روشی بهینه برای اندازه‌گیری شتاب: شتاب‌سنجی ریز، که از نور لیزر برای تولید سیگنال استفاده می‌کند.
شکل زیر تصویر شتاب‌سنج اپتومکانیکی است، که از نور لیزر برای اندازه‌گیری شتاب استفاده می‌کند. دستگاه NIST از دو تراشه سیلیکونی تشکیل شده است که در آن نور لیزر مادون قرمز به تراشه پایین وارد و از تراشه بالا خارج می‌شود. تراشه بالایی حاوی یک جرم شاهد معلق شده توسط پرتوهای سیلیکون است که موجب می‌شود که جرم در پاسخ به شتاب، آزادانه به بالا و پایین برود. پوششی آینه‌ای بر روی جرم شاهد و یک آینه نیم‌کره‌ای متصل به تراشه پایین، یک محفظه و حفره نوری را ایجاد می‌کند. طول موج نور مادون قرمز به‌گونه‌ای انتخاب می‌شود که تقریباً با طول موج رزونانس حفره مطابقت داشته باشد و نور را به‌شدت مشخصی می‌رساند زیرا قبل از خروج بارها و بارها بین دو سطح آینه‌ای رفت وبرگشت می‌کند. هنگامی‌که دستگاه شتابی را تجربه می‌کند، جرم شاهد حرکت کرده و نتیجتاً طول حفره و طول موج رزونانس را تغییر می‌دهد. این رویداد باعث تغییر شدت نور منعکس شده می‌شود. لذا یک بازخوانی نوری می‌تواند تغییر شدت را به اندازه‌گیری شتاب تبدیل کند.
هنگامی‌که در یک سفر جاده‌ای مجبور به ترمز ناگهانی می‌شوید، کیسه هوا باد شده و شما را از آسیب جدی یا حتی مرگ نجات می‌دهد.
کیسه هوا به لطف شتاب‌سنج عمل می‌کند – حسگری که تغییرات ناگهانی سرعت را تشخیص می‌دهد-. شتاب‌سنج‌ها، موشک‌ها و هواپیماها را در مسیر صحیح پرواز نگه می‌دارند، راهیابی را برای اتومبیل‌های خودران فراهم می‌کنند.
محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) با توجه به افزایش تقاضا برای اندازه‌گیری دقیق شتاب در سیستم‌های ناوبری کوچک‌تر و سایر دستگاه‌ها، یک شتاب‌سنج با ضخامت یک میلی‌متر ساخته‌اند که برای تولید سیگنال به‌جای فشار مکانیکی از نور لیزر استفاده می‌کند.
اگرچه چندین شتاب‌سنج متکی به نور وجود دارد، اما طراحی ابزار NIST فرایند اندازه‌گیری را ساده‌تر کرده و دقت آن را بالاتر برده است. همچنین این دستگاه محدوده فرکانسی بیشتری داشته و دقیق‌تر از دستگاه‌های مشابه آزمایش شده می‌باشد.
دستگاه NIST نه تنها شتاب‌سنج اپتومکانیکی بسیار دقیق‌تری نسبت به بهترین شتاب‌سنج‌های تجاری است، بلکه نیازی به انجام فرآیند زمانبر کالیبراسیون‌های دوره‌ای نیز ندارد. در حقیقت، از آنجا که این دستگاه برای اندازه‌گیری شتاب، از نور لیزری با فرکانس شناخته شده استفاده می‌کند، می‌تواند به‌عنوان یک استاندارد مرجع قابل حمل برای کالیبره کردن دقیق‌تر شتاب‌سنج‌های دیگر موجود در بازار استفاده شود.
این شتاب‌سنج توانایی بهبود ناوبری اینرسی[1] را در سیستم‌های حیاتی مانند هواپیماهای نظامی، ماهواره‌ها و زیردریایی‌ها به‌ویژه هنگامی‌که سیگنال GPS در دسترس نیست، خواهد داشت.
این شتاب‌سنج‌ها با ردیابی موقعیت جرم آزاد متحرک، “جرم شاهد”، نسبت به یک نقطه مرجع ثابت در داخل دستگاه، تغییرات سرعت را ثبت می‌کنند. حرکت جرم شاهد یک سیگنال قابل تشخیص ایجاد می‌کند. فاصله بین جرم شاهد و نقطه مرجع فقط در صورت تغییر جهت یا کاهش و افزایش سرعت تغییر می‌کند. درست مانند زمانی‌که مسافر اتومبیل هستید. اگر ماشین متوقف باشد یا با سرعت ثابت حرکت کند، فاصله بین شما و داشبورد ثابت می‌ماند، اما اگر ماشین به‌طور ناگهانی ترمز کند، شما به جلو پرتاب می‌شوید و فاصله بین شما و داشبورد کاهش می‌یابد.
شتاب‌سنج توسعه یافته توسط محققان NIST، تغییر فاصله بین دو سطح بازتابنده را در فضای خالی کوچک، به کمک نور مادون قرمز اندازه‌گیری می‌کند. یکی از سطوح آینه‌ای مربوط به جرم شاهد است، که توسط پرتوهای انعطاف‌پذیری به عرض یک پنجم موی انسان معلق شده و آزادانه حرکت می‌کند. سطح بازتابنده دیگر، که به‌عنوان نقطه مرجع ثابت شتاب‌سنج عمل می‌کند، یک میکرو آینه مقعر غیرمتحرک می‌باشد.
