Tenk deg at du kjører i toppfart på en tofelts vei. Og plutselig dukker den opp til høyre
Kollisjonsputen aktiveres avakselerometer - en sensor som oppdager plutselige endringer i hastighet. Akselerometre holder raketter og fly på riktig flyvei og gir navigasjon for selvkjørende biler. De er også innebygd i mobiltelefoner, nettbrett og e-lesere for å vise bilder riktig når brukeren snur enheten.
Forskere fra Nasjonalt instituttStandards and Technologies (NIST) har utviklet et akselerometer bare en millimeter tykt. Den bruker laserlys i stedet for mekanisk deformasjon for å generere et signal. Forskere håper å møte den økende etterspørselen etter nøyaktige akselerasjonsmålinger i små navigasjonssystemer og andre enheter.
Selv om noen andre akselerometre ogsåstole på lys, gjør NIST-instrumentets design måleprosessen enklere samtidig som den gir større nøyaktighet. I tillegg opererer den over et bredere frekvensområde og har gjennomgått strengere testing enn tilsvarende enheter.
NIST-enhet - optomekanisk akselerometerkrever ikke en langvarig periodisk kalibreringsprosess. Faktisk, fordi instrumentet bruker laserlys med en kjent frekvens for å måle akselerasjon, kan det til slutt tjene som en bærbar referanse for å kalibrere andre akselerometre som er på markedet, og gjøre dem mer nøyaktige.
Akselerometeret vil også forbedre treghetsnavigasjoneni kritiske systemer som militære fly, satellitter og ubåter, spesielt når GPS-signalet ikke er tilgjengelig. NIST-forskerne Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long og deres kolleger beskrev arbeidet deres i tidsskriftet Optica.
Akselerometre, inkludert den nye NIST-enheten,registrere endringer i hastighet ved å spore posisjonen til en fritt bevegelig masse, kalt en "referansemasse," i forhold til et fast referansepunkt inne i enheten. Avstanden mellom referansemassen og referansepunktet endres bare hvis akselerometeret bremser ned, akselererer eller endrer retning. Det samme gjelder hvis du er passasjer i en bil. Hvis bilen står stille eller beveger seg med konstant hastighet, forblir avstanden mellom personen og dashbordet uendret. Men hvis bilen plutselig bremser, kastes sjåføren fremover og avstanden mellom personen og dashbordet reduseres.
Bevegelsen av referansemassen skaper en detekterbarsignal. Det nye akselerometeret bruker infrarødt lys for å måle avstandsendringen mellom to sterkt reflekterende overflater som dekker et lite område med tomt rom. En kontrollmasse opphengt på fleksible bjelker en femtedel av bredden til et menneskehår støtter en av speilflatene. Den andre reflekterende overflaten, som fungerer som et fast referansepunkt for akselerometeret, består av et fast mikrokonkavt speil.
Sammen to reflekterende overflater og et blanktrommet mellom dem danner et hulrom der infrarødt lys med ønsket bølgelengde resonerer eller reflekterer mellom speilene, og øker intensiteten. Denne bølgelengden bestemmes av avstanden mellom de to speilene, akkurat som tonehøyden til en plukket gitar avhenger av avstanden mellom instrumentets bånd og broen. Hvis referansemassen beveger seg som respons på akselerasjon ved å endre avstanden mellom speilene, endres også resonansbølgelengden.
For å spore endringer i resonanslengderesonatorbølger med høy følsomhet, stabil enkeltfrekvenslaser er knyttet til resonatoren. Forskerne brukte en optisk frekvenskam for å måle lengden på resonatoren med høy nøyaktighet. Linjalmerkene (kamtennene) kan betraktes som en serie lasere med like store bølgelengder. Når testmassen beveger seg i løpet av akselerasjonsperioden, forkorter eller forlenger hulrommet, endres intensiteten til det reflekterte lyset ettersom bølgelengdene knyttet til kamtennene beveger seg inn og ut av resonans med hulrommet.
Nøyaktig konvertering av kontrollbevegelsemasse til akselerasjon har vært problematisk i de fleste eksisterende optomekaniske akselerometre. Den nye utformingen av enheten sikrer imidlertid at det dynamiske forholdet mellom referansemasseforskyvning og akselerasjon er enkelt og lett å modellere ved å bruke fysikkens første prinsipper. Enkelt sagt er testmassen og støttebjelkene designet for å oppføre seg som en enkel fjær eller harmonisk oscillator. Den vibrerer med én frekvens innenfor akselerometerets driftsområde.
Denne enkle dynamiske responsen tillot forskereoppnå lav målefeil over et bredt spekter av akselerasjonsfrekvenser - fra 1 til 20 kilohertz - uten behov for å kalibrere enheten. Denne funksjonen er unik ved at alle kommersielle akselerometre må kalibreres, noe som er tidkrevende og dyrt. Siden de publiserte studien i Optica, har forskerne gjort flere forbedringer som skal redusere feilen på enheten deres til nesten 1 %.
Optisk-mekanisk akselerometer i stand tiloppdage forskyvninger av en referansemasse som er mindre enn en hundretusendel av diameteren til et hydrogenatom, og detekterer akselerasjoner på opptil 32 ppb ag, der g er akselerasjonen på grunn av jordens tyngdekraft. Dette er høyere følsomhet enn noe akselerometer som for tiden er på markedet med tilsvarende størrelse og båndbredde.
Med ytterligere forbedringerNISTs optomekaniske akselerometer kunne brukes som en bærbar referanseenhet med høy presisjon for å kalibrere andre akselerometre uten å måtte bringe dem til laboratoriet.
Les mer
Fysikere har laget en analog av et svart hull og bekreftet Hawkings teori. Hvor det fører?
Algoritme har oppdaget et nytt mystisk lag på jorden
På grunn av solen vil jordens atmosfære miste alt gratis oksygen
I optikk er en frekvenskam en laseren kilde hvis spektrum består av en serie diskrete, like fordelte frekvenslinjer. Frekvens kam tillater direkte kommunikasjon fra RF standarder til optiske frekvenser. Moderne frekvensstandarder som atomur fungerer i mikrobølgeovnområdet i spekteret, og frekvenskammen bringer presisjonen til slike klokker til den optiske delen av det elektromagnetiske spekteret.