เครื่องวัดความเร่งหนามิลลิเมตรใช้แสงเลเซอร์เพื่อสร้างสัญญาณ

ลองจินตนาการว่าคุณกำลังขับรถด้วยความเร็วสูงสุดบนถนนสองเลน และทันใดนั้นมันก็ปรากฏขึ้นทางด้านขวา

รถยนต์. เมื่อคุณกดเบรก การกระแทกจะเกิดขึ้นและถุงลมนิรภัยจะพองตัวภายในเสี้ยววินาที สิ่งนี้จะช่วยบุคคลจากการบาดเจ็บสาหัสหรือแม้กระทั่งการเสียชีวิต

ถุงลมนิรภัยจะถูกเปิดใช้งานโดยaccelerometer - เซ็นเซอร์ที่ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความเร็วอย่างกะทันหัน มาตรวัดความเร่งจะคอยรักษาจรวดและเครื่องบินให้อยู่ในเส้นทางการบินที่ถูกต้อง และช่วยนำทางสำหรับรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง นอกจากนี้ยังติดตั้งอยู่ในโทรศัพท์มือถือ แท็บเล็ต และอีรีดเดอร์เพื่อแสดงภาพอย่างถูกต้องเมื่อผู้ใช้พลิกอุปกรณ์

นักวิจัยจากสถาบันแห่งชาติมาตรฐานและเทคโนโลยี (NIST) ได้พัฒนามาตรความเร่งที่มีความหนาเพียงมิลลิเมตร ใช้แสงเลเซอร์แทนการเปลี่ยนรูปเชิงกลเพื่อสร้างสัญญาณ นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการวัดความเร่งที่แม่นยำในระบบนำทางขนาดเล็กและอุปกรณ์อื่นๆ

แม้ว่ามาตรวัดความเร่งอื่นๆ บางตัวก็เช่นกันการออกแบบของเครื่องมือ NIST อาศัยแสง ทำให้กระบวนการวัดง่ายขึ้นในขณะที่ให้ความแม่นยำมากขึ้น นอกจากนี้ ยังทำงานในช่วงความถี่ที่กว้างกว่าและผ่านการทดสอบที่เข้มงวดกว่าอุปกรณ์ที่คล้ายคลึงกัน

อุปกรณ์ NIST - เครื่องวัดความเร่งทางออพโตเมติกส์ไม่จำเป็นต้องมีกระบวนการสอบเทียบเป็นระยะที่ยืดเยื้อ เนื่องจากเครื่องมือนี้ใช้แสงเลเซอร์ที่มีความถี่ที่ทราบในการวัดความเร่ง จึงสามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงแบบพกพาสำหรับการสอบเทียบมาตรความเร่งอื่นๆ ในตลาดปัจจุบันได้ ทำให้มีความแม่นยำมากขึ้น

มาตรความเร่งจะปรับปรุงการนำทางเฉื่อยด้วยในระบบที่สำคัญ เช่น เครื่องบินทหาร ดาวเทียม และเรือดำน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อไม่มีสัญญาณ GPS นักวิจัยของ NIST Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาได้บรรยายถึงงานของพวกเขาในวารสาร Optica

มาตรวัดความเร่ง รวมถึงอุปกรณ์ NIST ใหม่บันทึกการเปลี่ยนแปลงความเร็วโดยการติดตามตำแหน่งของมวลที่เคลื่อนที่อย่างอิสระ เรียกว่า "มวลอ้างอิง" โดยสัมพันธ์กับจุดอ้างอิงคงที่ภายในอุปกรณ์ ระยะห่างระหว่างมวลอ้างอิงและจุดอ้างอิงจะเปลี่ยนไปก็ต่อเมื่อมาตรความเร่งช้าลง เร่งความเร็ว หรือเปลี่ยนทิศทาง กรณีเดียวกันหากคุณเป็นผู้โดยสารในรถยนต์ หากรถจอดอยู่กับที่หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ ระยะห่างระหว่างบุคคลกับแผงหน้าปัดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง แต่หากรถเบรกกะทันหัน คนขับจะถูกเหวี่ยงไปข้างหน้า และระยะห่างระหว่างบุคคลกับแผงหน้าปัดจะลดลง

การเคลื่อนที่ของมวลอ้างอิงทำให้เกิดสิ่งที่ตรวจจับได้สัญญาณ. มาตรความเร่งใหม่ใช้แสงอินฟราเรดในการวัดการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างพื้นผิวที่มีการสะท้อนแสงสูงสองพื้นผิวซึ่งครอบคลุมพื้นที่ขนาดเล็กที่ว่างเปล่า มวลควบคุมที่แขวนอยู่บนคานยืดหยุ่นหนึ่งในห้าของความกว้างของเส้นผมมนุษย์รองรับพื้นผิวกระจกด้านใดด้านหนึ่ง พื้นผิวสะท้อนแสงอีกอันซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดอ้างอิงคงที่สำหรับมาตรความเร่ง ประกอบด้วยกระจกไมโครเว้าคงที่

