Forestil dig, at du kører med tophastighed på en to-sporet vej. Og pludselig dukker den op til højre
Airbaggen aktiveres vedaccelerometer - en sensor, der registrerer pludselige ændringer i hastigheden. Accelerometre holder raketter og fly på den rigtige flyvesti og giver navigation til selvkørende biler. De er også indbygget i mobiltelefoner, tablets og e-læsere for at vise billeder korrekt, når brugeren vender enheden om.
Forskere fra NationalinstituttetStandards and Technologies (NIST) har udviklet et accelerometer kun en millimeter tykt. Den bruger laserlys i stedet for mekanisk deformation til at generere et signal. Forskere håber at kunne imødekomme den voksende efterspørgsel efter nøjagtige accelerationsmålinger i små navigationssystemer og andre enheder.
Selvom nogle andre accelerometre ogsåstole på lys, gør NIST-instrumentets design måleprocessen lettere, samtidig med at den giver større nøjagtighed. Derudover fungerer den over et bredere frekvensområde og har gennemgået strengere tests end tilsvarende enheder.
NIST-enhed - optomekanisk accelerometerkræver ikke en langvarig periodisk kalibreringsproces. Faktisk, fordi instrumentet bruger laserlys med en kendt frekvens til at måle acceleration, kan det i sidste ende tjene som en bærbar reference til at kalibrere andre accelerometre på markedet, hvilket gør dem mere nøjagtige.
Accelerometeret vil også forbedre inerti-navigationi kritiske systemer som militærfly, satellitter og ubåde, især når GPS-signalet ikke er tilgængeligt. NIST-forskere Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long og deres kolleger beskrev deres arbejde i tidsskriftet Optica.
Accelerometre, inklusive den nye NIST-enhed,registrere ændringer i hastighed ved at spore positionen af en frit bevægelig masse, kaldet en "referencemasse", i forhold til et fast referencepunkt inde i enheden. Afstanden mellem kontrolmassen og referencepunktet ændres kun, hvis accelerometeret sænker farten, accelererer eller ændrer retning. Det samme gælder, hvis du er passager i en bil. Hvis bilen holder stille eller kører med konstant hastighed, forbliver afstanden mellem personen og instrumentbrættet uændret. Men hvis bilen pludselig bremser, bliver føreren kastet fremad, og afstanden mellem personen og instrumentbrættet mindskes.
Bevægelsen af referencemassen skaber en detekterbarsignal. Det nye accelerometer bruger infrarødt lys til at måle afstandsændringen mellem to stærkt reflekterende overflader, der dækker et lille område af tomt rum. En kontrolmasse ophængt på fleksible bjælker en femtedel af bredden af et menneskehår understøtter en af spejlets overflader. Den anden reflekterende overflade, der fungerer som et fast referencepunkt for accelerometeret, består af et fast mikrokonkavt spejl.
Sammen to reflekterende overflader og et blanktrummet mellem dem danner et hulrum, hvor infrarødt lys med den ønskede bølgelængde resonerer eller reflekterer mellem spejle, hvilket øger intensiteten. Denne bølgelængde bestemmes af afstanden mellem de to spejle, ligesom tonehøjden på en plukket guitar afhænger af afstanden mellem instrumentets bånd og broen. Hvis referencemassen bevæger sig som reaktion på acceleration ved at ændre afstanden mellem spejle, ændres også resonansbølgelængden.
Til at spore ændringer i resonanslængderesonatorbølger med høj følsomhed, stabil enkeltfrekvenslaser er bundet til resonatoren. Forskerne brugte en optisk frekvenskam til at måle længden af resonatoren med høj nøjagtighed. Linealmærkerne (kamtænder) kan opfattes som en række lasere med lige store bølgelængder. Når testmassen bevæger sig i accelerationsperioden, forkorter eller forlænger hulrummet, ændres intensiteten af det reflekterede lys, når bølgelængderne forbundet med kamtænderne bevæger sig ind og ud af resonans med hulrummet.
Nøjagtig konvertering af kontrolbevægelsemasse til acceleration har været problematisk i de fleste eksisterende optomekaniske accelerometre. Det nye design af enheden sikrer imidlertid, at det dynamiske forhold mellem referencemasseforskydning og acceleration er enkelt og let at modellere ved hjælp af fysikkens første principper. Kort sagt er testmassen og støttebjælkerne designet til at opføre sig som en simpel fjeder eller harmonisk oscillator. Den vibrerer ved én frekvens inden for accelerometerets driftsområde.
Denne enkle dynamiske reaktion tillod videnskabsmændopnå lav målefejl over en lang række accelerationsfrekvenser - fra 1 til 20 kilohertz - uden behov for at kalibrere enheden. Denne funktion er unik ved, at alle kommercielle accelerometre skal kalibreres, hvilket er tidskrævende og dyrt. Siden publiceringen af deres undersøgelse i Optica har forskerne foretaget flere forbedringer, der skulle reducere fejlen på deres enhed til næsten 1 %.
Optisk-mekanisk accelerometer i stand tildetektere forskydninger af en referencemasse, der er mindre end en hundrede tusindedel af diameteren af et brintatom, og detektere accelerationer på op til 32 milliarder dele ag, hvor g er accelerationen på grund af Jordens tyngdekraft. Dette er højere følsomhed end noget accelerometer på markedet i øjeblikket af lignende størrelse og båndbredde.
Med yderligere forbedringerNISTs optomekaniske accelerometer kunne bruges som en bærbar højpræcisions referenceenhed til at kalibrere andre accelerometre uden at skulle bringe dem til laboratoriet.
Læs mere
Fysikere har skabt en analog til et sort hul og bekræftet Hawkings teori. Hvor det fører hen?
Algoritme har opdaget et nyt mystisk lag inde i Jorden
På grund af solen mister jordens atmosfære al fri ilt
I optik er en frekvenskam en laseren kilde, hvis spektrum består af en række diskrete frekvenser med lige stor afstand. Frekvens kam tillader direkte kommunikation fra RF standarder til optiske frekvenser. Moderne frekvensstandarder såsom atomure fungerer i mikrobølgeområdet af spektret, og en frekvenskam bringer præcisionen af sådanne ure til den optiske del af det elektromagnetiske spektrum.