Interferómetro atómico cuántico para detección de movimiento de precisión
El presente especificado de la técnica de detección de movimiento incorporado se basa en dispositivos de sistemas micro-electromecánicos (MEMS). Estos milagros de microfabricación utilizan pequeñas estructuras de silicio, configuradas para detectar la aceleración, así como la velocidad de rotación en tres dimensiones. Acumula estas aceleraciones, así como las rotaciones, así como el que tiene un gadget que puede descubrir su posicionamiento, así como el movimiento de la pista sin ningún tipo de puntos de referencia externos. Esta es la base del método de reckoning muerto.
¿Por qué nos preocupamos por el cálculo de muertos de todos modos? Seguramente GPS, así como los sistemas de posicionamiento asociados son lo suficientemente grandes). Por encima del suelo, el GPS suele ser lo suficientemente grande, sin embargo, sin embargo, bajo el agua, así como un bajo nivel, simplemente no funcionará. Incluso dirigirse dentro de su hogar tiene un impacto notable en la intensidad de la señal GPS, por lo que sí, requerimos un método más para algunas aplicaciones.
En este momento, el presente especificado de la técnica en los sensores portátiles son dispositivos MEMS, así como puede obtenerlos por el gasto de una hamburguesa. Sin embargo, si desea la máxima precisión, querrá un interferómetro atómico cuántico. Lo que es, así como exactamente cómo será posible hacer que uno sea suficiente para ser útil, es la mitad de la historia. Sin embargo, primero, hablemos MEMS.
Fusión de los sensores.
Dado un ajuste preliminar, así como las aceleraciones acumuladas en 3D, es posible realizar un seguimiento de la posición, por un corto tiempo, al menos. Según este Informe de la Universidad de Cambridge de Cambridge sobre los sistemas de navegación inercial, con un sistema de seguimiento de inercial con sede en MEMS, el error posicional puede superar a 150 metros en menos de un minuto, ya que los errores no son típicos, se acumulan.
Las mejoras se pueden hacer fusionando datos de otros sensores al modelo de navegación. Todo depende de dónde estás; Aquí, aquí, en la Tierra, se pueden tomar entradas de datos adicionales de un magnetómetro, así como también un altímetro. Se ha demostrado que solo agregar los datos del magnetómetro solo pueden reducir el error de 150 metros a solo 5 metros. El estudio de investigación tiene pocos años, sin embargo, esperamos que sea correcto, ya que el desarrollo con MEMS Innovation no ha mejorado mucho.
¿Quieres ver exactamente cuán grande o mala navegación inercial está en la vida genuina? Un gran gadget para hacer todas las cosas de combinación de múltiples sensores desafiantes es el BOSCH BNO055, para el cual AdaFruit ha aparecido en un módulo. Solo puede querer limpiarlo en cuaternions antes de hacerlo, la mente.
Todas estas medidas mostrarán un error, que tendrá una distribución estadística específica. Un método para reducir este error es utilizando el filtrado de Kalman, que se utiliza en gran medida por los sistemas de navegación inercial. Un filtro de Kalman permite una mayor comprensión de las incógnitas en un modelo, así como esencialmente se ajusta a lo largo del tiempo, para permitir una mayor influencia de los puntos de medición con la menor incertidumbre. El resultado es idealmente una reparación posicional mucho mejor, así como un concepto de qué método que está apuntando actualmente. Pero, aún no puede salirse con él durante mucho tiempo, el error aún está allí, así como también se acumulará su tiempo suficiente. El presente estudio de investigación parece sugerir una cifra de error de aproximadamente el 5% de la distancia general recorrida, el mejor caso. El plazo más largo, la navegación inercial del sub-metro es el objetivo, así como aún no estamos allí.
Sensores MEMS: FUENTES DE ERROR
Un Gyro MEMS utiliza una masa resonante dentro de un marco aislado
El Gyro MEMS es un dispositivo dinámico, ya que consiste en una pequeña estructura de vibración que detecta la tasa de rotación angular al aprovechar el efecto de Coriolis. Un cambio mecánico se induce ortogonal a la dirección de vibración, que se detecta como un poco de modificación en la capacitancia.
Los sensores de Gyro generalmente muestran dos tipo de error primario; Un sesgo de velocidad, así como un error de caminata aleatoria de ángulo, este último se debe al ruido blanco termo-mecánico, así como el ruido parpadeante en la cadena de señal electrónica. El error aleatorio de caminata crece con el tiempo, lo que contribuye principalmente al error de posicionamiento absoluto general. Sin embargo, el sesgo de la tasa se puede determinar de largo y duradero, así como cancelado en gran medida. Hay algunos otros llamados impactos de calibración que impactan la estabilidad, así como también contribuirán con términos de error que son más difíciles de compensar.
