Stellen Sie sich vor, Sie fahren mit Höchstgeschwindigkeit auf einer zweispurigen Straße.Plötzlich, auf der rechten Seite,
Der Airbag wird aktiviert durchBeschleunigungsmesser – ein Sensor, der plötzliche Geschwindigkeitsänderungen erkennt. Beschleunigungsmesser halten Raketen und Flugzeuge auf der richtigen Flugbahn und ermöglichen die Navigation selbstfahrender Autos. Sie sind auch in Mobiltelefonen, Tablets und E-Readern integriert, um Bilder korrekt anzuzeigen, wenn der Benutzer das Gerät umdreht.
Forscher des National InstituteStandards and Technologies (NIST) hat einen nur einen Millimeter dicken Beschleunigungsmesser entwickelt. Es nutzt Laserlicht statt mechanischer Verformung, um ein Signal zu erzeugen. Wissenschaftler hoffen, den wachsenden Bedarf an genauen Beschleunigungsmessungen in kleinen Navigationssystemen und anderen Geräten decken zu können.
Obwohl auch einige andere BeschleunigungsmesserWenn Sie auf Licht angewiesen sind, erleichtert das Design des NIST-Instruments den Messvorgang und bietet gleichzeitig eine höhere Genauigkeit. Darüber hinaus arbeitet es in einem größeren Frequenzbereich und wurde strengeren Tests unterzogen als vergleichbare Geräte.
NIST-Gerät – optomechanischer Beschleunigungsmessererfordert keinen langwierigen regelmäßigen Kalibrierungsprozess. Da das Instrument zur Messung der Beschleunigung Laserlicht einer bekannten Frequenz verwendet, könnte es letztendlich als tragbare Referenz für die Kalibrierung anderer derzeit auf dem Markt befindlicher Beschleunigungsmesser dienen und diese genauer machen.
Der Beschleunigungsmesser wird auch die Trägheitsnavigation verbessernin kritischen Systemen wie Militärflugzeugen, Satelliten und U-Booten, insbesondere wenn kein GPS-Signal verfügbar ist. Die NIST-Forscher Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long und ihre Kollegen beschrieben ihre Arbeit in der Zeitschrift Optica.
Beschleunigungsmesser, einschließlich des neuen NIST-Geräts,Zeichnen Sie Geschwindigkeitsänderungen auf, indem Sie die Position einer frei beweglichen Masse, einer sogenannten „Referenzmasse“, relativ zu einem festen Referenzpunkt im Gerät verfolgen. Der Abstand zwischen der Steuermasse und dem Referenzpunkt ändert sich nur, wenn der Beschleunigungsmesser langsamer wird, beschleunigt oder die Richtung ändert. Das Gleiche gilt, wenn Sie als Beifahrer in einem Auto sitzen. Steht das Auto oder fährt es mit konstanter Geschwindigkeit, bleibt der Abstand zwischen der Person und dem Armaturenbrett unverändert. Bremst das Auto jedoch plötzlich ab, wird der Fahrer nach vorne geschleudert und der Abstand zwischen der Person und dem Armaturenbrett verringert sich.
Durch die Bewegung der Referenzmasse entsteht ein detektierbaresSignal. Der neue Beschleunigungsmesser misst mithilfe von Infrarotlicht die Abstandsänderung zwischen zwei stark reflektierenden Oberflächen, die einen kleinen Bereich des leeren Raums abdecken. Eine der Spiegelflächen wird von einer Steuermasse getragen, die an flexiblen Trägern mit der Breite eines Fünftels eines menschlichen Haares aufgehängt ist. Die andere reflektierende Oberfläche, die als fester Referenzpunkt für den Beschleunigungsmesser dient, besteht aus einem feststehenden Mikrokonkavspiegel.
