Isang Mas Mahusay na Paraan upang Sukatin ang Bilis – Ang Maliit na Accelerometer ay Gumagamit ng Laser Light upang Bumuo ng Signal

Pagguhit ng isang optomekanikal na accelerometer na gumagamit ng ilaw upang masukat ang pagpabilis. Ang aparato ng NIST ay binubuo ng dalawang mga chip ng silikon kung saan ang infrared na ilaw ng laser ay pumapasok sa ilalim ng maliit na tilad at lumabas sa itaas. Ang tuktok na maliit na tilad ay naglalaman ng isang matibay na masa na nasuspinde ng mga silicon beam, na nagbibigay-daan sa masa na malayang gumalaw pataas at pababa bilang tugon sa pagbilis. Ang isang mirror na patong sa proofing mass at isang hemispherical mirror na nakakabit sa ilalim na maliit na maliit na tilad ay bumubuo ng isang optikal na lukab. Ang haba ng daluyong ng infrared light ay pinili upang halos maitugma ang resonant na haba ng daluyong ng lukab, at pinapayagan ang ilaw na lumikha ng tindi habang tumatalbog pabalik-balik ng maraming beses sa pagitan ng dalawang nakasalamin na ibabaw bago lumabas. Kapag ang aparato ay nakakaranas ng isang bilis, ang dami ng katibayan ay gumagalaw, binabago ang haba ng lukab at binabago ang haba ng haba ng resonance. Binabago nito ang tindi ng sinasalamin na ilaw. Ang isang pagbabasa na salamin sa mata ay binago ang pagbabago sa density sa isang sukat ng pagpabilis. Kredito: F. Zhou / NIST

Kapag ang isang kotse ay umalis sa kalsada ng garahe sa kanan, pupunta ka sa limitasyon ng bilis sa isang dalang dalawang linya. Pinindot mo ang preno at wala pang isang segundo ng suntok na napalaki ng isang airbag, nai-save ka nito mula sa malubhang pinsala o kahit kamatayan.

Ang airbag ay naka-deploy salamat sa accelerometer, isang sensor na nakakita ng biglaang mga pagbabago sa bilis. Pinapanatili ng mga Accelerometro ang mga rocket at eroplano sa tamang landas ng flight, nagbibigay ng nabigasyon para sa mga self-drive na kotse, at paikutin ang mga imahe upang manatili sa mga mobile phone at tablet, bukod sa iba pang mga pangunahing gawain.

Ang mga mananaliksik sa National Institute of Standards and Technology (NIST) ay bumuo ng isang millimeter-makapal na accelerometer na gumagamit ng ilaw ng laser sa halip na mekanikal na pilay upang makabuo ng isang senyas, na tinutugunan ang lumalaking pangangailangan upang tumpak na masukat ang pagpabilis sa mas maliit na mga system sa pag-navigate at iba pang mga aparato.

Bagaman maraming iba pang mga accelerometro ay batay din sa ilaw, ang disenyo ng aparato ng NIST ay ginagawang mas simple ang proseso ng pagsukat, na ginagawang mas mataas ang proseso ng pagsukat. kawastuhan. Nagpapatakbo din ito sa isang mas malawak na saklaw ng dalas at mas mahigpit na sinubukan kaysa sa mga katulad na aparato.

Hindi lamang ang instrumento ng NIST, na kilala bilang isang optomekanikal na accelerometer, hindi lamang mas tumpak kaysa sa pinakamahusay na mga komersyal na accelerometro, hindi rin ito kailangan dumaan sa isang napapanahong proseso ng pag-calibrate. Sa katunayan, dahil ang aparato ay gumagamit ng ilaw ng laser ng isang kilalang dalas upang sukatin ang pagpabilis, maaari itong magsilbing isang pamantayan sa sangguniang portable para sa pag-calibrate ng iba pang mga accelerometers na magagamit sa merkado, na ginagawang mas tumpak ang mga ito.

Ang accelerometer ay mayroon ding potensyal upang mapabuti ang inertial nabigasyon sa mga kritikal na sistema tulad ng sasakyang panghimpapawid ng militar, mga satellite, at mga submarino, lalo na kapag wala ang signal ng GPS. Ang mga mananaliksik ng NIST na sina Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long at mga kasamahan ay tinatalakay ang kanilang gawa sa magazine SA MATA.

