Imaginez que vous conduisez à toute vitesse sur une route à deux voies. Et soudain il apparaît à droite
L'airbag est activé paraccéléromètre - un capteur qui détecte les changements brusques de vitesse. Les accéléromètres maintiennent les fusées et les avions sur la bonne trajectoire de vol et assurent la navigation des voitures autonomes. Ils sont également intégrés aux téléphones mobiles, tablettes et liseuses électroniques pour afficher correctement les images lorsque l'utilisateur retourne l'appareil.
Des chercheurs de l'Institut NationalStandards and Technologies (NIST) ont développé un accéléromètre d’à peine un millimètre d’épaisseur. Il utilise la lumière laser au lieu d’une déformation mécanique pour générer un signal. Les scientifiques espèrent répondre à la demande croissante de mesures précises de l’accélération dans les petits systèmes de navigation et autres appareils.
Bien que certains autres accéléromètresdépendent de la lumière, la conception de l'instrument NIST facilite le processus de mesure tout en offrant une plus grande précision. De plus, il fonctionne sur une plage de fréquences plus large et a subi des tests plus rigoureux que les appareils similaires.
Appareil NIST - accéléromètre optomécaniquene nécessite pas un long processus d’étalonnage périodique. En fait, comme l’instrument utilise une lumière laser d’une fréquence connue pour mesurer l’accélération, il pourrait à terme servir de référence portable pour calibrer d’autres accéléromètres actuellement sur le marché, les rendant ainsi plus précis.
L'accéléromètre améliorera également la navigation inertielledans des systèmes critiques tels que les avions militaires, les satellites et les sous-marins, en particulier lorsque le signal GPS n'est pas disponible. Les chercheurs du NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long et leurs collègues ont décrit leurs travaux dans la revue Optica.
Des accéléromètres, dont le nouveau dispositif NIST,enregistrer les changements de vitesse en suivant la position d’une masse en mouvement libre, appelée « masse de référence », par rapport à un point de référence fixe à l’intérieur de l’appareil. La distance entre la masse de référence et le point de référence ne change que si l'accéléromètre ralentit, accélère ou change de direction. Il en va de même si vous êtes passager d’une voiture. Si la voiture est à l'arrêt ou se déplace à vitesse constante, la distance entre la personne et le tableau de bord reste inchangée. Mais si la voiture freine brusquement, le conducteur est projeté vers l'avant et la distance entre la personne et le tableau de bord diminue.
Le mouvement de la masse de référence crée un mouvement détectablesignal. Le nouvel accéléromètre utilise la lumière infrarouge pour mesurer le changement de distance entre deux surfaces hautement réfléchissantes qui couvrent une petite zone d'espace vide. Une masse de contrôle suspendue à des poutres flexibles d'un cinquième de la largeur d'un cheveu humain soutient l'une des surfaces du miroir. L'autre surface réfléchissante, qui sert de point de référence fixe à l'accéléromètre, est constituée d'un miroir microconcave fixe.
Ensemble, deux surfaces réfléchissantes et un flanl'espace entre eux forme une cavité dans laquelle la lumière infrarouge de la longueur d'onde désirée résonne ou se réfléchit entre les miroirs, augmentant l'intensité. Cette longueur d'onde est déterminée par la distance entre les deux miroirs, tout comme la hauteur d'une guitare pincée dépend de la distance entre la frette de l'instrument et le chevalet. Si la masse de référence se déplace en réponse à une accélération en modifiant la distance entre les miroirs, la longueur d'onde de résonance change également.
Pour suivre les changements de longueur de résonanceDes ondes de résonateur à haute sensibilité et un laser monofréquence stable sont liées au résonateur. Les scientifiques ont utilisé un peigne de fréquence optique pour mesurer la longueur du résonateur avec une grande précision. Les marques de règle (dents de peigne) peuvent être considérées comme une série de lasers avec des longueurs d'onde équidistantes. À mesure que la masse d'essai se déplace pendant la période d'accélération, raccourcissant ou allongeant la cavité, l'intensité de la lumière réfléchie change à mesure que les longueurs d'onde associées aux dents du peigne entrent et sortent de la résonance avec la cavité.
Conversion précise du mouvement de contrôlela masse en accélération a posé problème dans la plupart des accéléromètres optomécaniques existants. Cependant, la nouvelle conception du dispositif garantit que la relation dynamique entre le déplacement de la masse de référence et l'accélération est simple et facile à modéliser en utilisant les premiers principes de la physique. En termes simples, la masse de test et les poutres de support sont conçues pour se comporter comme un simple ressort ou un oscillateur harmonique. Il vibre à une fréquence dans la plage de fonctionnement de l'accéléromètre.
Cette simple réponse dynamique a permis aux scientifiquesobtenir une faible erreur de mesure sur une large plage de fréquences d'accélération - de 1 à 20 kilohertz - sans avoir besoin de calibrer l'appareil. Cette fonctionnalité est unique dans la mesure où tous les accéléromètres commerciaux doivent être calibrés, ce qui prend du temps et coûte cher. Depuis la publication de leur étude dans Optica, les chercheurs ont apporté plusieurs améliorations qui devraient réduire l'erreur de leur appareil à près de 1 %.
Accéléromètre optique-mécanique capable dedétecter les déplacements d'une masse de référence inférieurs au cent millième du diamètre d'un atome d'hydrogène, en détectant des accélérations allant jusqu'à 32 ppb ag, où g est l'accélération due à la gravité terrestre. Il s'agit d'une sensibilité plus élevée que n'importe quel accéléromètre actuellement sur le marché de taille et de bande passante similaires.
Avec d'autres améliorationsL'accéléromètre optomécanique du NIST pourrait être utilisé comme appareil de référence portable de haute précision pour étalonner d'autres accéléromètres sans avoir à les apporter au laboratoire.
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En optique, un peigne de fréquence est un laserune source dont le spectre consiste en une série de lignes de fréquence discrètes et également espacées. Le peigne de fréquence permet une communication directe des normes RF aux fréquences optiques. Les étalons de fréquence modernes tels que les horloges atomiques fonctionnent dans la région des micro-ondes du spectre, et un peigne de fréquences apporte la précision de ces horloges à la partie optique du spectre électromagnétique.