Представьте, чти вы едете на предельной скорости по двухполосной дороге. И вдруг справа появляется автомобиль. После нажатия на тормоз происходит удар, и в течение доли секунды после раскрывается подушка безопасности. Это спасает человека от серьезной травмы или даже смерти.
Подушка безопасности срабатывает благодаря акселерометру — датчику, который обнаруживает резкие изменения скорости. Акселерометры удерживают ракеты и самолеты на правильной траектории полета, обеспечивают навигацию для беспилотных автомобилей. Также они встроены в мобильные телефоны, планшеты и электронные книги для правильного отображения картинки, когда пользователь переворачивает устройство.
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали акселерометр толщиной всего в миллиметр. Он использует лазерный свет вместо механической деформации для генерации сигнала. Ученые надеются удовлетворить таким образом растущий спрос на точное измерение ускорения в небольших навигационных системах и других устройствах.
Хотя некоторые другие акселерометры также полагаются на свет, конструкция прибора NIST делает процесс измерения проще, обеспечивая более высокую точность. Кроме того, он работает в более широком диапазоне частот и прошел более строгие испытания, чем аналогичные устройства.
Устройство NIST — оптомеханический акселерометр не требует длительного процесса периодической калибровки. Фактически, поскольку прибор использует лазерный свет известной частоты для измерения ускорения, он в конечном итоге может служить портативным эталоном для калибровки других акселерометров, имеющихся сейчас на рынке, делая их более точными.
Акселерометр также улучшит инерциальную навигацию в таких критически важных системах, как военные самолеты, спутники и подводные лодки, особенно когда сигнал GPS недоступен. Исследователи NIST Джейсон Горман, Томас ЛеБрун, Дэвид Лонг и их коллеги описали свою работу в журнале Optica.
Акселерометры, включая новое устройство NIST, регистрируют изменения скорости, отслеживая положение свободно движущейся массы, называемой «контрольной массой», относительно фиксированной контрольной точки внутри устройства. Расстояние между контрольной массой и контрольной точкой изменяется только в том случае, если акселерометр замедляется, ускоряется или меняет направление. То же верно, если вы пассажир в машине. Если автомобиль неподвижен или движется с постоянной скоростью, расстояние между человеком и приборной панелью остается неизменным. Но если машина внезапно тормозит, водителя отбрасывает вперед, и расстояние между человеком и приборной панелью уменьшается.
Движение контрольной массы создает обнаруживаемый сигнал. Новый акселерометр использует инфракрасный свет для измерения изменения расстояния между двумя сильно отражающими поверхностями, которые закрывают небольшую область пустого пространства. Контрольная масса, подвешенная на гибких балках шириной в одну пятую ширины человеческого волоса поддерживает одну из зеркальных поверхностей. Другая отражающая поверхность, которая служит фиксированной точкой отсчета акселерометра, состоит из неподвижного микровогнутого зеркала.
Вместе две отражающие поверхности и пустое пространство между ними образуют полость, в которой инфракрасный свет нужной длины волны резонирует или отражается между зеркалами, увеличивая интенсивность. Эта длина волны определяется расстоянием между двумя зеркалами, так же как высота звука щипковой гитары зависит от расстояния между ладом инструмента и мостом. Если контрольная масса перемещается в ответ на ускорение, изменяя расстояние между зеркалами, резонансная длина волны также изменяется.
Чтобы отслеживать изменения резонансной длины волны резонатора с высокой чувствительностью, стабильный одночастотный лазер привязан к резонатору. Ученые использовали оптическую частотную гребенку для измерения длины резонатора с высокой точностью. Отметки линейки (зубцы гребня) можно представить как серию лазеров с одинаково разнесенными длинами волн. Когда пробная масса перемещается в течение периода ускорения, сокращая или удлиняя полость, интенсивность отраженного света изменяется по мере того, как длины волн, связанные с зубцами гребня, входят и выходят из резонанса с полостью.
Точное преобразование перемещения контрольной массы в ускорение было проблематичным в большинстве существующих оптомеханических акселерометров. Тем не менее, новый дизайн устройства гарантирует, что динамическое соотношение между смещением контрольной массы и ускорением просто и легко смоделировать с помощью первых принципов физики. Проще говоря, испытательная масса и опорные балки спроектированы так, что они ведут себя как простая пружина или гармонический осциллятор. Он вибрирует с одной частотой в рабочем диапазоне акселерометра.
Этот простой динамический отклик позволил ученым достичь низкой погрешности измерения в широком диапазоне частот ускорения — от 1 до 20 килогерц — без необходимости калибровки устройства. Эта особенность уникальна тем, что все коммерческие акселерометры необходимо калибровать, что отнимает много времени и дорого. С момента публикации своего исследования в Optica исследователи внесли несколько улучшений, которые должны снизить погрешность их устройства почти до 1%.
Оптико-механический акселерометр, способный определять смещения контрольной массы, составляющие менее одной стотысячной диаметра атома водорода, обнаруживает ускорение величиной до 32 миллиардных долей ag, где g — ускорение, вызванное силой тяжести Земли. Это более высокая чувствительность, чем у всех имеющихся сейчас на рынке акселерометров с аналогичными размерами и пропускной способностью.
При дальнейших усовершенствованиях оптомеханический акселерометр NIST можно было бы использовать в качестве портативного высокоточного эталонного устройства для калибровки других акселерометров без необходимости приносить их в лабораторию.
Читать далее
Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?
Алгоритм обнаружил новый таинственный слой внутри Земли
Из-за Солнца атмосфера Земли потеряет весь свободный кислород
В оптике частотная гребенка — это лазерный источник, спектр которого состоит из серии дискретных, равноотстоящих частотных линий. Частотная гребенка позволяет прямую связь с радиочастотных стандартов на оптические частоты. Современные стандарты частоты, такие как атомные часы, работают в микроволновой области спектра, а частотная гребенка вносит точность таких часов в оптическую часть электромагнитного спектра.