Уявіть, що ви їдете на граничній швидкості двосмуговою дорогою. І раптом праворуч з'являється
Подушка безпеки спрацьовує завдякиакселерометру - датчику, який виявляє різкі зміни швидкості. Акселерометри утримують ракети та літаки на правильній траєкторії польоту, забезпечують навігацію для безпілотних автомобілів. Також вони вбудовані в мобільні телефони, планшети та електронні книги для правильного відображення зображення, коли користувач перевертає пристрій.
Дослідники з Національного інститутустандартів та технологій (NIST) розробили акселерометр товщиною всього в міліметр. Він використовує лазерне світло замість механічної деформації для створення сигналу. Вчені сподіваються задовольнити таким чином попит на точний вимір прискорення в невеликих навігаційних системах та інших пристроях.
Хоча деякі інші акселерометри такожпокладаються світ, конструкція приладу NIST робить процес вимірювання простіше, забезпечуючи вищу точність. Крім того, він працює в ширшому діапазоні частот і пройшов суворіші випробування, ніж аналогічні пристрої.
Пристрій NIST – оптомеханічний акселерометрне вимагає тривалого процесу періодичного калібрування. Фактично, оскільки прилад використовує лазерне світло відомої частоти для вимірювання прискорення, він зрештою може бути портативним еталоном для калібрування інших акселерометрів, що є зараз на ринку, роблячи їх більш точними.
Акселерометр також покращить інерційну навігаціюу таких критично важливих системах, як військові літаки, супутники та підводні човни, особливо коли сигнал GPS недоступний. Дослідники NIST Джейсон Горман, Томас ЛеБрун, Девід Лонг та їхні колеги описали свою роботу в журналі Optica.
Акселерометри, включаючи новий пристрій NIST,реєструють зміни швидкості, відстежуючи положення вільно рухається маси, званої «контрольної масою», щодо фіксованої контрольної точки всередині пристрою. Відстань між контрольною масою та контрольною точкою змінюється тільки в тому випадку, якщо акселерометр сповільнюється, прискорюється або змінює напрямок. Те ж саме, якщо ви пасажир в машині. Якщо автомобіль не рухається або рухається з постійною швидкістю, відстань між людиною та панеллю приладів залишається незмінною. Але якщо машина раптово гальмує, водія відкидає вперед, і відстань між людиною та панеллю приладів зменшується.
Рух контрольної маси створює виявленийсигнал. Новий акселерометр використовує інфрачервоне світло для вимірювання зміни відстані між двома сильно відбивають поверхнями, які закривають невелику область порожнього простору. Контрольна маса, підвішена на гнучких балках шириною одну п'яту ширини людського волосся підтримує одну з дзеркальних поверхонь. Інша поверхня, що відображає, яка служить фіксованою точкою відліку акселерометра, складається з нерухомого мікровогнутого дзеркала.
Разом дві поверхні, що відбивають і пустепростір між ними утворюють порожнину, в якій інфрачервоне світло потрібної довжини хвилі резонує або відбивається між дзеркалами, збільшуючи інтенсивність. Ця довжина хвилі визначається відстанню між двома дзеркалами, так само як висота звуку щипковому гітари залежить від відстані між ладом інструменту і мостом. Якщо контрольна маса переміщається в відповідь на прискорення, змінюючи відстань між дзеркалами, резонансна довжина хвилі також змінюється.
Щоб відстежувати зміни резонансної довжинихвилі резонатора з високою чутливістю, стабільний одночастотний лазер прив'язаний до резонатора. Вчені використовували оптичний частотний гребінець для вимірювання довжини резонатора з високою точністю. Позначки лінійки (зубці гребеня) можна як серію лазерів з однаково рознесеними довжинами хвиль. Коли пробна маса переміщається протягом періоду прискорення, скорочуючи або подовжуючи порожнину, інтенсивність відбитого світла змінюється в міру того, як довжини хвиль, пов'язані з зубцями гребеня, входять і виходять із резонансу з порожниною.
Точне перетворення переміщення контрольноїМаса прискорення була проблематичною в більшості існуючих оптомеханічних акселерометрів. Тим не менш, новий дизайн пристрою гарантує, що динамічне співвідношення між усуненням контрольної маси і прискоренням просто і легко змоделювати за допомогою перших принципів фізики. Простіше кажучи, випробувальна маса та опорні балки спроектовані так, що вони поводяться як проста пружина чи гармонійний осцилятор. Він вібрує з однією частотою у робочому діапазоні акселерометра.
Цей простий динамічний відгук дозволив вченимдосягти низької похибки виміру в широкому діапазоні частот прискорення - від 1 до 20 кілогерц - без необхідності калібрування пристрою. Ця особливість унікальна тим, що всі комерційні акселерометри необхідно калібрувати, що забирає багато часу та дорого. З моменту публікації свого дослідження в Optica дослідники зробили кілька поліпшень, які повинні знизити похибку їх пристрою майже до 1%.
Оптико-механічний акселерометр, здатнийвизначати усунення контрольної маси, що становлять менше однієї стотисячної діаметра атома водню, виявляє прискорення величиною до 32 мільярдних часток ag, де g — прискорення, викликане силою тяжкості Землі. Це більш висока чутливість, ніж у всіх наявних зараз на ринку акселерометрів з аналогічними розмірами та пропускною здатністю.
При подальших удосконаленьОптомеханические акселерометр NIST можна було б використовувати в якості портативного високоточного еталонного пристрою для калібрування інших акселерометрів без необхідності приносити їх в лабораторію.
Читати далі
Фізики створили аналог чорної діри і підтвердили теорію Хокінга. До чого це призведе?
Алгоритм виявив новий таємничий шар всередині Землі
Через Сонця атмосфера Землі втратить весь вільний кисень
В оптиці частотна гребінка - це лазернийджерело, спектр якого складається з серії дискретних, рівновіддалених частотних ліній. Частотна гребінка дозволяє прямий зв'язок з радіочастотних стандартів на оптичні частоти. Сучасні стандарти частоти, такі як атомний годинник, працюють в мікрохвильовій області спектру, а частотна гребінка вносить точність такого годинника в оптичну частину електромагнітного спектра.