Predstavte si, že jazdíte maximálnou rýchlosťou po dvojprúdovej ceste. A zrazu sa objaví vpravo
Airbag sa aktivuje pomocouakcelerometer - senzor, ktorý detekuje náhle zmeny rýchlosti. Akcelerometre udržujú rakety a lietadlá na správnej dráhe letu a poskytujú navigáciu pre samoriadiace autá. Sú tiež zabudované do mobilných telefónov, tabletov a elektronických čítačiek, aby správne zobrazovali obrázky, keď používateľ otočí zariadenie.
Vedci z Národného ústavuNormy a technológie (NIST) vyvinuli akcelerometer hrubý len milimeter. Na generovanie signálu využíva laserové svetlo namiesto mechanickej deformácie. Vedci dúfajú, že uspokoja rastúci dopyt po presných meraniach zrýchlenia v malých navigačných systémoch a iných zariadeniach.
Hoci aj niektoré iné akcelerometrespoliehajte sa na svetlo, dizajn prístroja NIST uľahčuje proces merania a zároveň poskytuje väčšiu presnosť. Okrem toho funguje v širšom frekvenčnom rozsahu a prešiel prísnejším testovaním ako podobné zariadenia.
Prístroj NIST - optomechanický akcelerometernevyžaduje zdĺhavý periodický proces kalibrácie. V skutočnosti, pretože prístroj používa na meranie zrýchlenia laserové svetlo známej frekvencie, môže v konečnom dôsledku slúžiť ako prenosná referencia na kalibráciu iných akcelerometrov, ktoré sú v súčasnosti na trhu, čím sa stanú presnejšie.
Akcelerometer zlepší aj inerciálnu navigáciuv kritických systémoch, ako sú vojenské lietadlá, satelity a ponorky, najmä ak nie je dostupný signál GPS. Výskumníci NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long a ich kolegovia opísali svoju prácu v časopise Optica.
Akcelerometre vrátane nového zariadenia NIST,zaznamenávajte zmeny rýchlosti sledovaním polohy voľne sa pohybujúcej hmoty nazývanej „referenčná hmota“ vo vzťahu k pevnému referenčnému bodu vo vnútri zariadenia. Vzdialenosť medzi referenčnou hmotnosťou a referenčným bodom sa mení iba vtedy, ak sa akcelerometer spomalí, zrýchli alebo zmení smer. To isté platí, ak ste spolujazdec v aute. Ak auto stojí alebo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou, vzdialenosť medzi osobou a prístrojovou doskou zostáva nezmenená. Ak však auto náhle zabrzdí, vodiča vymrští dopredu a vzdialenosť medzi osobou a prístrojovou doskou sa zníži.
Pohyb referenčnej hmoty vytvára detekovateľnýsignál. Nový akcelerometer využíva infračervené svetlo na meranie zmeny vzdialenosti medzi dvoma vysoko reflexnými povrchmi, ktoré pokrývajú malú oblasť prázdneho priestoru. Kontrolná hmota zavesená na pružných nosníkoch šírky jednej pätiny ľudského vlasu podopiera jednu zo zrkadlových plôch. Druhá odrazová plocha, ktorá slúži ako pevný referenčný bod pre akcelerometer, pozostáva z pevného mikrokonkávneho zrkadla.
Spolu dva reflexné povrchy a blankpriestor medzi nimi vytvára dutinu, v ktorej medzi zrkadlami rezonuje alebo sa odráža infračervené svetlo požadovanej vlnovej dĺžky, ktoré zvyšuje intenzitu. Táto vlnová dĺžka je určená vzdialenosťou medzi oboma zrkadlami, rovnako ako výška zazobanej gitary závisí od vzdialenosti medzi pražcom nástroja a mostom. Ak sa referenčná hmotnosť pohybuje v reakcii na zrýchlenie zmenou vzdialenosti medzi zrkadlami, mení sa aj rezonančná vlnová dĺžka.
Na sledovanie zmien rezonančnej dĺžkyrezonátorové vlny s vysokou citlivosťou, stabilný jednofrekvenčný laser je viazaný na rezonátor. Vedci použili optický frekvenčný hrebeň na meranie dĺžky rezonátora s vysokou presnosťou. Značky pravítka (hrebeňové zuby) si možno predstaviť ako sériu laserov s rovnomerne rozmiestnenými vlnovými dĺžkami. Keď sa testovaná hmota pohybuje počas periódy zrýchlenia, čím sa skracuje alebo predlžuje dutina, intenzita odrazeného svetla sa mení, keď sa vlnové dĺžky spojené so zubami hrebeňa pohybujú dovnútra a von z rezonancie s dutinou.
Presná konverzia riadiaceho pohybuhmotnosť do zrýchlenia bola problematická vo väčšine existujúcich optomechanických akcelerometrov. Nový dizajn zariadenia však zaisťuje, že dynamický vzťah medzi referenčným posunom hmoty a zrýchlením je jednoduchý a ľahko modelovateľný pomocou prvých princípov fyziky. Jednoducho povedané, testovacia hmota a nosné nosníky sú navrhnuté tak, aby sa správali ako jednoduchý pružinový alebo harmonický oscilátor. Vibruje na jednej frekvencii v rámci prevádzkového rozsahu akcelerometra.
Táto jednoduchá dynamická reakcia umožnila vedcomdosiahnuť nízku chybu merania v širokom rozsahu frekvencií zrýchlenia - od 1 do 20 kilohertzov - bez potreby kalibrácie zariadenia. Táto funkcia je jedinečná v tom, že všetky komerčné akcelerometre musia byť kalibrované, čo je časovo náročné a drahé. Od zverejnenia svojej štúdie v Optica vedci urobili niekoľko vylepšení, ktoré by mali znížiť chybovosť ich zariadenia na takmer 1 %.
Opticko-mechanický akcelerometer schopnýdetekovať posuny referenčnej hmoty, ktoré sú menšie ako stotisícina priemeru atómu vodíka, detekovať zrýchlenia až 32 ppb ag, kde g je zrýchlenie spôsobené zemskou gravitáciou. Je to vyššia citlivosť ako ktorýkoľvek akcelerometer na trhu podobnej veľkosti a šírky pásma.
S ďalšími vylepšeniamiOptomechanický akcelerometer NIST by sa mohol použiť ako prenosné vysoko presné referenčné zariadenie na kalibráciu ďalších akcelerometrov bez toho, aby ste ich museli nosiť v laboratóriu.
Čítaj viac
Fyzici vytvorili analóg čiernej diery a potvrdili Hawkingovu teóriu. Kadiaľ vedie?
Algoritmus objavil novú záhadnú vrstvu vo vnútri Zeme
Vďaka Slnku stratí zemská atmosféra všetok voľný kyslík
V optike je frekvenčným hrebeňom laserzdroj, ktorého spektrum sa skladá zo série samostatných, rovnomerne rozmiestnených frekvenčných čiar. Frekvenčný hrebeň umožňuje priamu komunikáciu z RF štandardov na optické frekvencie. Moderné frekvenčné štandardy, ako napríklad atómové hodiny, pracujú v mikrovlnnej oblasti spektra a frekvenčný hrebeň prináša presnosť týchto hodín do optickej časti elektromagnetického spektra.