2車線の道路を最高速度で運転しているところを想像してみてください。突然、右側に、
エアバッグが作動します速度の急激な変化を検出するセンサーである加速度計のおかげです。加速度計は、ロケットや航空機を正しい飛行軌道に保ち、また、携帯電話、タブレット、電子書籍リーダーにも組み込まれており、ユーザーが画像を裏返したときに正しく表示されますデバイス。
米国国立標準技術研究所(NIST)の研究者は、加速度計を開発しましたレーザー光線を使用します科学者たちは、小型ナビゲーションシステムやその他のデバイスでの正確な加速度測定に対する需要の高まりに応えたいと考えています。
他の加速度計も光に依存していますが、NIST機器の設計により、測定プロセスはより簡単で、より高い精度を提供します。より広い周波数範囲で、同様のデバイスよりも厳密にテストされています。
NISTオプトメカニカル加速度計は、長い定期的な校正プロセスを必要としません。実際、アプライアンスはレーザー光を使用しているため、加速度を測定するための既知の周波数は、最終的に現在市場に出回っている他の加速度計を校正するためのポータブルベンチマークとして機能し、それらをより正確にします。
また、加速度計は、軍用機、衛星、潜水艦などのミッションクリティカルなシステムにおいて、特にGPS信号が利用できない場合に、慣性航法を改善します。NISTの研究者であるJason Gorman氏、Thomas LeBrun氏、David Long氏らは、Optica誌に論文を発表している。
新しい NIST デバイスを含む加速度計、デバイス内の固定基準点に対する「基準質量」と呼ばれる自由に移動する質量の位置を追跡することにより、速度の変化を記録します。制御質量と基準点の間の距離は、加速度計が減速、加速、または方向を変えた場合にのみ変化します。あなたが車の同乗者である場合も同様です。車が停止している場合、または一定の速度で移動している場合、人とダッシュボードの間の距離は変化しません。しかし、車が急ブレーキをかけた場合、ドライバーは前方に投げ出され、人とダッシュボードとの距離は減少します。
基準質量の移動により、検出可能な質量が生成されます。信号。新しい加速度計は、赤外線を使用して、何もない空間の狭い領域をカバーする 2 つの高反射表面間の距離の変化を測定します。人間の髪の毛の 5 分の 1 の幅の柔軟なビームに吊り下げられた制御質量が、ミラー面の 1 つを支えています。もう一方の反射面は、加速度計の固定基準点として機能し、固定の微小凹面鏡で構成されています。
一緒に、2つの反射面とブランクそれらの間の空間は、所望の波長の赤外光がミラー間で共鳴または反射する空洞を形成し、強度を増加させる。撥弦楽器のピッチが楽器のフレットとブリッジの間の距離に依存するように、この波長は2つのミラー間の距離によって決定されます。ミラー間の距離を変えることにより、加速度に応じて基準質量が移動すると、共振波長も変化します。
共振長の変化を追跡するには高感度で安定した単一周波数レーザーを有する共振器波を共振器に結び付けます。科学者たちは光周波数コムを使用して、共振器の長さを高精度で測定しました。定規マーク (櫛の歯) は、等間隔の波長を持つ一連のレーザーと考えることができます。加速期間中に試験質量が移動してキャビティが短縮または延長されると、櫛歯に関連する波長がキャビティと共鳴したり共鳴から外れたりするため、反射光の強度が変化します。
制御動作を正確に変換質量を加速度に変換することは、ほとんどの既存のオプトメカニカル加速度計では問題がありました。ただし、デバイスの新しい設計により、基準質量の変位と加速度の間の動的関係がシンプルになり、物理学の第一原理を使用してモデル化するのが容易になります。簡単に言えば、テスト質量と支持ビームは、単純なバネまたは調和振動子のように動作するように設計されています。加速度計の動作範囲内の 1 つの周波数で振動します。
この単純な動的応答により、科学者はデバイスを校正することなく、1 ～ 20 kHz の幅広い加速度周波数にわたって低い測定誤差を実現します。この機能は、すべての市販の加速度計を校正する必要があるという点で独特ですが、これには時間と費用がかかります。研究結果を Optica に発表して以来、研究者らはデバイスの誤差をほぼ 1% に減らすいくつかの改善を行ってきました。
光学機械式加速度計により、水素原子の直径の 10 万分の 1 未満の基準質量の変位を検出し、最大 32 ppb ag の加速度を検出します。ここで、g は地球の重力による加速度です。これは、現在市販されている同様のサイズと帯域幅の加速度計よりも高い感度です。
さらなる改善によりNISTのオプトメカニカル加速度計は、他の加速度計をラボに持ち込むことなく校正するためのポータブルな高精度リファレンスデバイスとして使用できます。
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光学では、周波数コムはレーザーですスペクトルが一連の離散した等間隔の周波数線で構成されるソース。周波数コムにより、RF規格から光周波数への直接通信が可能になります。原子時計などの最新の周波数規格は、スペクトルのマイクロ波領域で動作し、周波数コムは、そのような時計の精度を電磁スペクトルの光学部分にもたらします。