Kuvittele, että ajat huippunopeudella kaksikaistaisella tiellä. Ja yhtäkkiä se ilmestyy oikealle
Turvatyyny aktivoituukiihtyvyysanturi - anturi, joka havaitsee äkilliset nopeuden muutokset. Kiihtyvyysmittarit pitävät raketit ja lentokoneet oikealla lentoradalla ja tarjoavat navigoinnin itseohjautuville autoille. Ne on myös sisäänrakennettu matkapuhelimiin, tabletteihin ja e-lukijoihin, jotta ne näyttävät kuvat oikein, kun käyttäjä kääntää laitteen ympäri.
Kansallisen instituutin tutkijatStandards and Technologies (NIST) on kehittänyt vain millimetrin paksuisen kiihtyvyysmittarin. Se käyttää laservaloa mekaanisen muodonmuutoksen sijaan signaalin tuottamiseen. Tutkijat toivovat voivansa vastata kasvavaan kysyntään tarkkojen kiihtyvyysmittausten osalta pienissä navigointijärjestelmissä ja muissa laitteissa.
Vaikka jotkut muut kiihtyvyysmittarit myösluota valoon, NIST-instrumentin suunnittelu helpottaa mittausprosessia ja tarjoaa paremman tarkkuuden. Lisäksi se toimii laajemmalla taajuusalueella ja on käynyt läpi tiukemmat testaukset kuin vastaavat laitteet.
NIST-laite - optomekaaninen kiihtyvyysanturiei vaadi pitkää säännöllistä kalibrointiprosessia. Itse asiassa, koska instrumentti käyttää tunnetun taajuuden laservaloa kiihtyvyyden mittaamiseen, se voisi lopulta toimia kannettavana referenssinä muiden tällä hetkellä markkinoilla olevien kiihtyvyysantureiden kalibroinnissa, mikä tekee niistä tarkempia.
Kiihtyvyysanturi parantaa myös inertianavigointiakriittisissä järjestelmissä, kuten sotilaslentokoneissa, satelliiteissa ja sukellusveneissä, varsinkin kun GPS-signaalia ei ole saatavilla. NIST-tutkijat Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long ja heidän kollegansa kuvasivat työtään Optica-lehdessä.
Kiihtyvyysmittarit, mukaan lukien uusi NIST-laite,tallentaa nopeuden muutokset seuraamalla vapaasti liikkuvan massan, jota kutsutaan "vertailumassaksi", sijaintia suhteessa kiinteään vertailupisteeseen laitteen sisällä. Vertailumassan ja vertailupisteen välinen etäisyys muuttuu vain, jos kiihtyvyysanturi hidastaa, kiihtyy tai muuttaa suuntaa. Sama pätee, jos olet matkustajana autossa. Jos auto on paikallaan tai liikkuu tasaisella nopeudella, henkilön ja kojelaudan välinen etäisyys pysyy ennallaan. Mutta jos auto äkillisesti jarruttaa, kuljettaja sinkoutuu eteenpäin ja henkilön ja kojelaudan välinen etäisyys pienenee.
Vertailumassan liike luo havaittavansignaali. Uusi kiihtyvyysanturi käyttää infrapunavaloa mittaamaan etäisyyden muutosta kahden erittäin heijastavan pinnan välillä, jotka kattavat pienen alueen tyhjästä tilasta. Joustaviin palkkeihin ripustettu ohjausmassa, joka on viidennes hiuksen leveydestä, tukee yhtä peilipinnoista. Toinen heijastava pinta, joka toimii kiinteänä vertailupisteenä kiihtyvyysmittarille, koostuu kiinteästä mikrokoverasta peilistä.
