Je rijdt met de snelheidslimiet over een tweebaansweg wanneer een auto een oprit aan je rechterkant uitrijdt. Je trapt op de rem, en binnen een fractie van een seconde na de botsing wordt een airbag opgeblazen, om u te behoeden voor ernstig letsel of zelfs de dood.

De airbag wordt geactiveerd dankzij een accelerometer - een sensor die plotselinge veranderingen in snelheid detecteert. Versnellingsmeters houden raketten en vliegtuigen op de juiste vliegbaan, navigatie voor zelfrijdende auto's, en roteer afbeeldingen zodat ze rechtop blijven staan ​​op mobiele telefoons en tablets, onder andere essentiële taken.

Inspelen op de toenemende vraag om de acceleratie nauwkeurig te meten in kleinere navigatiesystemen en andere apparaten, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een versnellingsmeter ontwikkeld van slechts een millimeter dik die laserlicht gebruikt in plaats van mechanische belasting om een ​​signaal te produceren.

Hoewel een paar andere versnellingsmeters ook afhankelijk zijn van licht, het ontwerp van het NIST-instrument maakt het meetproces eenvoudiger, hogere nauwkeurigheid bieden. Het werkt ook over een groter frequentiebereik en is strenger getest dan vergelijkbare apparaten.

Het NIST-apparaat is niet alleen bekend als een optomechanische versnellingsmeter, veel nauwkeuriger dan de beste commerciële versnellingsmeters, het hoeft niet het tijdrovende proces van periodieke kalibraties te ondergaan. In feite, omdat het instrument laserlicht van een bekende frequentie gebruikt om versnelling te meten, het kan uiteindelijk dienen als een draagbare referentiestandaard voor het kalibreren van andere versnellingsmeters die nu op de markt zijn, waardoor ze nauwkeuriger worden.

De versnellingsmeter heeft ook het potentieel om traagheidsnavigatie te verbeteren in kritieke systemen zoals militaire vliegtuigen, satellieten en onderzeeërs, vooral wanneer er geen GPS-signaal beschikbaar is. NIST-onderzoekers Jason Gorman, Thomas LeBrun, David Long en hun collega's beschrijven hun werk in het tijdschrift optiek .

De studie maakt deel uit van NIST on a Chip, een programma dat de geavanceerde meetwetenschappelijke technologie en expertise van het instituut rechtstreeks naar gebruikers in de handel brengt, medicijn, defensie en de academische wereld.

versnellingsmeters, inclusief het nieuwe NIST-apparaat, veranderingen in snelheid registreren door de positie van een vrij bewegende massa te volgen, genaamd de "bewijsmassa, " ten opzichte van een vast referentiepunt in het apparaat. De afstand tussen de proefmassa en het referentiepunt verandert alleen als de versnellingsmeter vertraagt, versnelt of van richting verandert. Hetzelfde geldt als je een passagier in een auto bent. Als de auto stilstaat of met constante snelheid rijdt, de afstand tussen jou en het dashboard blijft hetzelfde. Maar als de auto plotseling remt, je wordt naar voren geslingerd en de afstand tussen jou en het dashboard wordt kleiner.

De beweging van de proefmassa creëert een detecteerbaar signaal. De versnellingsmeter die is ontwikkeld door NIST-onderzoekers vertrouwt op infrarood licht om de verandering in afstand te meten tussen twee sterk reflecterende oppervlakken die een klein gebied van lege ruimte boeken. De bewijsmassa, die wordt opgehangen door flexibele balken een vijfde van de breedte van een mensenhaar, zodat het vrij kan bewegen, ondersteunt een van de gespiegelde oppervlakken. Het andere reflecterende oppervlak, dat dient als het vaste referentiepunt van de versnellingsmeter, bestaat uit een onwrikbare microgefabriceerde holle spiegel.

Samen, de twee reflecterende oppervlakken en de lege ruimte ertussen vormen een holte waarin infrarood licht van precies de juiste golflengte kan resoneren, of heen en weer stuiteren, tussen de spiegels, intensiteit opbouwen. Die golflengte wordt bepaald door de afstand tussen de twee spiegels, net zoals de toonhoogte van een getokkelde gitaar afhangt van de afstand tussen de fret van het instrument en de brug. Als de bewijsmassa beweegt als reactie op versnelling, de scheiding tussen de spiegels veranderen, de resonantiegolflengte verandert ook.

Om de veranderingen in de resonantiegolflengte van de holte met hoge gevoeligheid te volgen, een stabiele laser met één frequentie is op de holte vergrendeld. Zoals beschreven in een recente publicatie in Optica Letters , de onderzoekers hebben ook een optische frequentiekam gebruikt - een apparaat dat kan worden gebruikt als een liniaal om de golflengte van licht te meten - om de lengte van de holte met hoge nauwkeurigheid te meten. De markeringen van de liniaal (de tanden van de kam) kunnen worden gezien als een reeks lasers met gelijkmatig verdeelde golflengten. Wanneer de proefmassa beweegt tijdens een versnellingsperiode, ofwel verkorten of verlengen van de holte, de intensiteit van het gereflecteerde licht verandert naarmate de golflengten van de kamtanden in en uit resonantie met de holte bewegen.

Het nauwkeurig omzetten van de verplaatsing van de proefmassa in een versnelling is een cruciale stap die problematisch is geweest in de meeste bestaande optomechanische versnellingsmeters. Echter, het nieuwe ontwerp van het team zorgt ervoor dat de dynamische relatie tussen de verplaatsing van de proefmassa en de versnelling eenvoudig en gemakkelijk te modelleren is door middel van de eerste principes van de fysica. Kortom, de proefmassa en steunbalken zijn zo ontworpen dat ze zich gedragen als een eenvoudige veer, of harmonische oscillator, die trilt met een enkele frequentie in het werkbereik van de versnellingsmeter.

Deze eenvoudige dynamische respons stelde de wetenschappers in staat een lage meetonzekerheid te bereiken over een breed bereik van versnellingsfrequenties - 1 kilohertz tot 20 kilohertz - zonder ooit het apparaat te hoeven kalibreren. Deze functie is uniek omdat alle commerciële versnellingsmeters gekalibreerd moeten worden, wat tijdrovend en duur is. Sinds de publicatie van hun studie in optiek , de onderzoekers hebben verschillende verbeteringen aangebracht die de onzekerheid van hun apparaat tot bijna 1% zouden moeten verminderen.

In staat om verplaatsingen van de proefmassa waar te nemen die kleiner zijn dan honderdduizendste van de diameter van een waterstofatoom, de optomechanische versnellingsmeter detecteert versnellingen zo klein als 32 miljardste van een g, waarbij g de versnelling is als gevolg van de zwaartekracht van de aarde. Dat is een hogere gevoeligheid dan alle versnellingsmeters die nu op de markt zijn met vergelijkbare grootte en bandbreedte.

Met verdere verbeteringen, de NIST optomechanische versnellingsmeter kan worden gebruikt als een draagbare, zeer nauwkeurig referentieapparaat om andere versnellingsmeters te kalibreren zonder ze naar een laboratorium te hoeven brengen.