprostor mezi nimi vytváří dutinu, ve které infračervené světlo požadované vlnové délky rezonuje nebo se odráží mezi zrcadly, čímž se zvyšuje intenzita. Tato vlnová délka je určena vzdáleností mezi oběma zrcadly, stejně jako výška trhané kytary závisí na vzdálenosti mezi pražcem nástroje a můstkem. Pokud se referenční hmotnost pohybuje v reakci na zrychlení změnou vzdálenosti mezi zrcadly, změní se také rezonanční vlnová délka.
Ke sledování změn rezonanční délkyrezonátorové vlny s vysokou citlivostí, na rezonátor je navázán stabilní jednofrekvenční laser. Vědci použili optický frekvenční hřeben k měření délky rezonátoru s vysokou přesností. Značky pravítka (hřebenové zuby) si lze představit jako sérii laserů se stejně rozmístěnými vlnovými délkami. Jak se zkušební hmota pohybuje během zrychlovací periody, zkracuje nebo prodlužuje dutinu, mění se intenzita odraženého světla, jak se vlnové délky spojené s hřebenovými zuby pohybují dovnitř a ven z rezonance s dutinou.
Přesná konverze řídicího pohybuhmotnost do zrychlení byl problematický u většiny existujících optomechanických akcelerometrů. Nový design zařízení však zajišťuje, že dynamický vztah mezi referenčním posunem hmoty a zrychlením je jednoduchý a snadno modelovatelný pomocí prvních fyzikálních principů. Jednoduše řečeno, zkušební hmota a nosné nosníky jsou navrženy tak, aby se chovaly jako jednoduchý pružinový nebo harmonický oscilátor. Vibruje na jedné frekvenci v pracovním rozsahu akcelerometru.
Tato jednoduchá dynamická reakce umožnila vědcůmdosáhnout nízké chyby měření v širokém rozsahu frekvencí zrychlení - od 1 do 20 kilohertzů - bez nutnosti kalibrace zařízení. Tato funkce je jedinečná v tom, že všechny komerční akcelerometry musí být kalibrovány, což je časově náročné a drahé. Od zveřejnění své studie v Optice vědci provedli několik vylepšení, která by měla snížit chybu jejich zařízení na téměř 1%.
Opticko-mechanický akcelerometr schopnýdetekovat posuny referenční hmoty, které jsou menší než sto tisícina průměru atomu vodíku, detekovat zrychlení až 32 ppb ag, kde g je zrychlení způsobené zemskou gravitací. To je vyšší citlivost než jakýkoli akcelerometr v současné době na trhu podobné velikosti a šířky pásma.
S dalšími vylepšenímiOptomechanický akcelerometr NIST lze použít jako přenosné vysoce přesné referenční zařízení ke kalibraci dalších akcelerometrů, aniž byste je museli přinést do laboratoře.
Přečtěte si více
Fyzici vytvořili analogii černé díry a potvrdili Hawkingovu teorii. Kam to vede?
Algoritmus objevil novou záhadnou vrstvu uvnitř Země
Díky slunci ztratí zemská atmosféra veškerý volný kyslík
V optice je frekvenčním hřebenem laserzdroj, jehož spektrum se skládá z řady diskrétních, rovnoměrně rozmístěných frekvenčních linií. Frekvenční hřeben umožňuje přímou komunikaci z RF standardů na optické frekvence. Moderní frekvenční standardy, jako jsou atomové hodiny, pracují v mikrovlnné oblasti spektra a frekvenční hřeben přináší přesnost těchto hodin do optické části elektromagnetického spektra.