Immagina di guidare alla massima velocità su una strada a due corsie. E all'improvviso appare sulla destra
L'airbag viene attivato daaccelerometro: un sensore che rileva improvvisi cambiamenti di velocità. Gli accelerometri mantengono i razzi e gli aerei sulla traiettoria di volo corretta e forniscono la navigazione per le auto a guida autonoma. Sono inoltre integrati nei telefoni cellulari, nei tablet e negli e-reader per visualizzare correttamente le immagini quando l'utente capovolge il dispositivo.
Ricercatori dell'Istituto NazionaleStandards and Technologies (NIST) hanno sviluppato un accelerometro spesso solo un millimetro. Utilizza la luce laser invece della deformazione meccanica per generare un segnale. Gli scienziati sperano di soddisfare la crescente domanda di misurazioni accurate dell'accelerazione in piccoli sistemi di navigazione e altri dispositivi.
Sebbene anche alcuni altri accelerometrifanno affidamento sulla luce, il design dello strumento NIST semplifica il processo di misurazione fornendo allo stesso tempo una maggiore precisione. Inoltre, funziona su una gamma di frequenze più ampia ed è stato sottoposto a test più rigorosi rispetto a dispositivi simili.
Dispositivo NIST: accelerometro optomeccaniconon richiede un lungo processo di calibrazione periodica. Infatti, poiché lo strumento utilizza la luce laser di una frequenza nota per misurare l’accelerazione, potrebbe infine servire come riferimento portatile per calibrare altri accelerometri attualmente sul mercato, rendendoli più accurati.
L'accelerometro migliorerà anche la navigazione inerzialein sistemi critici come aerei militari, satelliti e sottomarini, soprattutto quando il segnale GPS non è disponibile. I ricercatori del NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long e i loro colleghi hanno descritto il loro lavoro sulla rivista Optica.
Accelerometri, incluso il nuovo dispositivo NIST,registrare i cambiamenti di velocità monitorando la posizione di una massa che si muove liberamente, chiamata “massa di riferimento”, rispetto a un punto di riferimento fisso all’interno del dispositivo. La distanza tra la massa di riferimento e il punto di riferimento cambia solo se l'accelerometro rallenta, accelera o cambia direzione. Lo stesso vale se sei un passeggero in un'auto. Se l'auto è ferma o si muove a velocità costante, la distanza tra la persona e il cruscotto rimane invariata. Ma se l'auto frena improvvisamente, il conducente viene sbalzato in avanti e la distanza tra la persona e il cruscotto diminuisce.
Il movimento della massa di riferimento crea un valore rilevabilesegnale. Il nuovo accelerometro utilizza la luce infrarossa per misurare la variazione della distanza tra due superfici altamente riflettenti che coprono una piccola area di spazio vuoto. Una massa di controllo sospesa su travi flessibili larghe un quinto di un capello umano sostiene una delle superfici dello specchio. L'altra superficie riflettente, che funge da punto di riferimento fisso per l'accelerometro, è costituita da uno specchio microconcavo fisso.
Insieme, due superfici riflettenti e un pezzo grezzolo spazio tra di loro forma una cavità in cui la luce infrarossa della lunghezza d'onda desiderata risuona o si riflette tra gli specchi, aumentandone l'intensità. Questa lunghezza d'onda è determinata dalla distanza tra i due specchi, così come l'altezza di una chitarra a pizzico dipende dalla distanza tra il tasto dello strumento e il ponte. Se la massa di riferimento si sposta in risposta all'accelerazione modificando la distanza tra gli specchi, cambia anche la lunghezza d'onda di risonanza.
Per tenere traccia dei cambiamenti nella lunghezza di risonanzaonde del risonatore con alta sensibilità, il laser stabile a frequenza singola è legato al risonatore. Gli scienziati hanno utilizzato un pettine di frequenza ottica per misurare la lunghezza del risonatore con elevata precisione. I segni del righello (denti del pettine) possono essere pensati come una serie di laser con lunghezze d'onda equidistanti. Mentre la massa di prova si muove durante il periodo di accelerazione, accorciando o allungando la cavità, l'intensità della luce riflessa cambia mentre le lunghezze d'onda associate ai denti del pettine entrano ed escono dalla risonanza con la cavità.
Conversione accurata del movimento di controllomassa in accelerazione è stato problematico nella maggior parte degli accelerometri optomeccanici esistenti. Tuttavia, il nuovo design del dispositivo garantisce che la relazione dinamica tra lo spostamento della massa di riferimento e l'accelerazione sia semplice e facile da modellare utilizzando i primi principi della fisica. In poche parole, la massa di prova e le travi di supporto sono progettate per comportarsi come una semplice molla o un oscillatore armonico. Vibra ad una frequenza compresa nel campo operativo dell'accelerometro.
Questa semplice risposta dinamica ha permesso agli scienziatiottenere un errore di misurazione basso su un'ampia gamma di frequenze di accelerazione - da 1 a 20 kilohertz - senza la necessità di calibrare il dispositivo. Questa caratteristica è unica in quanto tutti gli accelerometri commerciali devono essere calibrati, il che richiede tempo e denaro. Da quando hanno pubblicato il loro studio su Optica, i ricercatori hanno apportato numerosi miglioramenti che dovrebbero ridurre l’errore del loro dispositivo quasi all’1%.
Accelerometro ottico-meccanico in grado dirilevare spostamenti di una massa di riferimento inferiori a un centomillesimo del diametro di un atomo di idrogeno, rilevando accelerazioni fino a 32 ppb ag, dove g è l'accelerazione dovuta alla gravità terrestre. Si tratta di una sensibilità più elevata rispetto a qualsiasi accelerometro attualmente sul mercato con dimensioni e larghezza di banda simili.
Con ulteriori miglioramentiL'accelerometro optomeccanico del NIST potrebbe essere utilizzato come dispositivo di riferimento portatile ad alta precisione per calibrare altri accelerometri senza doverli portare in laboratorio.
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In ottica, un pettine di frequenza è un laseruna sorgente il cui spettro è costituito da una serie di linee di frequenza discrete, equidistanziate. Il pettine di frequenza consente la comunicazione diretta dagli standard RF alle frequenze ottiche. I moderni standard di frequenza come gli orologi atomici operano nella regione delle microonde dello spettro e un pettine di frequenza porta la precisione di tali orologi alla parte ottica dello spettro elettromagnetico.