Imagine que você está dirigindo em alta velocidade em uma estrada de duas pistas. E de repente aparece à direita
O airbag é ativado poracelerômetro - um sensor que detecta mudanças repentinas de velocidade. Os acelerômetros mantêm foguetes e aviões na trajetória de voo correta e fornecem navegação para carros autônomos. Eles também estão integrados em celulares, tablets e leitores eletrônicos para exibir imagens corretamente quando o usuário vira o aparelho.
Pesquisadores do Instituto NacionalA Standards and Technologies (NIST) desenvolveu um acelerômetro com apenas um milímetro de espessura. Ele usa luz laser em vez de deformação mecânica para gerar um sinal. Os cientistas esperam atender à crescente demanda por medições precisas de aceleração em pequenos sistemas de navegação e outros dispositivos.
Embora alguns outros acelerômetros tambémdependem da luz, o design do instrumento NIST facilita o processo de medição, ao mesmo tempo que proporciona maior precisão. Além disso, ele opera em uma faixa de frequência mais ampla e foi submetido a testes mais rigorosos do que dispositivos similares.
Dispositivo NIST - acelerômetro optomecâniconão requer um longo processo de calibração periódica. Na verdade, como o instrumento utiliza luz laser de frequência conhecida para medir a aceleração, ele poderia servir como referência portátil para calibrar outros acelerômetros atualmente no mercado, tornando-os mais precisos.
O acelerômetro também melhorará a navegação inercialem sistemas críticos como aeronaves militares, satélites e submarinos, especialmente quando o sinal GPS não está disponível. Os pesquisadores do NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long e seus colegas descreveram seu trabalho na revista Optica.
Acelerômetros, incluindo o novo dispositivo NIST,registre mudanças na velocidade rastreando a posição de uma massa em movimento livre, chamada de “massa de referência”, em relação a um ponto de referência fixo dentro do dispositivo. A distância entre a massa de referência e o ponto de referência muda apenas se o acelerômetro desacelerar, acelerar ou mudar de direção. O mesmo se aplica se você for passageiro de um carro. Se o carro estiver parado ou se movendo em velocidade constante, a distância entre a pessoa e o painel permanece inalterada. Mas se o carro frear repentinamente, o motorista é jogado para frente e a distância entre a pessoa e o painel diminui.
O movimento da massa de referência cria um sinal detectávelsinal. O novo acelerômetro usa luz infravermelha para medir a mudança na distância entre duas superfícies altamente refletivas que cobrem uma pequena área de espaço vazio. Uma massa de controle suspensa em vigas flexíveis com um quinto da largura de um fio de cabelo humano sustenta uma das superfícies espelhadas. A outra superfície reflexiva, que serve como ponto de referência fixo para o acelerômetro, consiste em um espelho microcôncavo fixo.
Juntas, duas superfícies reflexivas e um espaço em brancoo espaço entre eles forma uma cavidade na qual a luz infravermelha do comprimento de onda desejado ressoa ou reflete entre os espelhos, aumentando a intensidade. Esse comprimento de onda é determinado pela distância entre os dois espelhos, assim como a altura de uma guitarra dedilhada depende da distância entre o traste do instrumento e a ponte. Se a massa de referência se move em resposta à aceleração, alterando a distância entre os espelhos, o comprimento de onda ressonante também muda.
Para rastrear alterações no comprimento ressonanteondas ressonadoras com alta sensibilidade, laser estável de frequência única estão ligadas ao ressonador. Os cientistas usaram um pente de frequência óptica para medir o comprimento do ressonador com alta precisão. As marcas da régua (dentes do pente) podem ser consideradas como uma série de lasers com comprimentos de onda igualmente espaçados. À medida que a massa de teste se move durante o período de aceleração, encurtando ou alongando a cavidade, a intensidade da luz refletida muda à medida que os comprimentos de onda associados aos dentes do pente entram e saem de ressonância com a cavidade.
Conversão precisa do movimento de controlemassa em aceleração tem sido problemática na maioria dos acelerômetros optomecânicos existentes. No entanto, o novo design do dispositivo garante que a relação dinâmica entre o deslocamento da massa de referência e a aceleração seja simples e fácil de modelar usando os primeiros princípios da física. Simplificando, a massa de teste e as vigas de suporte são projetadas para se comportar como uma simples mola ou oscilador harmônico. Ele vibra em uma frequência dentro da faixa operacional do acelerômetro.
Esta resposta dinâmica simples permitiu aos cientistasobtenha baixo erro de medição em uma ampla faixa de frequências de aceleração - de 1 a 20 quilohertz - sem a necessidade de calibrar o dispositivo. Este recurso é único porque todos os acelerômetros comerciais devem ser calibrados, o que é demorado e caro. Desde a publicação do estudo na Optica, os pesquisadores fizeram diversas melhorias que devem reduzir o erro do seu dispositivo para quase 1%.
Acelerômetro óptico-mecânico capaz dedetectar deslocamentos de uma massa de referência inferior a cem milésimos do diâmetro de um átomo de hidrogênio, detectando acelerações de até 32 ppb ag, onde g é a aceleração devida à gravidade da Terra. Esta é uma sensibilidade mais alta do que qualquer acelerômetro atualmente no mercado de tamanho e largura de banda semelhantes.
Com mais melhoriasO acelerômetro optomecânico do NIST pode ser usado como um dispositivo portátil de referência de alta precisão para calibrar outros acelerômetros sem ter que levá-los ao laboratório.
Consulte Mais informação
Os físicos criaram um análogo de um buraco negro e confirmaram a teoria de Hawking. Para onde isso leva?
Algoritmo descobriu uma nova camada misteriosa dentro da Terra
Por causa do Sol, a atmosfera da Terra perderá todo o oxigênio livre
Em óptica, um pente de frequência é um laseruma fonte cujo espectro consiste em uma série de linhas de frequência discretas e igualmente espaçadas. O pente de frequência permite a comunicação direta de padrões de RF para frequências ópticas. Padrões de frequência modernos, como relógios atômicos, operam na região de microondas do espectro, e o pente de frequência traz a precisão de tais relógios para a parte óptica do espectro eletromagnético.