Imaginează-ți că conduci cu viteză maximă pe un drum cu două benzi. Și deodată apare în dreapta
Airbag-ul este activat deaccelerometru - un senzor care detectează schimbări bruște de viteză. Accelerometrele mențin rachetele și avioanele pe calea corectă de zbor și oferă navigație pentru mașinile care se conduc singure. De asemenea, sunt încorporate în telefoanele mobile, tablete și cititoare electronice pentru a afișa corect imaginile atunci când utilizatorul întoarce dispozitivul.
Cercetători de la Institutul NaționalStandardele și tehnologiile (NIST) au dezvoltat un accelerometru gros de doar un milimetru. Folosește lumina laser în loc de deformare mecanică pentru a genera un semnal. Oamenii de știință speră să răspundă cererii tot mai mari de măsurători precise de accelerație în sistemele de navigație mici și alte dispozitive.
Deși și alte accelerometrebazându-se pe lumină, designul instrumentului NIST face procesul de măsurare mai ușor, oferind în același timp o precizie mai mare. În plus, funcționează pe o gamă de frecvență mai largă și a fost supus unor teste mai stricte decât dispozitivele similare.
Dispozitiv NIST - accelerometru optomecanicnu necesită un proces de calibrare periodic îndelungat. De fapt, deoarece instrumentul folosește lumină laser de o frecvență cunoscută pentru a măsura accelerația, ar putea servi în cele din urmă ca referință portabilă pentru calibrarea altor accelerometre aflate în prezent pe piață, făcându-le mai precise.
Accelerometrul va îmbunătăți, de asemenea, navigația inerțialăîn sisteme critice, cum ar fi avioanele militare, sateliții și submarinele, mai ales când semnalul GPS nu este disponibil. Cercetătorii NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long și colegii lor și-au descris munca în revista Optica.
Accelerometre, inclusiv noul dispozitiv NIST,înregistrați modificările de viteză urmărind poziția unei mase care se mișcă liber, numită „masă de referință”, în raport cu un punct de referință fix din interiorul dispozitivului. Distanța dintre masa de referință și punctul de referință se modifică numai dacă accelerometrul încetinește, accelerează sau își schimbă direcția. Același lucru este valabil și dacă ești pasager într-o mașină. Dacă mașina staționează sau se mișcă cu o viteză constantă, distanța dintre persoană și bord rămâne neschimbată. Dar dacă mașina frânează brusc, șoferul este aruncat înainte și distanța dintre persoană și bord scade.
Mișcarea masei de referință creează un detectabilsemnal. Noul accelerometru folosește lumina infraroșie pentru a măsura modificarea distanței dintre două suprafețe foarte reflectorizante care acoperă o zonă mică de spațiu gol. O masă de control suspendată pe grinzi flexibile de o cincime din lățimea unui păr uman susține una dintre suprafețele oglinzii. Cealaltă suprafață reflectorizantă, care servește ca punct de referință fix pentru accelerometru, constă dintr-o oglindă microconcavă fixă.
Împreună, două suprafețe reflectorizante și un martorspațiul dintre ele formează o cavitate în care lumina infraroșie a lungimii de undă dorită rezonează sau se reflectă între oglinzi, crescând intensitatea. Această lungime de undă este determinată de distanța dintre cele două oglinzi, la fel cum înălțimea unei chitare smulse depinde de distanța dintre fretul instrumentului și pod. Dacă masa de referință se mișcă ca răspuns la accelerație prin schimbarea distanței dintre oglinzi, se schimbă și lungimea de undă rezonantă.
Pentru a urmări modificările în lungimea rezonanțeiunde rezonatorului cu sensibilitate ridicată, laser stabil cu o singură frecvență este legat de rezonator. Oamenii de știință au folosit un pieptene de frecvență optică pentru a măsura lungimea rezonatorului cu mare precizie. Semnele riglei (dinții pieptenilor) pot fi gândite ca o serie de lasere cu lungimi de undă egal distanțate. Pe măsură ce masa de testare se mișcă în timpul perioadei de accelerare, scurtând sau prelungind cavitatea, intensitatea luminii reflectate se modifică pe măsură ce lungimile de undă asociate cu dinții pieptenelor se deplasează în și în afara rezonanței cu cavitatea.
Conversie precisă a mișcării de controlmasa în accelerație a fost problematică în majoritatea accelerometrelor optomecanice existente. Cu toate acestea, noul design al dispozitivului asigură că relația dinamică dintre deplasarea masei de referință și accelerație este simplă și ușor de modelat folosind primele principii ale fizicii. Mai simplu spus, masa de testare și grinzile de susținere sunt proiectate să se comporte ca un simplu arc sau un oscilator armonic. Vibrează la o frecvență în intervalul de funcționare al accelerometrului.
Acest răspuns dinamic simplu a permis oamenilor de științăobțineți o eroare scăzută de măsurare pe o gamă largă de frecvențe de accelerație - de la 1 la 20 kiloherți - fără a fi nevoie de calibrarea dispozitivului. Această caracteristică este unică prin faptul că toate accelerometrele comerciale trebuie calibrate, ceea ce necesită mult timp și este costisitor. De la publicarea studiului lor în Optica, cercetătorii au adus câteva îmbunătățiri care ar trebui să reducă eroarea dispozitivului lor la aproape 1%.
Accelerometru optic-mecanic capabil dedetectează deplasări ale unei mase de referință care sunt mai mici de o sută de miimi din diametrul unui atom de hidrogen, detectând accelerații de până la 32 ppb ag, unde g este accelerația datorată gravitației Pământului. Aceasta este o sensibilitate mai mare decât orice accelerometru de pe piață, cu dimensiuni și lățime de bandă similare.
Cu îmbunătățiri suplimentareAccelerometrul optomecanic al NIST ar putea fi folosit ca dispozitiv portabil de referință de înaltă precizie pentru calibrarea altor accelerometre fără a fi nevoie să le aducă la laborator.
Citeste mai mult
Fizicienii au creat un analog al unei găuri negre și au confirmat teoria lui Hawking. Unde duce?
Algoritmul a descoperit un nou strat misterios în interiorul Pământului
Din cauza Soarelui, atmosfera Pământului va pierde tot oxigenul liber
În optică, un pieptene de frecvență este un lasero sursă al cărei spectru constă dintr-o serie de linii de frecvență discrete, la fel de distanțate. Combinația de frecvență permite comunicarea directă de la standardele RF la frecvențele optice. Standardele moderne de frecvență, cum ar fi ceasurile atomice, funcționează în regiunea cu microunde a spectrului, iar un pieptene de frecvență aduce precizia acestor ceasuri în partea optică a spectrului electromagnetic.