• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Ett bättre sätt att mäta acceleration

    Illustration av en optomekanisk accelerometer, som använder ljus för att mäta acceleration. NIST-enheten består av två silikonchips, med infrarött laserljus som kommer in vid bottenchipet och går ut i toppen. Det översta chippet innehåller en tät massa upphängd av silikonstrålar, vilket gör att massan kan röra sig fritt upp och ner som svar på acceleration. En spegelvänd beläggning på provmassan och en halvsfärisk spegel fäst vid bottenchipet bildar en optisk kavitet. Våglängden för det infraröda ljuset väljs så att det nästan matchar resonansvåglängden i kaviteten, gör att ljuset kan byggas in i intensitet när det studsar fram och tillbaka mellan de två spegelytorna många gånger innan det går ut. När enheten upplever en acceleration, bevismassan rör sig, ändring av kavitetens längd och förskjutning av resonansvåglängden. Detta ändrar intensiteten hos det reflekterade ljuset. En optisk avläsning omvandlar förändringen i intensitet till ett mått på acceleration. Kredit:F. Zhou/NIST

    Du åker med hastighetsgränsen på en tvåfilig väg när en bil kommer ut från en uppfart på höger sida. Du slår i bromsen, och inom en bråkdel av en sekund efter kollisionen blåses en krockkudde upp, räddar dig från allvarliga skador eller till och med dödsfall.

    Krockkudden utlöses tack vare en accelerometer – en sensor som känner av plötsliga hastighetsförändringar. Accelerometrar håller raketer och flygplan på rätt flygbana, tillhandahålla navigering för självkörande bilar, och rotera bilder så att de stannar uppåt på mobiltelefoner och surfplattor, bland andra väsentliga uppgifter.

    Att möta den ökande efterfrågan på att noggrant mäta acceleration i mindre navigationssystem och andra enheter, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat en accelerometer bara millimeter tjock som använder laserljus istället för mekanisk belastning för att producera en signal.

    Även om några andra accelerometrar också är beroende av ljus, designen av NIST-instrumentet gör mätprocessen enklare, ger högre noggrannhet. Den fungerar också över ett större frekvensområde och har testats mer noggrant än liknande enheter.

    Inte bara är NIST-enheten, känd som en optomekanisk accelerometer, mycket mer exakt än de bästa kommersiella accelerometrarna, den behöver inte genomgå den tidskrävande processen med periodiska kalibreringar. Faktiskt, eftersom instrumentet använder laserljus med en känd frekvens för att mäta acceleration, den kan i slutändan fungera som en bärbar referensstandard för att kalibrera andra accelerometrar som nu finns på marknaden, gör dem mer exakta.

    Accelerometern har också potential att förbättra tröghetsnavigeringen i sådana kritiska system som militära flygplan, satelliter och ubåtar, speciellt när en GPS-signal inte är tillgänglig. NIST-forskarna Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long och deras kollegor beskriver sitt arbete i tidskriften Optica .

    Studien är en del av NIST on a Chip, ett program som ger institutets banbrytande mätvetenskapliga teknik och expertis direkt till användare i handeln, medicin, försvar och akademi.

    Accelerometrar, inklusive den nya NIST-enheten, registrera förändringar i hastighet genom att spåra positionen för en fritt rörlig massa, kallad "bevismassan, " i förhållande till en fast referenspunkt inuti enheten. Avståndet mellan provmassan och referenspunkten ändras endast om accelerometern saktar ner, snabbar upp eller byter riktning. Detsamma gäller om du är passagerare i en bil. Om bilen antingen står i vila eller rör sig med konstant hastighet, avståndet mellan dig och instrumentpanelen förblir detsamma. Men om bilen plötsligt bromsar, du kastas framåt och avståndet mellan dig och instrumentbrädan minskar.

    Bevismassans rörelse skapar en detekterbar signal. Accelerometern som utvecklats av NIST-forskare förlitar sig på infrarött ljus för att mäta förändringen i avståndet mellan två mycket reflekterande ytor som boksluter ett litet område med tomt utrymme. Bevismassan, som är upphängd av flexibla balkar en femtedel av ett människohårs bredd så att det kan röra sig fritt, stödjer en av de spegelvända ytorna. Den andra reflekterande ytan, som fungerar som accelerometerns fasta referenspunkt, består av en orörlig mikrotillverkad konkav spegel.

    Tillsammans, de två reflekterande ytorna och det tomma utrymmet mellan dem bildar en hålighet där infrarött ljus med precis rätt våglängd kan resonera, eller studsa fram och tillbaka, mellan speglarna, bygga i intensitet. Den våglängden bestäms av avståndet mellan de två speglarna, ungefär som tonhöjden på en plockad gitarr beror på avståndet mellan instrumentets band och brygga. Om bevismassan rör sig som svar på acceleration, ändra avståndet mellan speglarna, resonansvåglängden ändras också.

    För att spåra förändringarna i kavitetens resonansvåglängd med hög känslighet, en stabil enkelfrekvenslaser är låst till kaviteten. Som beskrivs i en nyligen publicerad publikation i Optik bokstäver , forskarna har också använt en optisk frekvenskam – en anordning som kan användas som linjal för att mäta ljusets våglängd – för att mäta kavitetens längd med hög noggrannhet. Markeringarna på linjalen (kammens tänder) kan ses som en serie lasrar med lika stora våglängder. När bevismassan rör sig under en accelerationsperiod, antingen förkorta eller förlänga kaviteten, intensiteten hos det reflekterade ljuset ändras när våglängderna som är associerade med kammens tänder rör sig in och ut ur resonans med håligheten.

    Att noggrant omvandla förskjutningen av bevismassan till en acceleration är ett kritiskt steg som har varit problematiskt i de flesta existerande optomekaniska accelerometrar. Dock, teamets nya design säkerställer att det dynamiska förhållandet mellan förskjutningen av bevismassan och accelerationen är enkel och lätt att modellera genom fysiks första principer. Kortfattat, provmassan och stödbalkarna är utformade så att de beter sig som en enkel fjäder, eller harmonisk oscillator, som vibrerar med en enda frekvens i accelerometerns arbetsområde.

    Denna enkla dynamiska respons gjorde det möjligt för forskarna att uppnå låg mätosäkerhet över ett brett spektrum av accelerationsfrekvenser – 1 kilohertz till 20 kilohertz – utan att någonsin behöva kalibrera enheten. Denna funktion är unik eftersom alla kommersiella accelerometrar måste kalibreras, vilket är tidskrävande och dyrt. Sedan publiceringen av deras studie i Optica , forskarna har gjort flera förbättringar som borde minska deras enhets osäkerhet till nästan 1 %.

    Kan känna av förskjutningar av provmassan som är mindre än en hundra tusendels diameter av en väteatom, den optomekaniska accelerometern upptäcker accelerationer så små som 32 miljarddels g, där g är accelerationen på grund av jordens gravitation. Det är en högre känslighet än alla accelerometrar nu på marknaden med liknande storlek och bandbredd.

    Med ytterligare förbättringar, den optomekaniska accelerometern NIST skulle kunna användas som en bärbar, Referensenhet med hög precision för att kalibrera andra accelerometrar utan att behöva ta med dem till ett laboratorium.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com