Quantum Atomic Interferometer voor Precision Movement Sensing
Het huidige specificeer van de kunst van embedded bewegingssensing is gebaseerd op apparaten van micro-elektromechanische systemen (MEMS). Deze wonderen van microfabricage maken gebruik van kleine siliciumstructuren, geconfigureerd om acceleratie te herkennen, evenals rotatiesnelheid in drie dimensies. Accumuleer deze versnellingen evenals rotaties, evenals je hebt een gadget die zijn positionering en track-beweging kan ontdekken zonder enig type externe waypoints. Dit is de basis van de methode van dode rekening.
Waarom geven we om toch om dood? Zeker GPS en geassocieerde positioneringssystemen zijn groot genoeg? Bovengrondse GPS is meestal groot genoeg, maar onderwater evenals ondergronds, dit zal gewoon niet werken. Zelfs op weg naar uw huis heeft een opmerkelijke impact op de GPS-signaalsterkte, dus ja, wij vereisen nog een methode voor sommige toepassingen.
Op dit moment zijn het huidige specificeer van de kunst in draagbare sensoren MEMS-apparaten, evenals u kunt ze krijgen voor de kosten van een hamburger. Als u echter de ultieme nauwkeurigheid wilt, wilt u echter een kwantumatoominterferometer. Wat dat is, evenals precies hoe het mogelijk is om een beetje voldoende te maken om nuttig te zijn, is de helft van het verhaal. Laten we echter eerst MEMS praten.
Fusie van de sensoren
Gezien een voorlopige instelling, evenals geaccumuleerde versnellingen in 3D, is het mogelijk om de positie te volgen, gedurende een korte tijd. Volgens dit (verouderde) Cambridge-rapport over traagheidsystemen, met een op mems gebaseerd inertiaalvolgsysteem, kan positionele fout 150 meter onder een minuut overtreffen, omdat de fouten niet typerend zijn, ze verzamelen.
Verbeteringen kunnen worden gemaakt door gegevens uit andere sensoren in het navigatiemodel te fuseren. alles hangt af van waar je bent; Hier op aarde kunnen dergelijke extra gegevensinvoer van een magnetometer worden afgenomen, evenals eveneens een hoogtemeter. Het is aangetoond dat het toevoegen van de gegevens van de magnetometer alleen al die 80 meter-fout kan verminderen tot slechts 5 meter. De onderzoeksstudie is een paar jaar oud, maar we verwachten dat het ongeveer goed is, omdat ontwikkeling met MEMS-innovatie niet zo veel is verbeterd.
Wil je precies zien hoe geweldige of slechte inertiële navigatie in het leven is? Een geweldige gadget om al deze uitdagende multi-sensor combinatiespullen te doen, is de Bosch BNO055, waarvoor ADAFRUIT helpt bij een module. Je wilt misschien misschien opruimen op quaternies voordat je dat doet, geest.
Al deze metingen worden een fout opgeteld, die een specifieke statistische verdeling heeft. Eén methode om deze fout te verminderen, is door het filteren van Kalman-filtering te gebruiken, dat zwaar wordt gebruikt door traagheidssystemen. Een Kalman-filter maakt een veel beter idee van de onbekenden in een model mogelijk, evenals in wezen zichzelf in de loop van de tijd, om meer invloed uit metingspunten met de minst onzekerheid mogelijk te maken. Het resultaat is ideaal een veel betere positionele reparatie en een concept van welke methode u momenteel wijzen. Maar je kunt er nog steeds lang mee wegkomen, de fout is er nog steeds, evenals het nog steeds accumuleert voldoende tijd. Huidige onderzoekstudie lijkt een fout te suggereren van ongeveer 5% van de algemene afgelegde afgelegde, het beste geval. Langere termijn, submeter-inertiële navigatie is het doel, evenals dat we er nog niet zijn.
MEMS-sensoren: bronnen van fouten
Een MEMS Gyro maakt gebruik van een resonerende massa in een geïsoleerd frame
De MEMS GYRO is een dynamische inrichting, omdat deze bestaat uit een kleine vibrerende structuur die de hoekrotatiepercentage detecteert door het Coriolis-effect te gebruiken. Een mechanische verschuiving wordt orthogonaal geïnduceerd aan de trillingsrichting, die wordt gedetecteerd als een weinig modificatie in capaciteit.
Gyro-sensoren tonen over het algemeen twee primair type fout; Een tariefvoorspanning en een hoek willekeurige wandelfout, de laatste is vanwege thermo-mechanische witte ruis en flikkertruis in de elektronica van de signaalketen. De willekeurige wandelfout groeit met de tijd, wat voornamelijk bijdraagt aan de algemene absolute positioneringsfout. De tariefinrichting kan toch langdurig worden bepaald, evenals grotendeels geannuleerd. Er zijn een aantal andere zogenaamde kalibratie-effecten die stabiliteit beïnvloeden, evenals de foutenvoorwaarden die moeilijker zijn om te compenseren.