این دو سطح آینه‌ای و فضای خالی بین آن‌ها حفره‌ای را تشکیل می‌دهند که در آن نور مادون قرمز دقیقاً با طول موج مناسب می‌تواند تشدید شود، یا با رفت و برگشت بین آینه‌ها شدت خود را تغییر دهد. این طول موج با فاصله بین دو آینه تعیین می‌شود، همان‌طور که گام یک گیتار، به فاصله بین فرت و پلِ ساز بستگی دارد. اگر جرم شاهد در پاسخ به شتاب حرکت کند، با تغییر در فاصله آینه‌ها، طول موج تشدید نیز تغییر می‌کند.
برای ردیابی دقیق تغییرات طول موج تشدید کاواک، یک لیزر تک فرکانس پایدار در کاواک قفل می‌شود. در انتشار اخیر Optics Letters اشاره شده است که محققان برای اندازه‌گیری دقیق طول کاواک از یک شانه فرکانسی نوری استفاده کرده‌اند – دستگاهی که می‌توان از آن به‌عنوان خط‌کش جهت اندازه‌گیری طول موج نور بهره برد -. علامت‌گذاری‌های خط‌کش (دندانه‌های شانه) را می‌توان به‌عنوان مجموعه‌ای از لیزرها با طول موج‌هایی به‌همان فاصله در نظر گرفت. وقتی جرم شاهد در حرکتی شتابدار جابجا شود، کاواک کوتاه یا بلندتر می‌شود، با حرکت طول موج‌های مرتبط با دندانه‌های شانه در داخل و خارج از رزونانس حفره، شدت نور منعکس شده تغییر می‌کند.
تبدیل دقیق جابجایی جرم شاهد به شتاب گام مهمی است که در بیشتر شتاب‌سنج‌های اپتومکانیکی موجود مشکل‌ساز بوده است. با این‌حال، طراحان جدید این تیم اطمینان می‌دهند که به کمک اصول اولیه فیزیک مدل‌سازی رابطه دینامیکی بین جابجایی جرم شاهد و شتاب آن‌ها، بسیار ساده و آسان است. به‌طور خلاصه می‌گویند، جرم شاهد و باریکه‌های محافظ به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که مانند یک فنر ساده یا یک نوسان‌ساز هارمونیکی رفتار می‌کنند و با یک فرکانس واحد در محدوده عملکرد شتاب‌سنج ارتعاش می‌کند.
این پاسخ دینامیکی ساده، دانشمندان را قادر ساخت تا بدون نیاز به کالیبره کردن دستگاه به عدم قطعیت اندازه‌گیری در دامنه وسیعی از فرکانس‌های شتاب – 1 تا 20 کیلوهرتز – دست پیدا کنند. این ویژگی بسیار منحصربه‌فرد است زیرا همه شتاب‌سنج‌های تجاری باید کالیبره شوند که این کار وقت‌گیر و هزینه‌بر است. از زمان انتشار این مقاله در Optica ، محققان به پیشرفت‌هایی رسیده‌اند که عدم اطمینان دستگاه آن‌ها را به نزدیک 1٪ کاهش می‌دهد.
این تکنیک با قابلیت جابجایی جرم شاهد کمتر از صد هزارم قطر یک اتم هیدروژن، شتاب‌های کوچک تا 32 میلیاردم g (شتاب ناشی از گرانش زمین) را تشخیص می‌دهد. این حساسیت بالاتر از همه شتاب‌سنج‌های موجود در بازار با اندازه و پهنای باند مشابه است.
با پیشرفت‌های بیشتر، شتاب‌سنج نوری NIST می‌تواند به‌عنوان یک دستگاه مرجع قابل حمل و با دقت بالا برای کالیبره کردن شتاب‌سنج‌های دیگر مورد استفاده قرار گیرد.
منابع:
- https://scitechdaily-com.cdn.ampproject.org/v/s/scitechdaily.com/a-better-way-to-measure-acceleration-tiny-accelerometer-uses-laser-light-to-produce-a- ignal/amp/?amp_js_v=a6&_gsa=1&usqp=mq331AQHKAFQArABIA%3D%3D#aoh=16158852459310&referrer=https%3A%2F%2Fwww.google.com&_tf=From%20%251%24s&share=https%3A%2F%2Fscitechdaily.com%2Fa-better-way-to-measure-acceleration-tiny-accelerometer-uses-laser-light-to-produce-a-signal%2F
- “Broadband thermomechanically limited sensing with an optomechanical accelerometer” by Feng Zhou, Yiliang Bao, Ramgopal Madugani, David A. Long, Jason J. Gorman and Thomas W. LeBrun, 9 March 2021, Optica.
- “Electro-optic frequency combs for rapid interrogation in cavity optomechanics” by D. A. Long, B. J. Reschovsky, F. Zhou, Y. Bao, T. W. LeBrun and J. J. Gorman, 29 January 2021, Optica Letters.
[1] Inertial navigation system