Zamislite da se vozite najvećom brzinom na cesti s dvije trake. I odjednom se pojavi s desne strane
Zračni jastuk se aktivira pomoćuakcelerometar - senzor koji detektira nagle promjene brzine. Akcelerometri drže rakete i zrakoplove na ispravnoj putanji leta i omogućuju navigaciju za samovozeće automobile. Također su ugrađeni u mobilne telefone, tablete i e-čitače za ispravan prikaz slika kada korisnik okrene uređaj.
Istraživači iz Nacionalnog institutaStandards and Technologies (NIST) razvili su akcelerometar debljine samo milimetar. Za generiranje signala koristi lasersko svjetlo umjesto mehaničke deformacije. Znanstvenici se nadaju da će zadovoljiti rastuću potražnju za preciznim mjerenjima ubrzanja u malim navigacijskim sustavima i drugim uređajima.
Iako i neki drugi akcelerometrioslanjaju se na svjetlost, dizajn NIST instrumenta olakšava proces mjerenja, a istovremeno pruža veću točnost. Osim toga, radi u širem frekvencijskom rasponu i podvrgnut je strožim ispitivanjima od sličnih uređaja.
NIST uređaj - optomehanički akcelerometarne zahtijeva dugotrajan periodični proces kalibracije. Zapravo, budući da instrument koristi lasersko svjetlo poznate frekvencije za mjerenje ubrzanja, mogao bi u konačnici poslužiti kao prijenosna referenca za kalibraciju drugih akcelerometara koji su trenutno na tržištu, čineći ih preciznijima.
Akcelerometar će također poboljšati inercijalnu navigacijuu kritičnim sustavima kao što su vojni zrakoplovi, sateliti i podmornice, posebno kada GPS signal nije dostupan. Istraživači NIST-a Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long i njihovi kolege opisali su svoj rad u časopisu Optica.
Akcelerometri, uključujući novi NIST uređaj,bilježite promjene u brzini praćenjem položaja slobodno pokretne mase, koja se naziva "referentna masa", u odnosu na fiksnu referentnu točku unutar uređaja. Udaljenost između referentne mase i referentne točke mijenja se samo ako akcelerometar usporava, ubrzava ili mijenja smjer. Isto vrijedi i ako ste putnik u automobilu. Ako automobil miruje ili se kreće konstantnom brzinom, udaljenost između osobe i upravljačke ploče ostaje nepromijenjena. Ali ako automobil iznenada zakoči, vozač je izbačen naprijed i udaljenost između osobe i ploče s instrumentima se smanjuje.
Kretanje referentne mase stvara detektabilansignal. Novi akcelerometar koristi infracrveno svjetlo za mjerenje promjene udaljenosti između dvije visoko reflektirajuće površine koje pokrivaju malo područje praznog prostora. Kontrolna masa obješena na fleksibilne grede širine jedne petine ljudske kose podupire jednu od zrcalnih površina. Druga reflektirajuća površina, koja služi kao fiksna referentna točka za akcelerometar, sastoji se od fiksnog mikrokonkavnog zrcala.
Zajedno dvije reflektirajuće površine i slijepa površinaprostor između njih tvori šupljinu u kojoj infracrveno svjetlo željene valne duljine rezonira ili reflektira između ogledala, povećavajući intenzitet. Ova valna duljina određena je udaljenošću između dva zrcala, baš kao što visina čupave gitare ovisi o udaljenosti između praga instrumenta i mosta. Ako se referentna masa pomiče kao odgovor na ubrzanje promjenom udaljenosti između zrcala, mijenja se i rezonantna valna duljina.
Za praćenje promjena u rezonantnoj duljinirezonatorski valovi visoke osjetljivosti, na rezonator je vezan stabilan jednofrekventni laser. Znanstvenici su koristili optički frekvencijski češalj za mjerenje duljine rezonatora s velikom točnošću. Oznake ravnala (zubi češlja) mogu se zamisliti kao niz lasera s jednako razmaknutim valnim duljinama. Kako se ispitna masa pomiče tijekom perioda ubrzanja, skraćujući ili produžujući šupljinu, intenzitet reflektirane svjetlosti se mijenja kako valne duljine povezane sa zupcima češlja ulaze i izlaze iz rezonancije sa šupljinom.
Točna pretvorba pokreta kontrolemase u ubrzanje bio je problematičan u većini postojećih optomehaničkih akcelerometara. Međutim, novi dizajn uređaja osigurava da je dinamički odnos između pomaka referentne mase i ubrzanja jednostavan i lak za modeliranje korištenjem prvih principa fizike. Jednostavno rečeno, ispitna masa i potporne grede dizajnirane su da se ponašaju kao jednostavna opruga ili harmonijski oscilator. Vibrira na jednoj frekvenciji unutar radnog raspona akcelerometra.
Ovaj jednostavan dinamički odgovor omogućio je znanstvenicimapostižu nisku pogrešku mjerenja u širokom rasponu frekvencija ubrzanja - od 1 do 20 kiloherca - bez potrebe za kalibracijom uređaja. Ova značajka je jedinstvena po tome što svi komercijalni akcelerometri moraju biti kalibrirani, što je dugotrajno i skupo. Od objavljivanja svoje studije u Optici, istraživači su napravili nekoliko poboljšanja koja bi trebala smanjiti pogrešku njihovog uređaja na gotovo 1%.
Optičko-mehanički akcelerometar sposoban zadetektirati pomake referentne mase koji su manji od stotisućitog promjera vodikovog atoma, otkrivajući ubrzanja do 32 milijarde dijelova ag, gdje je g ubrzanje zbog Zemljine gravitacije. Ovo je veća osjetljivost od bilo kojeg akcelerometra koji je trenutno na tržištu slične veličine i propusnosti.
S daljnjim poboljšanjimaNIST-ov optomehanički mjerač ubrzanja mogao bi se koristiti kao prijenosni referentni uređaj visoke preciznosti za kalibriranje drugih mjerača ubrzanja bez potrebe donošenja u laboratorij.
Čitaj više
Fizičari su stvorili analog crne rupe i potvrdili Hawkingovu teoriju. Kamo vodi?
Algoritam je otkrio novi tajanstveni sloj unutar Zemlje
Zbog Sunca će Zemljina atmosfera izgubiti sav slobodan kisik
U optici je frekvencijski češalj laserizvor čiji se spektar sastoji od niza diskretnih, jednako raspoređenih frekvencijskih linija. Frekvencijski češalj omogućuje izravnu komunikaciju od RF standarda do optičkih frekvencija. Suvremeni standardi frekvencije, poput atomskih satova, djeluju u mikrovalnom području spektra, a češalj za frekvenciju donosi preciznost takvih satova u optički dio elektromagnetskog spektra.