Imagínese que conduce a máxima velocidad por una carretera de dos carriles. Y de repente aparece a la derecha.
El airbag se activa medianteAcelerómetro: un sensor que detecta cambios repentinos de velocidad. Los acelerómetros mantienen los cohetes y aviones en la trayectoria de vuelo correcta y proporcionan navegación para los vehículos autónomos. También están integrados en teléfonos móviles, tabletas y lectores electrónicos para mostrar las imágenes correctamente cuando el usuario gira el dispositivo.
Investigadores del Instituto NacionalStandards and Technologies (NIST) ha desarrollado un acelerómetro de solo un milímetro de grosor. Utiliza luz láser en lugar de deformación mecánica para generar una señal. Los científicos esperan satisfacer la creciente demanda de mediciones precisas de la aceleración en pequeños sistemas de navegación y otros dispositivos.
Aunque algunos otros acelerómetros tambiénAl depender de la luz, el diseño del instrumento NIST facilita el proceso de medición y proporciona una mayor precisión. Además, funciona en un rango de frecuencia más amplio y ha sido sometido a pruebas más estrictas que dispositivos similares.
Dispositivo NIST - acelerómetro optomecánicono requiere un largo proceso de calibración periódica. De hecho, debido a que el instrumento utiliza luz láser de una frecuencia conocida para medir la aceleración, en última instancia podría servir como referencia portátil para calibrar otros acelerómetros actualmente en el mercado, haciéndolos más precisos.
El acelerómetro también mejorará la navegación inercialen sistemas críticos como aviones militares, satélites y submarinos, especialmente cuando la señal GPS no está disponible. Los investigadores del NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long y sus colegas describieron su trabajo en la revista Optica.
Acelerómetros, incluido el nuevo dispositivo NIST,registrar cambios en la velocidad rastreando la posición de una masa que se mueve libremente, llamada "masa de referencia", en relación con un punto de referencia fijo dentro del dispositivo. La distancia entre la masa de referencia y el punto de referencia cambia solo si el acelerómetro desacelera, acelera o cambia de dirección. Lo mismo ocurre si usted es un pasajero en un automóvil. Si el coche está parado o avanza a velocidad constante, la distancia entre la persona y el salpicadero permanece sin cambios. Pero si el coche frena bruscamente, el conductor sale disparado hacia delante y la distancia entre la persona y el salpicadero disminuye.
El movimiento de la masa de referencia crea un detectableseñal. El nuevo acelerómetro utiliza luz infrarroja para medir el cambio de distancia entre dos superficies altamente reflectantes que cubren una pequeña área de espacio vacío. Una masa de control suspendida sobre vigas flexibles de un quinto del ancho de un cabello humano sostiene una de las superficies del espejo. La otra superficie reflectante, que sirve como punto de referencia fijo para el acelerómetro, consta de un espejo microcóncavo fijo.
Juntos, dos superficies reflectantes y un espacio en blancoel espacio entre ellos forma una cavidad en la que la luz infrarroja de la longitud de onda deseada resuena o se refleja entre los espejos, aumentando la intensidad. Esta longitud de onda está determinada por la distancia entre los dos espejos, así como el tono de una guitarra pulsada depende de la distancia entre el traste del instrumento y el puente. Si la masa de referencia se mueve en respuesta a la aceleración cambiando la distancia entre los espejos, la longitud de onda resonante también cambia.
Para rastrear cambios en la longitud resonanteOndas resonadoras con láser de frecuencia única estable y de alta sensibilidad conectadas al resonador. Los científicos utilizaron un peine de frecuencia óptica para medir la longitud del resonador con gran precisión. Las marcas de la regla (dientes del peine) pueden considerarse como una serie de láseres con longitudes de onda equiespaciadas. A medida que la masa de prueba se mueve durante el período de aceleración, acortando o alargando la cavidad, la intensidad de la luz reflejada cambia a medida que las longitudes de onda asociadas con los dientes del peine entran y salen de la resonancia con la cavidad.
Conversión precisa del movimiento de control.convertir masa en aceleración ha sido problemático en la mayoría de los acelerómetros optomecánicos existentes. Sin embargo, el nuevo diseño del dispositivo garantiza que la relación dinámica entre el desplazamiento de masa de referencia y la aceleración sea simple y fácil de modelar utilizando los primeros principios de la física. En pocas palabras, la masa de prueba y las vigas de soporte están diseñadas para comportarse como un simple resorte u oscilador armónico. Vibra a una frecuencia dentro del rango operativo del acelerómetro.
Esta simple respuesta dinámica permitió a los científicosLogre un error de medición bajo en una amplia gama de frecuencias de aceleración (de 1 a 20 kilohercios) sin necesidad de calibrar el dispositivo. Esta característica es única porque todos los acelerómetros comerciales deben calibrarse, lo que requiere mucho tiempo y es costoso. Desde que publicaron su estudio en Optica, los investigadores han realizado varias mejoras que deberían reducir el error de su dispositivo a casi el 1%.
Acelerómetro óptico-mecánico capaz dedetectar desplazamientos de una masa de referencia que sean inferiores a una cienmilésima parte del diámetro de un átomo de hidrógeno, detectando aceleraciones de hasta 32 ppb ag, donde g es la aceleración debida a la gravedad de la Tierra. Esta es una sensibilidad más alta que la de cualquier acelerómetro actualmente en el mercado de tamaño y ancho de banda similares.
Con más mejorasEl acelerómetro optomecánico del NIST podría usarse como un dispositivo de referencia portátil de alta precisión para calibrar otros acelerómetros sin tener que llevarlos al laboratorio.
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En óptica, un peine de frecuencia es un láser.una fuente cuyo espectro consiste en una serie de líneas de frecuencia discretas, igualmente espaciadas. El peine de frecuencia permite la comunicación directa desde los estándares de RF a las frecuencias ópticas. Los estándares de frecuencia modernos, como los relojes atómicos, operan en la región de microondas del espectro, y el peine de frecuencia lleva la precisión de dichos relojes a la parte óptica del espectro electromagnético.