Ang pag-aaral ay bahagi ng NIST sa isang Chip, isang program na nagdadala ng pinakabagong teknolohiya ng agham sa pagsukat ng instituto at kadalubhasaan sa mga gumagamit ng commerce, gamot, depensa at akademya.

Ang mga Accelerometro, kabilang ang bagong aparato ng NIST, ay nagtala ng mga pagbabago sa bilis sa pamamagitan ng pagsubaybay sa posisyon ng isang malayang gumagalaw na masa, na tinatawag na isang “masa ng katibayan,” na may kaugnayan sa isang nakapirming punto ng sanggunian sa loob ng aparato. Magbabago lamang ang distansya sa pagitan ng nagpapatunay na masa at ng sangguniang point kung ang accelerometer ay nagpapabagal, nagpapabilis o nagbabago ng direksyon. Ang pareho ay totoo kung ikaw ay isang pasahero sa kotse. Kung ang kotse ay gumagalaw sa isang nakatigil o pare-pareho ang bilis, ang distansya sa pagitan mo at ng cluster ng instrumento ay mananatiling pareho. Ngunit kung biglang magpreno ang kotse, itatapon ka at ang distansya sa pagitan mo at ng cluster ng instrumento ay mababawasan.

Ang paggalaw ng patunay na masa ay bumubuo ng isang nakakakita na signal. Binuo ng mga mananaliksik ng NIST, ang accelerometer ay umaasa sa infrared light upang sukatin ang pagbabago sa distansya sa pagitan ng dalawang lubos na sumasalamin na mga ibabaw na naghihiwalay sa isang maliit na rehiyon ng walang laman na puwang. Ang masa ng ensayo, na nasuspinde upang malaya itong makagalaw na may kakayahang umangkop na mga ikalimang gilid ng lapad ng isang buhok ng tao, ay sumusuporta sa isa sa mga nakalalamang ibabaw. Ang iba pang nakalarawan na ibabaw, na nagsisilbing nakapirming sangguniang sanggunian ng accelerometer, ay binubuo ng isang hindi matitinag na microfabricated na concave mirror.

Sama-sama, ang dalawang nakasalamin na ibabaw at ang walang laman na puwang sa pagitan ng mga ito ay bumubuo ng isang puwang kung saan ang infrared na ilaw ng eksaktong tamang haba ng daluyong ay maaaring umalingawngaw o bounce pabalik-balik sa pagitan ng mga salamin, na lumilikha ng lakas. Ang haba ng daluyong ito ay natutukoy ng distansya sa pagitan ng dalawang salamin, tulad ng pitch ng isang natastas na gitara ay nakasalalay sa distansya sa pagitan ng fret ng instrumento at ng tulay nito. Kung ang patunay na masa ay gumagalaw bilang tugon sa bilis, binabago ang paghihiwalay sa pagitan ng mga salamin, ang haba ng haba ng resonance ay nagbabago din.

Upang masubaybayan ang mga pagbabago sa haba ng haba ng lukab ng lukab na may mataas na katumpakan, ang isang nakapirming solong-dalas na laser ay naka-lock sa lukab. Tulad ng ipinaliwanag sa isang kamakailan-lamang na publication Mga Sulat na OpticalGumamit din ang mga mananaliksik ng isang optical frequency comb na maaaring magamit bilang isang pinuno upang sukatin ang haba ng haba ng haba ng haba ng sukat upang sukatin ang haba ng agwat na may mataas na kawastuhan. Ang mga marka ng namumuno (ang mga ngipin ng suklay) ay maaaring maisip bilang isang serye ng mga laser na may pantay na spaced wavelength. Kapag ang dami ng katibayan ay gumagalaw sa panahon ng isang acceleration na nagpapababa o nagpapahaba sa lukab, ang tindi ng nasasalamin na ilaw ay nagbabago habang ang mga haba ng daluyong na nauugnay sa mga ngipin ng suklay ay tumutunog sa lukab.

