Föreställ dig att du kör i högsta hastighet på en tvåfilig väg.Plötsligt, till höger,
Krockkudden aktiveras tack vare accelerometern, en sensor som upptäcker plötsliga förändringar i hastigheten.Accelerometrar håller raketer och flygplan på rätt flygbana, gerDe är också inbyggda i mobiltelefoner, surfplattor och läsplattor för att visa bilden korrekt när användaren vänder på denapparat.
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en accelerometerDen använder laserljusForskare hoppas kunna möta den växande efterfrågan på noggranna accelerationsmätningar i små navigationssystem och andra enheter.
Även om vissa andra accelerometrar också är beroende av ljus, gör NIST-instrumentets designMätprocessen är enklare, vilket ger högre noggrannhet.I ett bredare frekvensområde har den testats mer rigoröst än liknande enheter.
NIST:s optomekaniska accelerometer kräver ingen lång periodisk kalibreringsprocess.Faktum är att eftersom apparaten använder laserljuskänd frekvens för att mäta acceleration, kan den så småningomFungera som ett bärbart riktmärke för kalibrering av andra accelerometrar som för närvarande finns på marknaden, vilket gör dem mer exakta.
Accelerometern förbättrar också tröghetsnavigering i uppdragskritiska system som militära flygplan, satelliter och ubåtar, särskilt när en GPS-signal inte är tillgänglig.NIST-forskarna Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long och deras kollegor beskriver sitt arbete i tidskriften Optica.
Accelerometrar, inklusive den nya NIST-enheten,registrera förändringar i hastighet genom att spåra positionen för en fritt rörlig massa, kallad en "referensmassa", i förhållande till en fast referenspunkt inuti enheten. Avståndet mellan referensmassan och referenspunkten ändras endast om accelerometern saktar ner, accelererar eller ändrar riktning. Detsamma gäller om du är passagerare i en bil. Om bilen står stilla eller rör sig med konstant hastighet förblir avståndet mellan personen och instrumentbrädan oförändrat. Men om bilen plötsligt bromsar kastas föraren framåt och avståndet mellan personen och instrumentbrädan minskar.
Rörelsen av referensmassan skapar en detekterbarsignal. Den nya accelerometern använder infrarött ljus för att mäta förändringen i avståndet mellan två mycket reflekterande ytor som täcker ett litet område med tomt utrymme. En kontrollmassa upphängd på flexibla balkar som är en femtedel av ett människohårs bredd stödjer en av spegelytorna. Den andra reflekterande ytan, som fungerar som en fast referenspunkt för accelerometern, består av en fast mikrokonkav spegel.
Tillsammans två reflekterande ytor och ett tomtutrymmet mellan dem bildar ett hålrum där infrarött ljus med önskad våglängd resonerar eller reflekterar mellan speglarna, vilket ökar intensiteten. Denna våglängd bestäms av avståndet mellan de två speglarna, precis som tonhöjden för en plockad gitarr beror på avståndet mellan instrumentets band och bron. Om referensmassan rör sig som svar på acceleration genom att ändra avståndet mellan speglarna ändras också resonansvåglängden.
För att spåra förändringar i resonanslängdresonatorvågor med hög känslighet, stabil enkelfrekvenslaser är knuten till resonatorn. Forskarna använde en optisk frekvenskam för att mäta längden på resonatorn med hög noggrannhet. Linjalmärkena (kamtänder) kan ses som en serie lasrar med lika stora våglängder. När testmassan rör sig under accelerationsperioden, förkortar eller förlänger kaviteten, ändras intensiteten hos det reflekterade ljuset när våglängderna förknippade med kamtänderna rör sig in och ut ur resonans med kaviteten.
Noggrann omvandling av kontrollrörelsemassa till acceleration har varit problematiskt i de flesta existerande optomekaniska accelerometrar. Den nya designen av enheten säkerställer dock att det dynamiska förhållandet mellan referensmassaförskjutning och acceleration är enkelt och lätt att modellera med hjälp av fysikens första principer. Enkelt uttryckt är testmassan och stödbalkarna utformade för att bete sig som en enkel fjäder eller harmonisk oscillator. Den vibrerar med en frekvens inom accelerometerns arbetsområde.
Detta enkla dynamiska svar gjorde det möjligt för forskareuppnå låga mätfel över ett brett spektrum av accelerationsfrekvenser - från 1 till 20 kilohertz - utan att enheten behöver kalibreras. Denna funktion är unik genom att alla kommersiella accelerometrar måste kalibreras, vilket är tidskrävande och dyrt. Sedan de publicerade sin studie i Optica har forskarna gjort flera förbättringar som borde minska felet på deras enhet till nästan 1%.
Optisk-mekanisk accelerometer kapabel tilldetektera förskjutningar av en referensmassa som är mindre än en hundra tusendels diameter av en väteatom, detektera accelerationer på upp till 32 ppb ag, där g är accelerationen på grund av jordens gravitation. Detta är högre känslighet än någon accelerometer som för närvarande finns på marknaden med liknande storlek och bandbredd.
Med ytterligare förbättringarNIST: s optomekaniska accelerometer kan användas som en bärbar referensanordning med hög precision för att kalibrera andra accelerometrar utan att behöva ta dem till labbet.
Läs mer
Fysiker har skapat en analog av ett svart hål och bekräftat Hawkings teori. Vart leder det?
Algoritmen har upptäckt ett nytt mystiskt lager inuti jorden
På grund av solen kommer jordens atmosfär att förlora allt gratis syre
I optik är en frekvenskam en laseren källa vars spektrum består av en serie diskreta, lika fördelade frekvenslinjer. Frekvenskammen möjliggör direkt kommunikation från RF-standarder till optiska frekvenser. Moderna frekvensstandarder som atomur arbetar i mikrovågsregionen i spektrumet, och en frekvenskam ger precisionen hos sådana klockor till den optiska delen av det elektromagnetiska spektrumet.