Een MEMS-accelerometer is veel eenvoudiger
De MEMS-accelerometer heeft een meer statische structuur, evenals in wezen een geveerd aspect dat in één as afloopt door versnelling. Deze mechanische verschuiving wordt eveneens gekozen als een kleine modificatie in capaciteit. Nogmaals, we hebben exact dezelfde twee primaire bronnen van fouten; Acceleratie biasfout evenals snelheid willekeurige wandelfout. De voorspanningsfout is nu ingewikkelder, omdat we op deze wereld zwaartekracht hebben, evenals om de voorspanningsfout te annuleren, vereisen wij de positionering van de sensor. Gelukkig met een combinatie met meerdere sensorsysteem, kan de positionering alsmede deze bias gecompenseerd worden bepaald. De snelheid random walk fout is weer als gevolg van thermo-mechanische stoten evenals accumuleert met de tijd. Ook, net als de gyro, zijn er extra fout elementen die toevoegen aan probleem.
Andere sensoren gebruikt voor traagheidsnavigatiesystemen zullen allemaal hun eigen bronnen van fouten, alsook add de complexiteit van het probleem. Er zijn optische gyros beschikbaar, bijvoorbeeld het geluid laser gyro, en meer esoterische apparaten, maar deze zijn niet per se eenvoudig echt klein te maken. Bijvoorbeeld, het geluid laser gyro is minder precies hoe kleiner je het als gevolg van de limiet in de lengte maximale bundel pad. Dit is de reden waarom huidige onderzoek is het nemen van een zeer andere benadering van dit soort sensing; namelijk het atoom interferometer.
Atom Interferometry
Terug in 1924 Franse natuurkundige Louis de Broglie suggereerde dat materie zich gedraagt als een golf, met een golflengte gelijk aan de constante van Planck split door zijn momentum. Dit betekende dat net zoals licht, kan materiegolven worden gebogen en ook interferentie patronen. In deze situatie kwestie golven worden gemanipuleerd met lasers, die ons leidt naar het leuke gedeelte. Houd er wel rekening mee, dat in tegenstelling tot licht, atomen zijn enorm en als zodanig, de zwaartekracht van invloed is, zoals we zullen zien.
Zes snijdende orthogonale laserbundels en een paar anti-Helmholtz spoelen typ een magneto-optische val
Meest atoom interferometer experimenten lijken soortgelijke werking, doordat ze allemaal afhankelijk hoogvacuum drukvat, en een magneto-optische val geweldig evenals traag in een stroom van rubidium atomen gemaakt uit een bron te gebruiken. Deze gadget gebruikt zes snijdende, circulair gepolariseerde laserbundels, gericht op het midden van de inrichting, met een paar anti-Helmholtz spoelen boven en beneden.
Een Helmholtz-spoel geconfigureerd om een uniform magnetisch veld, gebruikmakend van een enkel paar spoelen met onderhavige binnenstromen exact dezelfde richting. De anti-Helmholtz spoel (aka Maxwell gradiëntspoel) slechts flips één van de spoelen op, een magnetische veldgradiënt te creëren, met een veld nul in het midden. precies wat we eis te vangen die vervelende beetje atomen.
De fotonen van de insluiting lasers vormen de atomen wat begint impuls, alsmede vanwege het Zeeman-effect, de speciaal gevormde magneetveld garandeert dat atomen vaker opnieuw worden overgeheveld naar de optische nul in het centrum van de val. Op typische atomen in de val midden trage beneden voldoende om temperaturen van enkele micro-kelvin bereiken. En dat is heel fris.
De volgende bit is waar de dingen een beetje freaky. De trap wordt uitgeschakeld, en onmiddellijk elke geschikte koude atomen is geraakt met een speciaal geprepareerde laserpuls, ontwikkeld door een paar tegenover elkaar liggende lasers, ofwel Raman of Bragg verschuivingen worden uitgevoerd, afhankelijk van de eigenschappen van de laserpulsen. De atomen dienen in een superpositie van zijn beide hit en niet geraakt door de puls. Dit activeert de atomen modificatie momentum en state. (En niet tegelijkertijd is de superpositie van toestanden, toch?) Het atoom cloud divergeert en afhankelijk van de beweging van de cel, interfereert met zichzelf als deze uitzet vanuit val centrum.
