Stel je voor dat je met topsnelheid over een tweebaansweg rijdt. En plotseling verschijnt het aan de rechterkant
De airbag wordt geactiveerd dooraccelerometer - een sensor die plotselinge snelheidsveranderingen detecteert. Versnellingsmeters houden raketten en vliegtuigen op de juiste vliegroute en zorgen voor navigatie voor zelfrijdende auto's. Ze zijn ook ingebouwd in mobiele telefoons, tablets en e-readers om afbeeldingen correct weer te geven wanneer de gebruiker het apparaat omdraait.
Onderzoekers van het Nationaal InstituutStandards and Technologies (NIST) hebben een versnellingsmeter ontwikkeld van slechts een millimeter dik. Het maakt gebruik van laserlicht in plaats van mechanische vervorming om een signaal te genereren. Wetenschappers hopen tegemoet te komen aan de groeiende vraag naar nauwkeurige versnellingsmetingen in kleine navigatiesystemen en andere apparaten.
Hoewel sommige andere versnellingsmeters ookvertrouwen op licht, maakt het ontwerp van het NIST-instrument het meetproces eenvoudiger en biedt het een grotere nauwkeurigheid. Bovendien werkt het over een breder frequentiebereik en heeft het strengere tests ondergaan dan vergelijkbare apparaten.
NIST-apparaat - optomechanische versnellingsmetervereist geen langdurig periodiek kalibratieproces. Omdat het instrument laserlicht met een bekende frequentie gebruikt om de versnelling te meten, zou het uiteindelijk kunnen dienen als een draagbare referentie voor het kalibreren van andere versnellingsmeters die momenteel op de markt zijn, waardoor ze nauwkeuriger worden.
De versnellingsmeter zal ook de traagheidsnavigatie verbeterenin kritieke systemen zoals militaire vliegtuigen, satellieten en onderzeeërs, vooral wanneer er geen GPS-signaal beschikbaar is. NIST-onderzoekers Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long en hun collega's beschreven hun werk in het tijdschrift Optica.
Accelerometers, inclusief het nieuwe NIST-apparaat,snelheidsveranderingen registreren door de positie van een vrij bewegende massa, een zogenaamde ‘referentiemassa’, te volgen ten opzichte van een vast referentiepunt in het apparaat. De afstand tussen de referentiemassa en het referentiepunt verandert alleen als de versnellingsmeter vertraagt, versnelt of van richting verandert. Hetzelfde geldt als u passagier bent in een auto. Als de auto stilstaat of met een constante snelheid rijdt, blijft de afstand tussen de persoon en het dashboard ongewijzigd. Maar als de auto plotseling remt, wordt de bestuurder naar voren geslingerd en wordt de afstand tussen de persoon en het dashboard kleiner.
De beweging van de referentiemassa creëert een detecteerbaarsignaal. De nieuwe versnellingsmeter gebruikt infraroodlicht om de verandering in afstand te meten tussen twee sterk reflecterende oppervlakken die een klein gebied met lege ruimte bestrijken. Een controlemassa, opgehangen aan flexibele balken die een vijfde van de breedte van een mensenhaar hebben, ondersteunt een van de spiegeloppervlakken. Het andere reflecterende oppervlak, dat dient als vast referentiepunt voor de versnellingsmeter, bestaat uit een vaste microconcave spiegel.
Samen twee reflecterende oppervlakken en een blancode ruimte ertussen vormt een holte waarin infrarood licht van de gewenste golflengte resoneert of weerkaatst tussen de spiegels, waardoor de intensiteit toeneemt. Deze golflengte wordt bepaald door de afstand tussen de twee spiegels, net zoals de toonhoogte van een tokkelende gitaar afhangt van de afstand tussen de fret van het instrument en de brug. Als de referentiemassa beweegt als reactie op versnelling door de afstand tussen de spiegels te veranderen, verandert ook de resonantiegolflengte.
Om veranderingen in resonantielengte te volgenresonatorgolven met een hoge gevoeligheid, stabiele laser met enkele frequentie zijn aan de resonator gebonden. De wetenschappers gebruikten een optische frequentiekam om de lengte van de resonator met hoge nauwkeurigheid te meten. De liniaalmarkeringen (kammanden) kunnen worden gezien als een reeks lasers met gelijkmatig verdeelde golflengten. Terwijl de testmassa beweegt tijdens de versnellingsperiode, waardoor de holte korter of langer wordt, verandert de intensiteit van het gereflecteerde licht naarmate de golflengten die bij de kamtanden horen, in en uit resonantie met de holte bewegen.
Nauwkeurige conversie van stuurbewegingenmassa in versnelling is problematisch geweest bij de meeste bestaande optomechanische versnellingsmeters. Het nieuwe ontwerp van het apparaat zorgt er echter voor dat de dynamische relatie tussen referentiemassaverplaatsing en versnelling eenvoudig en gemakkelijk te modelleren is met behulp van de eerste natuurkundige principes. Simpel gezegd zijn de testmassa en de steunbalken ontworpen om zich te gedragen als een eenvoudige veer of harmonische oscillator. Het trilt op één frequentie binnen het werkbereik van de versnellingsmeter.
Deze eenvoudige dynamische reactie maakte wetenschappers mogelijkbereik een lage meetfout over een breed bereik aan versnellingsfrequenties - van 1 tot 20 kilohertz - zonder dat het apparaat hoeft te worden gekalibreerd. Deze eigenschap is uniek omdat alle commerciële versnellingsmeters moeten worden gekalibreerd, wat tijdrovend en duur is. Sinds de publicatie van hun onderzoek in Optica hebben de onderzoekers verschillende verbeteringen aangebracht die de fout van hun apparaat tot bijna 1% moeten terugbrengen.
Optisch-mechanische versnellingsmeter geschikt voorverplaatsingen van een referentiemassa detecteren die minder dan een honderdduizendste van de diameter van een waterstofatoom zijn, waarbij versnellingen tot 32 ppb ag worden gedetecteerd, waarbij g de versnelling is als gevolg van de zwaartekracht van de aarde. Dit is een hogere gevoeligheid dan welke versnellingsmeter dan ook die momenteel op de markt is en van vergelijkbare grootte en bandbreedte is.
Met verdere verbeteringenDe optomechanische versnellingsmeter van NIST zou kunnen worden gebruikt als een draagbaar referentieapparaat met hoge precisie om andere versnellingsmeters te kalibreren zonder ze naar het laboratorium te hoeven brengen.
Lees verder
Natuurkundigen hebben een analoog van een zwart gat gemaakt en de theorie van Hawking bevestigd. Waar leidt het toe?
Algoritme heeft een nieuwe mysterieuze laag in de aarde ontdekt
Door de zon verliest de atmosfeer van de aarde alle vrije zuurstof
In de optica is een frequentiekam een lasereen bron waarvan het spectrum bestaat uit een reeks discrete, gelijkmatig verdeelde frequentielijnen. De frequentiekam maakt directe communicatie mogelijk van RF-standaarden naar optische frequenties. Moderne frequentiestandaarden zoals atoomklokken werken in het microgolfgebied van het spectrum, en de frequentiekam brengt de precisie van dergelijke klokken naar het optische deel van het elektromagnetische spectrum.