abril 19, 2021

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La mejor forma de medir la aceleración

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fotografía: Ilustración de un acelerómetro mecánico óptico que utiliza luz para medir la aceleración. El NIST está hecho de dos tiras de silicona, con luz láser infrarroja que ingresa por el soporte inferior y sale … de la pantalla. Más

Crédito: F. Zhou / NIST

Está viajando al límite de velocidad en una carretera de dos carriles cuando un automóvil sale de un carril a su derecha. Presiona los frenos y, en una fracción de segundo después de la colisión, el airbag se infla, lo que le evita lesiones graves o incluso la muerte.

El airbag se infla gracias al acelerómetro, un sensor que detecta cambios bruscos de velocidad. Los acelerómetros mantienen a los misiles y las aeronaves en la ruta de vuelo correcta, brindan navegación a los autos sin conductor y rotan las imágenes para que permanezcan boca arriba en teléfonos celulares y tabletas, entre otras funciones esenciales.

Para satisfacer la creciente demanda de mediciones de aceleración precisas en sistemas de navegación más pequeños y otros dispositivos, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un acelerómetro de solo un milímetro de grosor que utiliza luz láser en lugar de tensión mecánica para producir una señal.

Aunque algunos otros acelerómetros también dependen de la luz, el diseño del NIST hace que el proceso de medición sea más sencillo y proporciona una mayor precisión. También opera en un rango más amplio de frecuencias y ha sido probado de manera más rigurosa que dispositivos similares.

El NIST, conocido como acelerómetro mecánico óptico, no solo es mucho más preciso que los mejores acelerómetros comerciales, ni necesita someterse al proceso de calibración periódica que consume mucho tiempo. De hecho, dado que el dispositivo utiliza luz láser a una frecuencia conocida para medir la aceleración, en última instancia, puede funcionar como un estándar de referencia portátil para calibrar otros acelerómetros ahora en el mercado, haciéndolo más preciso.

El acelerómetro también tiene la capacidad de mejorar la navegación inercial en sistemas críticos como aviones militares, satélites y submarinos, especialmente cuando no hay una señal de GPS disponible. Los investigadores del NIST Jason Gorman, Thomas LeBron, David Long y sus colegas describen su trabajo para la revista. Visual.

Esta animación ilustra los principios operativos del nuevo acelerómetro. Este acelerómetro mecánico óptico está hecho de dos tiras de silicona. La primera diapositiva contiene un bloque de prueba sostenido por un conjunto de vigas de silicio, lo que permite que el bloque de prueba se mueva verticalmente. La parte superior del bloque tiene un revestimiento reflectante. La segunda diapositiva contiene un espejo hemisférico interno. Los espejos del bloque y el hemisferio juntos forman una cavidad óptica. La luz láser infrarroja se dirige al dispositivo. La mayoría de las frecuencias están completamente reflejadas. Sin embargo, la luz correspondiente a la frecuencia de resonancia se acumula dentro del lumen, aumentando en intensidad, hasta que la intensidad de la luz transmitida a través del lumen coincide con la entrada. La luz transmitida a través del lumen se puede detectar en el otro lado. A medida que el dispositivo acelera, la longitud de la cavidad cambia, cambiando la frecuencia de resonancia. Al hacer coincidir constantemente el láser con la frecuencia de resonancia en la cavidad, los investigadores pueden determinar la aceleración del dispositivo. Animación: Sean Kelley / NIST El estudio es parte de NIST on a Chip, un programa que lleva la experiencia en ciencia de medición y tecnología más reciente del instituto directamente a los usuarios del comercio, la medicina, la defensa y el mundo académico.

Los acelerómetros, incluido el nuevo dispositivo NIST, registran los cambios de velocidad al rastrear la posición de una masa que se mueve libremente, llamada “bloque de prueba”, en relación con un punto de referencia fijo dentro del dispositivo. La distancia entre el bloque de prueba y el punto de referencia no cambia a menos que el acelerómetro desacelere, aumente o cambie de dirección. Lo mismo es cierto si es un pasajero en un automóvil. Si el automóvil está en reposo o se mueve a una velocidad constante, la distancia entre usted y el tablero sigue siendo la misma. Pero si el automóvil frena repentinamente, lo empujan hacia adelante y la distancia entre usted y el tablero disminuirá.

