Ang mga inhinyero ay nagtayo ng pinakamaliit na light-sensing gyroscope sa mundo na madaling maisama sa pinakamaliit na portable na modernong teknolohiya.
Mga Gyroscope ay karaniwan sa bawat teknolohiya na ginagamit natin sa panahon ngayon. Ginagamit ang mga gyroscope sa mga sasakyan, drone, at electronic device tulad ng mga mobile at wearable dahil nakakatulong ang mga ito na malaman ang tamang oryentasyon ng isang device sa three-dimensional (3D) space. Sa orihinal, ang gyroscope ay isang aparato ng isang gulong na tumutulong sa gulong na umikot nang mabilis sa isang axis sa iba't ibang direksyon. Isang pamantayan ukol sa mata Ang gyroscope ay naglalaman ng isang spooled optical fiber na may dalang pulse laser light. Ito ay tumatakbo sa alinman sa clockwise o anticlockwise na direksyon. Sa kabaligtaran, ang mga modernong gyroscope ay mga sensor, halimbawa sa mga mobile phone ay mayroong microelectromechanical sensor (MEMS) na naroroon. Sinusukat ng mga sensor na ito ang mga puwersa na kumikilos sa dalawang entity na magkapareho ang masa ngunit nag-aalinlangan sa dalawang magkaibang direksyon.
Ang epekto ng Sagnac
Ang mga sensor kahit na ngayon ay malawakang ginagamit ay may limitadong sensitivity at sa gayon optical gyroscope ay kailangan. Ang isang mahalagang pagkakaiba ay na ang mga optical gyroscope ay nagagawa ang isang katulad na gawain ngunit walang anumang mga palipat-lipat na bahagi at may higit na katumpakan. Ito ay makakamit sa pamamagitan ng Sagnac effect, isang optical phenomenon na gumagamit ng Einstein's theory of general relativity upang makita ang mga pagbabago sa angular velocity. Sa panahon ng Sagnac effect, ang isang sinag ng laser light ay nahahati sa dalawang independiyenteng mga sinag na ngayon ay naglalakbay sa magkasalungat na direksyon kasama ang isang bilugan na landas na kalaunan ay nagkikita sa isang light detector. Nangyayari lamang ito kung ang aparato ay static at higit sa lahat dahil ang liwanag ay naglalakbay sa patuloy na bilis. Gayunpaman, kung umiikot ang device, paiikot din ang pathway ng liwanag na nagiging dahilan upang maabot ng dalawang magkahiwalay na beam ang light detector sa magkaibang timepoint. Ang phase shift na ito ay tinatawag na Sagnac effect at ang pagkakaibang ito sa synchronization ay sinusukat ng gyroscope at ginagamit upang kalkulahin ang oryentasyon.
Ang Sagnac effect ay napakasensitibo sa ingay sa signal at anumang nakapaligid na ingay tulad ng maliliit na thermal fluctuation o vibrations ay maaaring makagambala sa mga beam habang sila ay naglalakbay. At kung ang gyroscope ay may mas maliit na sukat kung gayon ito ay mas madaling kapitan ng pagkagambala. Ang mga optical gyroscope ay malinaw na mas epektibo ngunit ito ay isang hamon pa rin na pababain ang optical gyroscopes ibig sabihin, bawasan ang kanilang laki, dahil habang sila ay nagiging mas maliit, ang signal na ipinadala mula sa kanilang mga sensor ay humihina din at pagkatapos ay nawawala sa ingay na nabuo ng lahat ng mga nakakalat. liwanag. Nagdudulot ito ng mas kahirapan sa gyroscope sa pag-detect ng paggalaw. Pinaghigpitan ng sitwasyong ito ang disenyo ng mas maliliit na optical gyroscope. Ang pinakamaliit na gyroscope na may mahusay na pagganap ay hindi bababa sa laki ng isang golf ball at sa gayon ay hindi angkop para sa maliliit na portable na aparato.
Bagong disenyo para sa isang maliit na gyroscope
Ang mga mananaliksik sa California Institute of technology USA ay nagdisenyo ng isang optical gyroscope na may napakababang ingay na gumagamit ng laser sa halip na mga sensor ng MEMS at nakakakuha ng mga katumbas na resulta. Ang kanilang pag-aaral ay inilathala sa Nature Photonics. Kumuha sila ng isang maliit na 2-square-mm silicon chip at nag-install ng channel dito upang gabayan ang liwanag. Tumutulong ang channel na ito na gabayan ang liwanag sa paglalakbay sa bawat direksyon sa paligid ng isang bilog. Inalis ng mga inhinyero ang kapalit na ingay sa pamamagitan ng pagpapahaba ng landas ng mga laser beam sa pamamagitan ng paggamit ng dalawang disk. Habang humahaba ang daanan ng sinag, ang dami ng ingay ay pantay na nagreresulta sa tumpak na pagsukat kapag nagtagpo ang dalawang sinag. Nagbibigay-daan ito sa paggamit ng mas maliit na device ngunit pinapanatili pa rin ang mga tumpak na resulta. Binabaliktad din ng device ang direksyon ng ilaw upang tumulong sa pagkansela ng ingay. Ang makabagong gyro sensor na ito ay pinangalanang XV-35000CB. Ang pinahusay na pagganap ay nakamit sa pamamagitan ng 'reciprocal sensitivity enhancement' na paraan. Ang reciprocal ay nangangahulugan na ito ay nakakaapekto sa dalawang independiyenteng sinag ng liwanag sa parehong paraan. Ang Sagnac effect ay batay sa pagtuklas ng pagbabago sa pagitan ng dalawang beam na ito habang sila ay naglalakbay sa magkasalungat na direksyon at ito ay katumbas ng pagiging nonreciprocal. Ang liwanag ay naglalakbay sa pamamagitan ng mini optical waveguides na maliliit na conduit na nagdadala ng liwanag, katulad ng mga wire sa isang electrical circuit. Ang anumang mga di-kasakdalan sa optical path o panlabas na interference ay makakaapekto sa parehong mga beam.
Ang pagpapahusay ng reciprocal sensitivity ay nagpapabuti ng signal-to-noise ratio na nagbibigay-daan sa optical gyroscope na ito na maisama sa isang maliit na chip na maaaring sukat ng dulo ng isang kuko. Ang maliit na gyroscope na ito ay hindi bababa sa 500 beses na mas maliit sa laki kaysa sa mga kasalukuyang device ngunit maaaring matagumpay na makakita ng mga phase shift na 30 beses na mas maliit kaysa sa kasalukuyang mga system. Ang sensor na ito ay maaaring pangunahing gamitin sa mga system upang itama ang mga vibrations ng isang camera. Ang mga gyroscope ay kailangang-kailangan na ngayon sa iba't ibang larangan at ang kasalukuyang pananaliksik ay nagpapakita na ang mas maliliit na optical gyroscope ay posibleng magdisenyo kahit na maaaring tumagal ng ilang oras para ang disenyo ng laboratoryo na ito ay magagamit sa komersyo.
***
{Maaari mong basahin ang orihinal na papel ng pananaliksik sa pamamagitan ng pag-click sa link ng DOI na ibinigay sa ibaba sa listahan ng (mga) binanggit na pinagmulan}
Pinagmulan (s)
Khial PP et al 2018. Nanophotonic optical gyroscope na may reciprocal sensitivity enhancement. Nature Photonics. 12(11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