Als een laagvermogen laser verlicht de atoomwolk de superpositie stort en het interferentiepatroon wordt waargenomen op een geschikte gezet CCD. Door het decoderen van dit patroon is het mogelijk om hoeksnelheid naast versnelling, met een ongelooflijke nauwkeurigheid die zal leiden tot nieuwe toepassingen zowel op aarde als daarbuiten afleiden. NASA geïnteresseerd bent voor een. Voor meer informatie over atoom interferometrie, kassa deze introductie van Berkeley Physics.
uitvoerbaarheid
Dit alles is van bit te gebruiken als een navigatie-gadget als je het er niet uit kan krijgen van het lab, evenals krimp neer in omvang, maken het vertrouwensderden evenals maken het goedkoop. lijkt makkelijk, toch? Laten we eens kijken bij de vraag naar een atomaire gyroscoop: je eis een drukvat met optisch zuiver ramen, meestal saffier, dat een druk van minder dan 10-7 torr kan behouden met extreem lage verontreiniging. U ook de eis van de lasers zelf, met bijbehorende filters evenals elektronica te beheren. al die dingen kan worden geminiaturiseerd, zelfs tot chip grootte, maar het behoud van dat vacuüm is een enorme uitdaging. De gebruikelijke methode om omlaag naar dergelijke lage vacuümdruk is met een turbomoleculaire pomp, in combinatie met een ionenpomp. Het maken van deze kleiner is problematisch gebleken.
Een passieve Pumped Vacuum Package
Nu is er een mogelijkheid van het elimineren van de eis voor dat complexe evenals omvangrijk vacuümsysteem. Een team van Sandia National Laboratories en de University of Oklahoma, hebben een methode om ultrahoog vacuüm (UHV) nodig voor inertiële begeleiding atomaire gyroscoop toepassingen vastgesteld, zonder de eis van turbo pompen, ionenpompen of type of pumps überhaupt. Ok, dat laatste bit is niet strikt waar, omdat ze het vacuüm nodig hadden om zeer eerst het voorkeursniveau te krijgen, evenals de basismethoden die nodig waren, maar toen de voorwaarden werden bereikt, kan het drukvat worden afgesloten permanent, evenals de pompen verwijderd.
Typische zirkonium gesinterde getter via saesgetters.com
Het systeem hangt af van chemisorptie met behulp van gesinterde poreuze getters, die een type niet-verdampbare getter (NEG) zijn. Deze eenvoudige passieve gadgets worden ontwikkeld vanuit een gesinterde poreuze structuur van zirkoniumpoeder, evenals andere materialen, gewikkeld rond een elektrisch verwarmingselement. Wanneer ze worden geproduceerd, worden ze onderworpen aan lucht, die een passiverende afwerking ontwikkelen en beschermen tegen besmetting. Bij installatie in een vacuümkamer wordt de Getter geactiveerd door het tijdens het pompproces op te warmen. Dit diffundeert de passiveringslaag in het grootste deel van de structuur en verschaft een geactiveerd oppervlak voorbereid op het adsorberen van elk type verontreinigingen tijdens de pomp en later wanneer de kamer is afgedicht. Getters zijn vrij typerend in veel thuisvacuümvaartuig-apparaten, van gloeilampen, naar radiokleppen, maar de geters die hier worden gebruikt, zijn een beetje meer gespecialiseerd dan die van ouds, evenals in staat om meer in staat te stellen over een langere periode en houd ze op.
Het hele punt hier is dat om een kleine pure groep van super geweldige rubidiumatomen te hebben om met lasers te porren, je als eerste vereiste om geen enkele soort andere atomen te hebben die rondschieten, in de weg staan. Dergelijke getters zijn super belangrijk voor het grijpen van schurkatomen en het behouden van deze zuiverheid.
Outsing is een probleem met ultrahoge vacuüminrichtingen. Contaminant gassen aanwezig in de structuur van de behuizing diffuus in het drukvat en verontreinigt het vacuüm. Een meer geassocieerd probleem is die van permeatie van de buitenkant van het vaartuig. NEG-gadgets werken aan chemische principes, dus elk type helium dat handvakt om te diffunderen in het vacuüm van buiten de behuizing zal niet reageren met de Getter, evenals de vacuüm besmet. Beide problemen werden geminimaliseerd door voorzichtige keuze aan materialen. Het frame was gemaakt van pure titanium, die een laag waterstofgehalte had, met de ramen gemaakt van saffier, die uiteraard geen meetbare helium-permeabiliteit heeft. Deze twee materialen hebben zorgvuldig gematchte thermische groeicoëfficiënten, die helpt bij het behouden van de vacuümafdichting en verminderen de stress op de structuur als de temperatuurdruppels.
Het team ontdekte dat tijdens het afpompt en de afgedichte ‘passief gepompt’ vaartuig de 10E-9 Torr-vacuümdruk nodig heeft die meer dan 200 dagen nodig heeft, evenals dat betekent dat de andere elementen effectief kunnen worden geminiatureerd Nu een pad naar het creëren van de allereerste kleine, evenals dus draagbare mot, evenals met het een atoominterferometer die in staat is tot traagheidsbegeleidingstoepassingen. Natuurlijk, aangezien de toepassing hier in wezen een versnellingsmeter is, kan het worden gebruikt als een supergevoelige gravimeter die nuttig zou zijn voor grondonderzoek voor industrieën zoals olie, evenals mineralenbeploringen in aanvulling op voor geologisch onderzoek.