Wyobraź sobie, że jedziesz z maksymalną prędkością po dwupasmowej drodze. I nagle pojawia się po prawej stronie
Poduszka powietrzna jest aktywowana przezakcelerometr – czujnik wykrywający nagłe zmiany prędkości. Akcelerometry utrzymują rakiety i samoloty na właściwym torze lotu i zapewniają nawigację samochodom autonomicznym. Są również wbudowane w telefony komórkowe, tablety i czytniki e-booków, aby poprawnie wyświetlać obrazy po obróceniu urządzenia przez użytkownika.
Naukowcy z Narodowego InstytutuStandards and Technologies (NIST) opracowało akcelerometr o grubości zaledwie milimetra. Do generowania sygnału wykorzystuje światło lasera zamiast odkształcenia mechanicznego. Naukowcy mają nadzieję zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na dokładne pomiary przyspieszenia w małych systemach nawigacyjnych i innych urządzeniach.
Chociaż niektóre inne akcelerometry równieżpolegają na świetle, konstrukcja instrumentu NIST ułatwia proces pomiaru, zapewniając jednocześnie większą dokładność. Ponadto działa w szerszym zakresie częstotliwości i przeszedł bardziej rygorystyczne testy niż podobne urządzenia.
Urządzenie NIST - akcelerometr optomechanicznynie wymaga długiego, okresowego procesu kalibracji. W rzeczywistości, ponieważ przyrząd do pomiaru przyspieszenia wykorzystuje światło lasera o znanej częstotliwości, ostatecznie mógłby służyć jako przenośny punkt odniesienia do kalibracji innych akcelerometrów dostępnych obecnie na rynku, zwiększając ich dokładność.
Akcelerometr usprawni także nawigację inercyjnąw systemach krytycznych, takich jak samoloty wojskowe, satelity i łodzie podwodne, zwłaszcza gdy sygnał GPS nie jest dostępny. Badacze NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long i ich współpracownicy opisali swoją pracę w czasopiśmie Optica.
Akcelerometry, w tym nowe urządzenie NIST,rejestruje zmiany prędkości, śledząc położenie swobodnie poruszającej się masy, zwanej „masą odniesienia”, względem stałego punktu odniesienia wewnątrz urządzenia. Odległość między masą kontrolną a punktem kontrolnym zmienia się tylko wtedy, gdy akcelerometr zwalnia, przyspiesza lub zmienia kierunek. To samo dotyczy sytuacji, gdy jesteś pasażerem w samochodzie. Jeśli samochód stoi lub porusza się ze stałą prędkością, odległość między osobą a deską rozdzielczą pozostaje niezmieniona. Ale jeśli samochód nagle zahamuje, kierowca zostanie wyrzucony do przodu, a odległość między osobą a deską rozdzielczą maleje.
Ruch masy odniesienia tworzy wykrywalnysygnał. Nowy akcelerometr wykorzystuje światło podczerwone do pomiaru zmiany odległości między dwiema silnie odblaskowymi powierzchniami, które pokrywają niewielki obszar pustej przestrzeni. Masa kontrolna zawieszona na elastycznych belkach o szerokości jednej piątej ludzkiego włosa podtrzymuje jedną z powierzchni luster. Drugą powierzchnię odbijającą, która służy jako stały punkt odniesienia dla akcelerometru, stanowi nieruchome lustro mikrowklęsłe.
Razem dwie odblaskowe powierzchnie i półfabrykatprzestrzeń między nimi tworzy wnękę, w której światło podczerwone o żądanej długości fali rezonuje lub odbija się między zwierciadłami, zwiększając intensywność. Ta długość fali jest określana przez odległość między dwoma zwierciadłami, podobnie jak wysokość szarpanej gitary zależy od odległości między progiem instrumentu a mostkiem. Jeżeli masa odniesienia porusza się w odpowiedzi na przyspieszenie poprzez zmianę odległości między zwierciadłami, zmienia się również rezonansowa długość fali.
Aby śledzić zmiany długości rezonansowejFale rezonatorowe o wysokiej czułości, do rezonatora podłączony jest stabilny laser o pojedynczej częstotliwości. Naukowcy wykorzystali optyczny grzebień częstotliwości do zmierzenia długości rezonatora z dużą dokładnością. Linijki (zęby grzebienia) można traktować jako serię laserów o jednakowo rozmieszczonych długościach fal. W miarę jak masa testowa porusza się w okresie przyspieszania, skracając lub wydłużając wnękę, intensywność odbitego światła zmienia się w miarę wchodzenia i wychodzenia z rezonansu z wnęką oraz długości fal związanych z zębami grzebienia.
Dokładna konwersja ruchu sterującegoprzekształcanie masy w przyspieszenie było problematyczne w większości istniejących akcelerometrów optomechanicznych. Jednakże nowa konstrukcja urządzenia zapewnia, że dynamiczna zależność pomiędzy przemieszczeniem masy odniesienia a przyspieszeniem jest prosta i łatwa do modelowania z wykorzystaniem pierwszych zasad fizyki. Mówiąc najprościej, masa testowa i belki nośne zaprojektowano tak, aby zachowywały się jak zwykły oscylator sprężynowy lub harmoniczny. Wibruje z jedną częstotliwością w zakresie działania akcelerometru.
Ta prosta, dynamiczna reakcja umożliwiła naukowcomosiągnąć niski błąd pomiaru w szerokim zakresie częstotliwości przyspieszania – od 1 do 20 kiloherców – bez konieczności kalibracji urządzenia. Ta funkcja jest wyjątkowa, ponieważ wszystkie komercyjne akcelerometry muszą zostać skalibrowane, co jest czasochłonne i kosztowne. Od czasu opublikowania badania w Optica naukowcy wprowadzili kilka ulepszeń, które powinny zmniejszyć błąd ich urządzenia do prawie 1%.
Akcelerometr optyczno-mechaniczny zdolny dowykrywać przemieszczenia masy odniesienia mniejsze niż sto tysięczna średnicy atomu wodoru, wykrywając przyspieszenia do 32 ppb ag, gdzie g jest przyspieszeniem ziemskim. Jest to wyższa czułość niż jakikolwiek inny akcelerometr dostępny obecnie na rynku o podobnej wielkości i przepustowości.
Z dalszymi ulepszeniamiAkcelerometr optomechaniczny NIST może być używany jako przenośne, precyzyjne urządzenie referencyjne do kalibracji innych przyspieszeniomierzy bez konieczności zabierania ich do laboratorium.
Czytaj więcej
Fizycy stworzyli analogię czarnej dziury i potwierdzili teorię Hawkinga. Dokąd to prowadzi?
Algorytm odkrył nową tajemniczą warstwę wewnątrz Ziemi
Z powodu Słońca atmosfera ziemska utraci cały wolny tlen
W optyce grzebień częstotliwości to laserźródło, którego widmo składa się z szeregu dyskretnych, równo rozmieszczonych linii częstotliwości. Grzebień częstotliwości umożliwia bezpośrednią komunikację ze standardów RF na częstotliwości optyczne. Nowoczesne wzorce częstotliwości, takie jak zegary atomowe, działają w mikrofalowym obszarze widma, a grzebień częstotliwości przenosi precyzję takich zegarów do optycznej części widma elektromagnetycznego.