Un acelerómetro MEMS es mucho más simple.
El acelerómetro MEMS tiene una estructura más estática, así como es esencialmente un aspecto suspente que se desvía en un eje a causa de la aceleración. Este cambio mecánico también se elige como una pequeña modificación en la capacitancia. Una vez más, tenemos las mismas dos fuentes primarias de error; Error de sesgo de aceleración, así como un error de caminata aleatoria de velocidad. El error de sesgo ahora es más complicado, ya que en este mundo tenemos gravedad, así como para cancelar el error de sesgo, el requisito de entender el posicionamiento del sensor. Afortunadamente con una combinación multi-sensor.Sistema, el posicionamiento se puede determinar, así como este sesgo puede ser compensado. El error de caminata aleatorio de Velocity se vuelve nuevamente debido a los impactos termo-mecánicos, así como los acumulados con el tiempo. Además, al igual que el Gyro, hay elementos de error adicionales que se suman al problema.
Otros sensores utilizados para sistemas de navegación inercial tendrán todas sus propias fuentes de error, así como a sumar la complejidad del problema. Hay giros ópticos disponibles, por ejemplo, el sonido de la láser gyro y más dispositivos esotéricos, sin embargo, estos no son necesariamente simples de hacer verdaderamente pequeños. Por ejemplo, el gyro del láser de sonido es menos preciso cuanto más pequeño lo hace debido al límite en la longitud máxima del camino del haz. Es por esto que el presente estudio de investigación está tomando un enfoque extremadamente diferente para este tipo de detección; a saber, el interferómetro del átomo.
Interferometría atómica
En 1924, el físico francés Louis de Broglie sugirió que la materia se comporta como una onda, con una longitud de onda igual a la división constante de Planck por su impulso. Esto significaba que al igual que la luz, las ondas de materia pueden ser difractadas, así como crear patrones de interferencia. En esta situación, las ondas son manipuladas con láseres, lo que nos lleva a la parte divertida. Sin embargo, tenga en cuenta que, a diferencia de la luz, los átomos son enormes, así como tales, la gravedad tiene una influencia, como veremos.
Seis vigas láser ortogonales que se cruzan, así como un par de bobinas anti-Helmholtz tipo una trampa magneto-óptica
Los experimentos de interferómetro de la mayoría de los interferómetros átomos parecen operar de manera similar, ya que todos dependen de un recipiente de presión al alto de vacío, así como para utilizar una trampa magneto-óptica para increíble, así como un flujo de un flujo de átomos de rubidio creados a partir de alguna fuente. Este gadget utiliza seis vigas láser de intersección, circularmente polarizadas, dirigidas al centro del dispositivo, con un par de bobinas anti-Helmholtz en la parte superior y inferior.
Una bobina de Helmholtz está configurada para producir un campo magnético uniforme, utilizando un solo par de bobinas, con una transmisión actual en la misma dirección exactamente. La bobina anti-Helmholtz (también conocida como la bobina de gradiente Maxwell), simplemente se acerca a una de las bobinas, para crear un gradiente de campo magnético, con un campo cero en el centro. Precisamente lo que necesitamos para atrapar a esos molestos átomos de bits.
Los fotones de los láseres de contención proporcionan a los átomos un poco comienzan el impulso, así como debido al efecto Zeeman, el campo magnético en forma especial garantiza que los átomos tienen más probabilidades de empujarse hacia el nulo óptico en el centro de la trampa. Sobre los típicos de los átomos en el centro de trampas, lenta hacia abajo suficiente para alcanzar temperaturas de unas pocas micro-kelvinas. Que es alegre frío.
El siguiente bit es donde las cosas se ponen un poco extrañas. La trampa se apaga, así como al instante, cada uno de los átomos adecuadamente frígidos se golpea con un pulso láser especialmente preparado, desarrollado por un par de láseres opuestos, ya sea que se efectúan los cambios de Raman o Bragg, dependiendo de las propiedades de los pulsos láser. Los átomos se requieren en una superposición cuántica de ser golpeado tanto y no golpeado por el pulso. Esto desencadena los átomos a la modificación del impulso, así como el estado. (Y no, simultáneamente, es la superposición de los estados, ¿verdad?) La nube átomo diverge, así como dependiendo del movimiento de la célula, interfiere con sí misma a medida que se expande desde el centro de la trampa.
Cuando un láser de bajo consumo ilumina la nube Atom, la superposición se derrumba, así como el patrón de interferencia se observa en un CCD de put adecuadamente. Al decodificar este patrón, es posible inferir la velocidad angular además de la aceleración, con una precisión increíble que abrirá nuevas aplicaciones tanto en la Tierra como más allá. La NASA está interesada por uno. Para obtener más detalles sobre la interferometría Atom, realice la introducción de esta introducción de Berkeley Física.