Zusammen zwei reflektierende Oberflächen und ein RohlingDer Raum zwischen ihnen bildet einen Hohlraum, in dem Infrarotlicht der gewünschten Wellenlänge zwischen den Spiegeln schwingt oder reflektiert, wodurch die Intensität erhöht wird. Diese Wellenlänge wird durch den Abstand zwischen den beiden Spiegeln bestimmt, ebenso wie die Tonhöhe einer gezupften Gitarre vom Abstand zwischen dem Bund des Instruments und der Brücke abhängt. Wenn sich die Referenzmasse als Reaktion auf die Beschleunigung durch Ändern des Abstands zwischen den Spiegeln bewegt, ändert sich auch die Resonanzwellenlänge.
Um Änderungen der Resonanzlänge zu verfolgenResonatorwellen mit hoher Empfindlichkeit, ein stabiler Einzelfrequenzlaser ist an den Resonator gebunden. Die Wissenschaftler verwendeten einen optischen Frequenzkamm, um die Länge des Resonators mit hoher Genauigkeit zu messen. Die Linealmarkierungen (Kammzähne) können als eine Reihe von Lasern mit gleichmäßig verteilten Wellenlängen betrachtet werden. Während sich die Testmasse während der Beschleunigungsperiode bewegt und den Hohlraum verkürzt oder verlängert, ändert sich die Intensität des reflektierten Lichts, wenn sich die mit den Kammzähnen verbundenen Wellenlängen in die Resonanz mit dem Hohlraum hinein und aus dieser heraus bewegen.
Präzise Umsetzung der SteuerbewegungDie Umwandlung von Masse in Beschleunigung war bei den meisten vorhandenen optomechanischen Beschleunigungsmessern problematisch. Das neue Design des Geräts stellt jedoch sicher, dass die dynamische Beziehung zwischen der Verschiebung der Referenzmasse und der Beschleunigung einfach und leicht nach den ersten Prinzipien der Physik zu modellieren ist. Einfach ausgedrückt sind die Testmasse und die Stützbalken so konzipiert, dass sie sich wie eine einfache Feder oder ein harmonischer Oszillator verhalten. Es vibriert mit einer Frequenz innerhalb des Arbeitsbereichs des Beschleunigungsmessers.
Diese einfache dynamische Reaktion ermöglichte WissenschaftlernErreichen Sie einen geringen Messfehler über einen weiten Bereich von Beschleunigungsfrequenzen – von 1 bis 20 Kilohertz –, ohne dass das Gerät kalibriert werden muss. Diese Funktion ist insofern einzigartig, als alle kommerziellen Beschleunigungsmesser kalibriert werden müssen, was zeitaufwändig und teuer ist. Seit der Veröffentlichung ihrer Studie in Optica haben die Forscher mehrere Verbesserungen vorgenommen, die den Fehler ihres Geräts auf fast 1 % reduzieren sollen.
Optisch-mechanischer Beschleunigungsmesser mit der FähigkeitErfassen Sie Verschiebungen einer Referenzmasse, die weniger als ein Hunderttausendstel des Durchmessers eines Wasserstoffatoms betragen, und erfassen Sie Beschleunigungen von bis zu 32 Milliarden Teilen über dem Meeresspiegel, wobei g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft der Erde ist. Dies ist eine höhere Empfindlichkeit als bei jedem derzeit auf dem Markt erhältlichen Beschleunigungsmesser mit ähnlicher Größe und Bandbreite.
Mit weiteren VerbesserungenDer optomechanische Beschleunigungsmesser von NIST kann als tragbares hochpräzises Referenzgerät verwendet werden, um andere Beschleunigungsmesser zu kalibrieren, ohne sie ins Labor bringen zu müssen.
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In der Optik ist ein Frequenzkamm ein Lasereine Quelle, deren Spektrum aus einer Reihe diskreter, gleichmäßig beabstandeter Frequenzlinien besteht. Der Frequenzkamm ermöglicht die direkte Kommunikation von HF-Standards zu optischen Frequenzen. Moderne Frequenzstandards wie Atomuhren arbeiten im Mikrowellenbereich des Spektrums, und der Frequenzkamm bringt die Präzision solcher Uhren auf den optischen Teil des elektromagnetischen Spektrums.