Ang wastong pag-convert ng pag-aalis ng patunay na masa sa isang pagpabilis ay isang kritikal na hakbang na may problema sa karamihan ng mga magagamit na optomekanikal na accelerometers. Gayunpaman, tinitiyak ng bagong disenyo ng koponan na ang pabagu-bagong ugnayan sa pagitan ng pag-aalis ng patunay na masa at pagpabilis ay simple at madaling i-modelo sa mga unang prinsipyo ng pisika. Sa maikli, ang matibay na masa at sumusuporta sa mga beam ay idinisenyo upang kumilos tulad ng isang simpleng spring o harmonic oscillator na nanginginig sa isang solong dalas sa loob ng saklaw ng operating ng accelerometer.

Pinapayagan ng simpleng dinamikong tugon na ito ang mga siyentipiko na makamit ang mababang kawalan ng katiyakan sa pagsukat sa isang malawak na saklaw ng dalas ng pagpabilis (1 kilohertz hanggang 20 kilohertz) nang hindi kinakailangang i-calibrate ang aparato. Natatangi ang tampok na ito sapagkat ang lahat ng mga komersyal na accelerometer ay kailangang i-calibrate, na kung saan ay gugugol ng oras at mahal. Mula nang mailathala ang kanyang trabaho SA MATAAng mga mananaliksik ay gumawa ng maraming mga pagpapabuti na dapat ay bawasan ang kawalan ng katiyakan ng kanilang aparato sa halos 1%.

Kakayahang tuklasin ang mga pag-aalis ng isang masa ng katibayan na mas maliit sa isang daang libu-libo ng diameter ng isang hydrogen atomonakita ng optomekanikal na accelerometer ang mga pagpapabilis na kasing liit ng 32 bilyon ng isang net; kung saan g ay ang pagpabilis dahil sa gravity ng Earth. Ito ay isang mas mataas na katumpakan kaysa sa anumang accelerometer na may katulad na laki at bandwidth na kasalukuyang nasa merkado.

Sa karagdagang mga pagpapabuti, ang NIST optomekanikal na accelerometer ay maaaring magamit bilang isang portable, mataas na katumpakan na sanggunian ng sanggunian upang i-calibrate ang iba pang mga accelerometers nang hindi na kinakailangang dalhin sila sa isang lab.

Mga Sanggunian:

“Broadband thermomechanical limit sensing with optomekanical accelerometer” nina Feng Zhou, Yiliang Bao, Ramgopal Madugani, David A. Long, Jason J. Gorman at Thomas W. LeBrun, 9 Marso 2021, SA MATA.
DOI: 10.1364 / OPTICA.413117

Ni DA Long, BJ Reschovsky, F. Zhou, Y. Bao, TW LeBrun at JJ Gorman, “Ang electro-optic frequency ay nagsusuklay para sa mabilis na pagtatanong sa mga cavity optomekanika”, 29 Enero2021, Mga Sulat ng Optica.
DOI: 10.1364 / OL.405299

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang lumalaking problema ng “malalim na heograpiya”

Ang maaaring mukhang isang imahe ng Tacoma ay talagang isang simulate na nilikha sa pamamagitan ng paglilipat ng mga biswal na imahe ng Beijing...

Bagong Milky Way Exterior Destroyers Bagong Sky Map ay Inilabas – Madilim na Mahalagang Mga Konsepto ay Maaaring Magbigay ng Bagong Eksperimento

Ang mga astronomo ay naglabas ng isang bagong celestial map ng Milky Way galaxy na pinakamalapit sa aming kalawakan. Kredito: NASA / JPL-Caltech...

Susunod na Generation Stable Pop-Up na Istraktura na inspirasyon ni Origami

Ni Harvard John A. Paulson School of Engineering at Applied Science Abril 22, 2021 Ang hindi masusunog na kanlungan na ito ay hindi natatakpan ng makapal...

Pinalitan ng DNA ang Y Chromosome na Nag-aambag ng Maikling Buhay na Buhay sa Mga Lipad ng Lalaki

Pagpapayaman ng Heterochromatin sa lahat ng mga chromosome. Immunofluorescence stain ng H3K9me3 sa male mitotic chromosome. Bar scale ay 50μm. Kredito:...

Pinapayagan ng mga polimer na kumakain ng polimer ang “biodegradable” na mga plastik na tunay na masusunog

Ang ginagamot na plastik (kaliwa) ay naghiwalay pagkatapos ng tatlong araw lamang sa karaniwang pag-aabono (kanan) at ganap na makalipas ang dalawang linggo. ...

Newsletter

Subscribe to stay updated.