Įsivaizduokite, kad važiuojate didžiausiu greičiu dviejų juostų keliu. Ir staiga jis pasirodo dešinėje
Oro pagalvė įjungiamaakcelerometras – jutiklis, aptinkantis staigius greičio pokyčius. Akselerometrai išlaiko raketas ir lėktuvus teisingoje skrydžio trajektorijoje ir suteikia navigaciją savarankiškai važiuojantiems automobiliams. Jie taip pat yra įmontuoti į mobiliuosius telefonus, planšetinius kompiuterius ir elektroninius skaitytuvus, kad vaizdai būtų rodomi teisingai, kai vartotojas apverčia įrenginį.
Nacionalinio instituto mokslininkaiStandartai ir technologijos (NIST) sukūrė vos milimetro storio akselerometrą. Signalui generuoti naudojama lazerio šviesa, o ne mechaninė deformacija. Mokslininkai tikisi patenkinti augantį tikslių pagreičio matavimų poreikį mažose navigacijos sistemose ir kituose įrenginiuose.
Nors kai kurie kiti akselerometrai taip patPasikliaukite šviesa, NIST prietaiso konstrukcija palengvina matavimo procesą ir užtikrina didesnį tikslumą. Be to, jis veikia platesniame dažnių diapazone ir buvo išbandytas griežčiau nei panašūs įrenginiai.
NIST prietaisas – optomechaninis akselerometrasnereikalauja ilgo periodinio kalibravimo proceso. Tiesą sakant, kadangi prietaisas naudoja žinomo dažnio lazerio šviesą pagreičiui matuoti, jis galiausiai galėtų būti naudojamas kaip nešiojamasis etalonas kalibruojant kitus šiuo metu rinkoje esančius akselerometrus, kad jie būtų tikslesni.
Akselerometras taip pat pagerins inercinę navigacijąsvarbiose sistemose, tokiose kaip kariniai orlaiviai, palydovai ir povandeniniai laivai, ypač kai nėra GPS signalo. NIST tyrinėtojai Jasonas Gormanas, Thomas LeBrunas, Davidas Longas ir jų kolegos aprašė savo darbą žurnale Optica.
Akselerometrai, įskaitant naują NIST įrenginį,registruokite greičio pokyčius, stebėdami laisvai judančios masės, vadinamos „atskaitine mase“, padėtį, palyginti su fiksuotu atskaitos tašku įrenginio viduje. Atstumas tarp etaloninės masės ir atskaitos taško keičiasi tik tada, kai akselerometras sulėtėja, įsibėgėja arba keičia kryptį. Tas pats pasakytina, jei esate automobilio keleivis. Jei automobilis stovi arba važiuoja pastoviu greičiu, atstumas tarp žmogaus ir prietaisų skydelio nesikeičia. Bet jei automobilis staiga stabdo, vairuotojas sviedžiamas į priekį ir atstumas tarp žmogaus ir prietaisų skydelio sumažėja.
Etaloninės masės judėjimas sukuria aptinkamąsignalas. Naujasis akselerometras naudoja infraraudonąją šviesą, kad išmatuotų atstumo pokytį tarp dviejų labai atspindinčių paviršių, apimančių nedidelį tuščios erdvės plotą. Kontrolinė masė, pakabinta ant lanksčių sijų, kurių plotis yra penktadalis žmogaus plauko pločio, palaiko vieną iš veidrodinių paviršių. Kitas atspindintis paviršius, kuris yra fiksuotas akselerometro atskaitos taškas, susideda iš fiksuoto mikroįgaubto veidrodžio.
Kartu du atspindintys paviršiai ir ruošinystarpas tarp jų sudaro ertmę, kurioje norimo bangos ilgio infraraudonoji šviesa rezonuoja arba atsispindi tarp veidrodžių, didindama intensyvumą. Šis bangos ilgis nustatomas pagal atstumą tarp dviejų veidrodžių, kaip ir nupeštos gitaros aukštis priklauso nuo atstumo tarp instrumento fret ir tilto. Jei etaloninė masė juda reaguojant į pagreitį, keičiant atstumą tarp veidrodžių, keičiasi ir rezonansinis bangos ilgis.
Stebėti rezonansinio ilgio pokyčiusprie rezonatoriaus pririšamos didelio jautrumo rezonatoriaus bangos, stabilus vieno dažnio lazeris. Mokslininkai naudojo optinio dažnio šukas, kad dideliu tikslumu išmatuotų rezonatoriaus ilgį. Liniuotės žymės (šukos dantys) gali būti laikomos lazerių serija su vienodais bangos ilgiais. Bandomajai masei judant pagreičio laikotarpiu, trumpindama arba pailgindama ertmę, atsispindinčios šviesos intensyvumas kinta, kai bangos ilgiai, susiję su šukos dantimis, juda į rezonansą su ertme ir iš jo išeina.
Tikslus valdymo judesio konvertavimasmasės pagreičio pavertimas buvo problemiškas daugelyje esamų optomechaninių akselerometrų. Tačiau naujoji įrenginio konstrukcija užtikrina, kad dinaminis ryšys tarp etaloninės masės poslinkio ir pagreičio būtų paprastas ir lengvai modeliuojamas remiantis pirmaisiais fizikos principais. Paprasčiau tariant, bandomoji masė ir atraminės sijos yra sukurtos taip, kad veiktų kaip paprastas spyruoklinis arba harmoninis osciliatorius. Jis vibruoja vienu dažniu akselerometro veikimo diapazone.
Šis paprastas dinaminis atsakas leido mokslininkamspasiekti mažą matavimo paklaidą plačiame pagreičio dažnių diapazone – nuo 1 iki 20 kilohercų – nekalibruojant įrenginio. Ši savybė išskirtinė tuo, kad visi komerciniai akselerometrai turi būti sukalibruoti, o tai užima daug laiko ir kainuoja brangiai. Paskelbę savo tyrimą „Optica“, mokslininkai padarė keletą patobulinimų, kurie turėtų sumažinti jų įrenginio paklaidą iki beveik 1%.
Optinis-mechaninis akselerometras, galintisaptikti etaloninės masės poslinkius, kurie yra mažesni nei viena šimta tūkstantoji vandenilio atomo skersmens, aptikti pagreičius iki 32 ppb ag, kur g yra pagreitis dėl Žemės gravitacijos. Tai didesnis jautrumas nei bet kuris šiuo metu rinkoje esantis panašaus dydžio ir pralaidumo akselerometras.
Su tolesniais patobulinimaisNIST optomechaninis akselerometras gali būti naudojamas kaip nešiojamas didelio tikslumo etaloninis įtaisas, skirtas kalibruoti kitus akselerometrus, neatvežant jų į laboratoriją.
Skaityti daugiau
Fizikai sukūrė juodosios skylės analogą ir patvirtino Hawkingo teoriją. Kur jis veda?
Algoritmas atrado naują paslaptingą sluoksnį Žemės viduje
Dėl Saulės Žemės atmosfera praras visą laisvą deguonį
Optikoje dažnio šukos yra lazerisšaltinis, kurio spektrą sudaro diskrečių, vienodo atstumo dažnių linijų serija. Dažnio šukos leidžia tiesiogiai bendrauti nuo RF standartų iki optinių dažnių. Šiuolaikiniai dažnių standartai, tokie kaip atominiai laikrodžiai, veikia spektro mikrobangų srityje, o dažnio šukos suteikia tokių laikrodžių tikslumą optinei elektromagnetinio spektro daliai.