พื้นผิวสะท้อนแสงสองแบบร่วมกันและช่องว่างช่องว่างระหว่างพวกมันก่อตัวเป็นโพรงที่แสงอินฟราเรดของความยาวคลื่นที่ต้องการสะท้อนหรือสะท้อนระหว่างกระจกเพิ่มความเข้ม ความยาวคลื่นนี้กำหนดโดยระยะห่างระหว่างกระจกทั้งสองเช่นเดียวกับระยะห่างของกีตาร์ที่ดึงออกมาจะขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างความหงุดหงิดของเครื่องมือกับสะพาน ถ้ามวลอ้างอิงเคลื่อนที่เพื่อตอบสนองต่อความเร่งโดยการเปลี่ยนระยะห่างระหว่างกระจกความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ก็จะเปลี่ยนไปด้วย

เพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงความยาวเรโซแนนซ์คลื่นเรโซเนเตอร์ที่มีความไวสูง เลเซอร์ความถี่เดียวที่เสถียรจะเชื่อมโยงกับตัวสะท้อนเสียง นักวิทยาศาสตร์ใช้หวีความถี่แสงเพื่อวัดความยาวของตัวสะท้อนกลับด้วยความแม่นยำสูง เครื่องหมายไม้บรรทัด (ฟันหวี) ถือได้ว่าเป็นชุดของเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นเว้นระยะเท่ากัน เมื่อมวลทดสอบเคลื่อนที่ในช่วงเวลาเร่งความเร็ว ทำให้ช่องแคบลงหรือยาวขึ้น ความเข้มของแสงสะท้อนจะเปลี่ยนไปตามความยาวคลื่นที่เกี่ยวข้องกับฟันหวีเคลื่อนที่เข้าและออกจากการสั่นพ้องของช่องนั้น

การแปลงการเคลื่อนไหวการควบคุมที่แม่นยำมวลเข้าสู่ความเร่งเป็นปัญหาในเครื่องวัดความเร่งทางออพโตเมคานิกส์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม การออกแบบใหม่ของอุปกรณ์ทำให้แน่ใจได้ว่าความสัมพันธ์แบบไดนามิกระหว่างการกระจัดของมวลอ้างอิงและความเร่งนั้นเรียบง่ายและง่ายต่อการสร้างแบบจำลองโดยใช้หลักการแรกของฟิสิกส์ พูดง่ายๆ ก็คือ มวลทดสอบและคานรองรับได้รับการออกแบบมาให้ทำงานเหมือนสปริงธรรมดาหรือออสซิลเลเตอร์ฮาร์มอนิก โดยจะสั่นที่ความถี่เดียวภายในช่วงการทำงานของมาตรความเร่ง

การตอบสนองแบบไดนามิกที่เรียบง่ายนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้ให้ข้อผิดพลาดในการวัดต่ำในช่วงความถี่การเร่งความเร็วที่หลากหลาย ตั้งแต่ 1 ถึง 20 กิโลเฮิรตซ์ โดยไม่จำเป็นต้องปรับเทียบอุปกรณ์ คุณลักษณะนี้มีลักษณะเฉพาะตรงที่ต้องปรับเทียบมาตรความเร่งเชิงพาณิชย์ทั้งหมด ซึ่งใช้เวลานานและมีราคาแพง นับตั้งแต่เผยแพร่ผลการศึกษาใน Optica นักวิจัยได้ทำการปรับปรุงหลายประการซึ่งน่าจะลดข้อผิดพลาดของอุปกรณ์ลงได้เกือบ 1%

มาตรวัดความเร่งเชิงกลแบบออปติคอลที่มีความสามารถตรวจจับการกระจัดของมวลอ้างอิงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าหนึ่งแสนเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมไฮโดรเจน โดยตรวจจับความเร่งสูงถึง 32 ppb ag โดยที่ g คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก นี่เป็นความไวที่สูงกว่ามาตรความเร่งใดๆ ในตลาดที่มีขนาดและแบนด์วิธใกล้เคียงกันในปัจจุบัน

ด้วยการปรับปรุงเพิ่มเติมเครื่องวัดความเร่งออปโตเมติกของ NIST สามารถใช้เป็นอุปกรณ์อ้างอิงที่มีความแม่นยำสูงแบบพกพาเพื่อปรับเทียบมาตรวัดความเร่งอื่น ๆ โดยไม่ต้องนำไปที่ห้องปฏิบัติการ

อ่านเพิ่มเติม

นักฟิสิกส์ได้สร้างอะนาล็อกของหลุมดำและยืนยันทฤษฎีของ Hawking นำไปสู่ที่ไหน?

อัลกอริทึมได้ค้นพบชั้นลึกลับใหม่ภายในโลก

เนื่องจากดวงอาทิตย์ชั้นบรรยากาศของโลกจะสูญเสียออกซิเจนฟรีทั้งหมด

ในทัศนศาสตร์หวีความถี่คือเลเซอร์แหล่งที่มีสเปกตรัมประกอบด้วยชุดของเส้นความถี่ที่ไม่ต่อเนื่องและมีระยะห่างเท่ากัน หวีความถี่ช่วยให้สามารถสื่อสารโดยตรงจากมาตรฐาน RF ไปยังความถี่แสง มาตรฐานความถี่สมัยใหม่เช่นนาฬิกาอะตอมทำงานในบริเวณไมโครเวฟของสเปกตรัมและหวีความถี่จะนำความแม่นยำของนาฬิกาดังกล่าวไปยังส่วนแสงของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า