Sentido práctico
Todo esto es de BIT utilizado como un gadget de navegación si no puede sacarlo del laboratorio, así como la reducción de tamaño, lo hace confiable y lo hace barato. Parece fácil, ¿verdad? Veamos las demandas de un giroscopio atómico: requiere un recipiente a presión con ventanas ópticamente puras, generalmente zafiro, que puede conservar una presión de menos de 10-7 torr con una contaminación extremadamente baja. Igualmente requiere los mismos los láseres, con filtros asociados, así como a la gestión de la electrónica. Todas esas cosas se pueden miniaturizar, incluso hasta el tamaño del chip, sin embargo, preservando ese vacío es un gran desafío. El método habitual para bajar a una presión de vacío baja es con una bomba turbomolecular, en combinación con una bomba de iones. Hacer que estos más pequeños hayan demostrado ser problemático.
Un paquete de vacío bombeado pasivo.
Ahora existe la posibilidad de eliminar el requisito para ese complejo, así como el sistema de vacío voluminoso. Un equipo de Sandia National Laboratories, así como la Universidad de Oklahoma, ha establecido un método para lograr el vacío ultra altos (UHV) necesario para las aplicaciones de giroscopios atómicas de guía inercial, sin el requisito de bombas turbo, bombas de iones o cualquier tYPE de bombas en absoluto. Ok, ese último bit no es estrictamente cierto, ya que necesitaban obtener el vacío al nivel preferido por primera vez, así como los métodos básicos, sin embargo, cuando se lograron las condiciones preliminares, el recipiente de presión podría ser sellado Permanentemente, así como las bombas eliminadas.
Getter sinterizado de circonio típico a través de Saesgetters.com
El sistema depende de la quimisión de utilización de los getters porosos sinterizados, que son un tipo de creador no evaporable (NEG). Estos gadgets pasivos simples se desarrollan a partir de una estructura porosa sinterizada de polvo de circonio, así como otros materiales, envueltos alrededor de un elemento de calentamiento eléctrico. Cuando se produce, están sujetos a aire, desarrollando un acabado pasivador, así como para protegerlos de la contaminación. Cuando se instala en una cámara de vacío, el GETTER se activa calentándolo durante el proceso de bombeo. Esto difunde la capa de pasivación en la mayor parte de la estructura, así como proporciona una superficie activada preparada para adsortar cualquier tipo de contaminantes durante la bomba, así como más adelante cuando la cámara está sellada. Los Getters son bastante típicos en muchos dispositivos de vástagos de vacío en el hogar, desde bombillas incandescentes, hasta válvulas de radio, sin embargo, los Getters utilizados aquí están un poco más especializados que los de los antiguos, así como capaces de agarrar más átomos en un período más largo como así como los mantienen contenidos.
Todo el punto aquí es que para tener un pequeño grupo puro de átomos de rubidium súper impresionantes para empujar con los láseres, el primer requisito de no tener ningún tipo de otros átomos patinando, entrando en el camino. Tales getters son súper importantes para agarrar los átomos deshonestos, así como para preservar esta pureza.
La salida es un problema con dispositivos de vacío ultra altos. Los gases contaminantes presentes en la estructura de la carcasa se difunden en el recipiente a presión, contaminando el vacío. Un problema más asociado es el de la permeación desde el exterior del recipiente. Los gadgets NEG trabajan en principios químicos, por lo que cualquier tipo de helio que se manifiesta para difundir en el vacío desde fuera del recinto no reaccionará con el getter, así como contaminará el vacío. Ambos temas fueron minimizados por cautelosos elección de materiales. El marco estaba hecho de titanio puro, que tenía un bajo contenido de hidrógeno, con las ventanas hechas de zafiro, que obviamente no tiene una permeabilidad de helio medible. Estos dos materiales han coincidido cuidadosamente los coeficientes de crecimiento térmico, lo que ayuda a preservar el sello de vacío, así como reducir el estrés en la estructura a medida que disminuye la temperatura.
El equipo descubrió que cuando se bombeo, así como el sellado, el recipiente ‘Bombeado pasivamente’ podría preservar la presión al vacío 10E-9 TORR necesaria durante más de 200 días, así como eso, así como para que todos los demás elementos puedan miniaturizar efectivamente, hay Ahora, un camino para crear el primer poca, así como por lo tanto portátil, así como con él un interferómetro atómico capaz de aplicaciones de guía inercial. Por supuesto, dado que la aplicación aquí es esencialmente un acelerómetro, se puede utilizar como un gravímetro súper sensible que sería útil para la topografía en tierra para las industrias, como el petróleo, así como la exploración mineral, además de la investigación geológica.