Yhdessä kaksi heijastavaa pintaa ja aihioniiden välinen tila muodostaa ontelon, jossa halutun aallonpituuden infrapunavalo resonoi tai heijastuu peilien välillä, mikä lisää intensiteettiä. Tämä aallonpituus määräytyy kahden peilin välisen etäisyyden mukaan, aivan kuten kynitty kitaran äänenvoimakkuus riippuu instrumentin nauhan ja sillan välisestä etäisyydestä. Jos vertailumassa liikkuu kiihtyvyydeksi muuttamalla peilien välistä etäisyyttä, myös resonanssin aallonpituus muuttuu.
Voit seurata resonanssipituuden muutoksiaresonaattoriaallot korkealla herkkyydellä, vakaa yksitaajuinen laser on sidottu resonaattoriin. Tutkijat käyttivät optista taajuuskampaa mittaamaan resonaattorin pituuden suurella tarkkuudella. Viivainmerkit (kampahampaat) voidaan ajatella sarjana lasereita, joiden aallonpituudet ovat samat. Kun testimassa liikkuu kiihdytysjakson aikana lyhentäen tai pidentäen onteloa, heijastuneen valon intensiteetti muuttuu kampahampaisiin liittyvien aallonpituuksien liikkuessa sisään ja ulos resonanssista ontelon kanssa.
Ohjausliikkeen tarkka muunnosmassa kiihtyvyyteen on ollut ongelmallista useimmissa olemassa olevissa optomekaanisissa kiihtyvyysantureissa. Laitteen uusi rakenne kuitenkin varmistaa, että vertailumassan siirtymän ja kiihtyvyyden välinen dynaaminen suhde on yksinkertainen ja helppo mallintaa fysiikan ensimmäisten periaatteiden avulla. Yksinkertaisesti sanottuna testimassa ja tukipalkit on suunniteltu toimimaan kuten yksinkertainen jousi tai harmoninen oskillaattori. Se värisee yhdellä taajuudella kiihtyvyysanturin toiminta-alueella.
Tämä yksinkertainen dynaaminen vaste mahdollisti tutkijoillesaavuttaa alhaisen mittausvirheen laajalla kiihdytystaajuusalueella - 1 - 20 kilohertsiä - ilman, että laitetta tarvitsee kalibroida. Tämä ominaisuus on ainutlaatuinen siinä mielessä, että kaikki kaupalliset kiihtyvyysmittarit on kalibroitava, mikä on aikaa vievää ja kallista. Opticassa julkaistun tutkimuksensa jälkeen tutkijat ovat tehneet useita parannuksia, joiden pitäisi vähentää heidän laitteensa virhettä lähes yhteen prosenttiin.
Optisesti mekaaninen kiihtyvyysanturi pystyyhavaita vertailumassan siirtymät, jotka ovat alle sadan tuhannesosan vetyatomin halkaisijasta ja havaita kiihtyvyydet jopa 32 ppb ag, missä g on Maan painovoiman aiheuttama kiihtyvyys. Tämä on suurempi herkkyys kuin millään tällä hetkellä markkinoilla olevilla kiihtyvyysantureilla, joilla on samanlainen koko ja kaistanleveys.
LisäparannuksillaNIST: n optomekaanista kiihtyvyysanturia voidaan käyttää kannettavana tarkkuuden vertailulaitteena muiden kiihtyvyysmittarien kalibroimiseksi tarvitsematta viedä niitä laboratorioon.
Lue lisää
Fyysikot ovat luoneet analogin mustasta aukosta ja vahvistaneet Hawkingin teorian. Minne se johtaa?
Algoritmi on löytänyt uuden salaperäisen kerroksen Maan sisältä
Auringon takia maapallon ilmakehä menettää kaiken vapaan hapen
Optiikassa taajuuskampa on laserlähde, jonka spektri koostuu sarjasta erillisiä, tasavälein sijaitsevia taajuuslinjoja. Taajuuskampa mahdollistaa suoran yhteyden RF-standardeista optisiin taajuuksiin. Nykyaikaiset taajuusstandardit, kuten atomikellot, toimivat spektrin mikroaaltoalueella, ja taajuuskampa tuo tällaisten kellojen tarkkuuden sähkömagneettisen spektrin optiseen osaan.