El movimiento del bloque de prueba crea una señal detectable. El acelerómetro desarrollado por investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) se basa en la luz infrarroja para medir el cambio en la distancia entre dos superficies altamente reflectantes que rodean una pequeña región de espacio vacío. El bloque de prueba, sostenido por paquetes flexibles del ancho de un cabello humano para que pueda moverse libremente, sostiene una de las superficies del espejo. La otra superficie reflectante, que actúa como un punto de referencia fijo para el acelerómetro, consiste en un espejo cóncavo que no se mueve hecho de materiales finos.

Juntas, las dos superficies reflectantes y el espacio entre ellas forman una cavidad en la que solo la luz infrarroja de longitud de onda correcta puede resonar o rebotar entre los espejos, aumentando su intensidad. Esta longitud de onda está determinada por la distancia entre los dos espejos, ya que el tono del corte de la guitarra depende de la distancia entre los trastes del instrumento y el puente. Si el bloque de prueba se mueve en respuesta a la aceleración y la distancia entre los espejos cambia, entonces la longitud de la onda resonante también cambia.

Para rastrear los cambios en la longitud de onda resonante de la cavidad con alta sensibilidad, se bloquea un láser de frecuencia única fijo en la cavidad. Como se muestra en una publicación reciente en Letras de ópticaLos investigadores también utilizaron un peine de frecuencia óptica, un dispositivo que se puede usar como regla para medir la longitud de onda de la luz, para medir la longitud de la cavidad con alta precisión. Las marcas de regla (dientes de peine) se pueden considerar como una serie de láseres de longitudes de onda igualmente espaciadas. Cuando el bloque de prueba se mueve durante un período de aceleración, ya sea acortando o alargando el lumen, la intensidad de la luz reflejada cambia a medida que las longitudes de onda asociadas con los dientes del peine entran y salen del lumen.

La conversión precisa del desplazamiento de la masa de prueba a la aceleración es un paso crítico que ha sido un problema en la mayoría de los acelerómetros ópticos mecánicos actuales. Sin embargo, el nuevo diseño del equipo asegura que la relación dinámica entre el desplazamiento de la masa de prueba y la aceleración sea simple y fácil de modelar a través de los primeros principios de la física. En resumen, el bloque de prueba y la viga de soporte están diseñados para comportarse como un simple resorte u oscilador armónico que vibra a una sola frecuencia en el rango de operación del acelerómetro.

Esta simple respuesta dinámica permitió a los científicos lograr una baja incertidumbre de medición en una amplia gama de frecuencias de aceleración, desde 1 kHz hasta 20 kHz, sin la necesidad de calibrar el instrumento. Esta característica es única porque todos los acelerómetros comerciales deben calibrarse, lo que requiere mucho tiempo y es costoso. Desde que publicaron su estudio en Optica, los investigadores han realizado varias mejoras que reducirán la incertidumbre en sus dispositivos a casi un 1%.

Un acelerómetro mecánico óptico puede detectar desplazamientos de la masa guía de menos de una cienmilésima parte del diámetro de un átomo de hidrógeno y detectar una aceleración de hasta 32 mil millonésimas de ag, donde g es la aceleración debida a la gravedad de la Tierra. Esta es una sensibilidad más alta que la de todos los acelerómetros actualmente en el mercado con el mismo tamaño y ancho de banda.

Con más mejoras, el acelerómetro mecánico óptico NIST se puede utilizar como un dispositivo de referencia portátil de alta precisión para calibrar otros acelerómetros sin tener que llevarlos al laboratorio.

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Documento 1: F. Zhou, Y. Bao, R. Madugani, DA Long, JJ Gorman y Thomas W. LeBrun. Sensor de banda ancha limitada mecánicamente con acelerómetro mecánico óptico. Visual. Publicado el 8 de marzo de 2021. DOI: 10.1364 / OPTICA.413117

Documento 2: DA Long, BJ Reschovsky, F. Zhou, Y. Bao, TW LeBrun y JJ Gorman. Peines fotoeléctricos de frecuencia para interrogatorios rápidos en mecánica óptica lumínica. Letras de óptica. Publicado el 29 de enero de 2021. DOI: 10.1364 / OL.405299

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