Подушка безопасности срабатывает благодаря акселерометру - датчику, который обнаруживает внезапные изменения скорости. Акселерометры удерживают ракеты и самолеты на правильной траектории полета, обеспечивают навигацию для самоуправляемых автомобилей и поворачивают изображения так, чтобы они оставались правой стороной вверх на мобильных телефонах и планшетах, среди других важных задач.

Удовлетворяя растущий спрос на точное измерение ускорения в небольших навигационных системах и других устройствах, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали акселерометр толщиной всего в миллиметр, который использует лазерный свет вместо механического напряжения для получения сигнала.

Хотя некоторые другие акселерометры также полагаются на свет, конструкция прибора NIST делает процесс измерения более простым, обеспечивая более высокую точность. Он также работает в большем диапазоне частот и прошел более тщательные испытания, чем аналогичные устройства.

Устройство NIST, известное как оптико-механический акселерометр, не только намного точнее лучших коммерческих акселерометров, но и не нуждается в длительном процессе периодической калибровки. Фактически, поскольку прибор использует лазерный луч известной частоты для измерения ускорения, он в конечном итоге может служить портативным эталоном для калибровки других акселерометров, представленных в настоящее время на рынке, что делает их более точными.

Акселерометр также обладает потенциалом для улучшения инерциальной навигации в таких критически важных системах, как военные самолеты, спутники и подводные лодки, особенно когда сигнал GPS недоступен. Исследователи NIST Джейсон Горман, Томас Лебрен, Дэвид Лонг и их коллеги описывают свою работу в журнале Оптика.

Эта анимация демонстрирует принципы работы нового акселерометра. Этот оптико-механический акселерометр состоит из двух кремниевых чипов. Первый чип имеет пробную массу, подвешенную на наборе кремниевых балок, что позволяет пробной массе перемещаться вертикально. Верхняя часть массы имеет зеркальное покрытие. Второй чип имеет встроенное полусферическое зеркало. Вместе массивное и полусферическое зеркала образуют оптический резонатор. Инфракрасный лазерный луч направляется в устройство. Большинство частот отражается полностью. Однако свет, соответствующий резонансной частоте, накапливается внутри резонатора, увеличивая интенсивность до тех пор, пока интенсивность света, передаваемого резонатором, не будет соответствовать входной. Свет, проходящий через резонатор, может быть обнаружен с другой стороны. Когда устройство ускоряется, длина полости изменяется, смещая резонансную частоту. Непрерывно настраивая лазер на резонансную частоту резонатора, исследователи могут определить ускорение устройства. Анимация: Шон Келли / NIST Исследование является частью NIST on a Chip, программы, которая предоставляет передовые технологии и опыт института в области измерений непосредственно пользователям в сфере торговли, медицины, обороны и академических кругов.

Акселерометры, включая новое устройство NIST, регистрируют изменения скорости, отслеживая положение свободно движущейся массы, получившей название "пробная масса", относительно фиксированной контрольной точки внутри устройства. Расстояние между пробной массой и контрольной точкой изменяется только в том случае, если акселерометр замедляется, ускоряется или меняет направление. То же самое верно, если вы пассажир в автомобиле. Если автомобиль находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью, расстояние между вами и приборной панелью остается неизменным. Но если машина внезапно тормозит, вас бросает вперед, и расстояние между вами и приборной панелью уменьшается.

Движение пробной массы создает обнаруживаемый сигнал. Акселерометр, разработанный исследователями NIST, использует инфракрасный свет для измерения изменения расстояния между двумя поверхностями с высокой отражающей способностью, которые ограничивают небольшую область пустого пространства. Защитная масса, подвешенная на гибких балках шириной в одну пятую человеческого волоса, чтобы она могла свободно перемещаться, поддерживает одну из зеркальных поверхностей. Другая отражающая поверхность, которая служит фиксированной точкой отсчета акселерометра, состоит из неподвижного вогнутого зеркала микрообработки.

Вместе две отражающие поверхности и пустое пространство между ними образуют полость, в которой инфракрасный свет нужной длины волны может резонировать или отражаться назад и вперед между зеркалами, увеличивая интенсивность. Эта длина волны определяется расстоянием между двумя зеркалами, подобно тому, как высота звука щипковой гитары зависит от расстояния между ладом инструмента и мостом. Если пробная 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, к резонатору подключается стабильный одночастотный лазер. Как описано в недавней публикации в Буквы оптики Исследователи также использовали оптическую частотную гребенку - устройство, которое можно использовать в качестве линейки для измерения длины волны света - для измерения длины резонатора с высокой точностью. Разметку линейки (зубья гребенки) можно рассматривать как серию лазеров с равными расстояниями между длинами волн. Когда пробоотборная масса перемещается в течение периода ускорения, либо укорачивая, либо удлиняя полость, интенсивность отраженного света изменяется по мере того, как длины волн, связанные с зубьями гребенки, входят в резонанс с полостью и выходят из него.

Точное преобразование смещения пробной массы в ускорение является критическим шагом, который был проблематичным в большинстве существующих оптико-механических акселерометров. Однако новый дизайн команды гарантирует, что динамическая взаимосвязь между перемещением пробной массы и ускорением проста и ее легко смоделировать с помощью первых принципов физики. Короче говоря, защитная масса и опорные балки сконструированы таким образом, что они ведут себя как простая пружина или гармонический генератор, который вибрирует с одной частотой в рабочем диапазоне акселерометра.

Этот простой динамический отклик позволил ученым достичь низкой погрешности измерений в широком диапазоне частот ускорения - от 1 до 20 килогерц - без необходимости калибровки устройства. Эта функция уникальна тем, что все коммерческие акселерометры должны быть откалиброваны, что отнимает много времени и дорого. С момента публикации своего исследования в журнале Optica исследователи внесли несколько улучшений, которые должны снизить неопределенность их устройства почти до 1%.

Способный измерять смещения пробной массы, которые составляют менее одной стотысячной диаметра атома водорода, оптико-механический акселерометр обнаруживает ускорения до 32 миллиардных долей g, где g - ускорение, обусловленное гравитацией Земли. Это более высокая чувствительность, чем у всех акселерометров, представленных сейчас на рынке, с аналогичными размерами и пропускной способностью.

С дальнейшими усовершенствованиями оптомеханический акселерометр NIST можно было бы использовать в качестве портативного высокоточного эталонного устройства для калибровки других акселерометров без необходимости приносить их в лабораторию.