Interferômetro atômico quântico para sensor de movimento de precisão

O presente especificado da arte da sensação de movimento incorporado é baseado em dispositivos micro-eletromecânicos (MEMS). Esses milagres de microfabulgação utilizam estruturas de silicone pequenas, configuradas para detectar aceleração, bem como a velocidade de rotação em três dimensões. Acumule essas acelerações, bem como rotações, bem como você tem um gadget que pode descobrir seu posicionamento, bem como movimento de pista sem qualquer tipo de waypoints externos. Esta é a base do método de reckoning morto.

Por que nos preocupamos com o cálculo morto de qualquer maneira? Certamente GPS, bem como os sistemas de posicionamento associados são ótimos o suficiente? Acima do solo GPS é geralmente grande o suficiente, por mais debaixo d’água, bem como subterrânea, isso simplesmente não funciona. Mesmo indo dentro de sua casa tem um impacto notável na força do sinal GPS, então sim, nós requisitos mais um método para alguns aplicativos.

Neste momento, o presente especificado da arte em sensores portáteis são dispositivos MEMS, bem como você pode obtê-los para a despesa de um hambúrguer. No entanto, se você quiser o máximo na precisão, você vai querer um interferômetro atômico quântico. O que é isso, assim como exatamente como será possível fazer um pouco suficiente para ser útil, é metade da história. No entanto, primeiro, vamos conversar mems.

Fusão dos sensores

Dado uma configuração preliminar, bem como acelerações acumuladas em 3D, é possível rastrear a posição, por pouco tempo, pelo menos. De acordo com isso (desatualizado) Relatório da Universidade de Cambridge sobre sistemas de navegação inerciais, com um sistema de rastreamento inercial com base em MEMS, erro posicional pode superar 150 metros em menos de um minuto, uma vez que os erros não são típicos, eles se acumulam.

Melhorias podem ser feitas fusendo dados de outros sensores para o modelo de navegação. Tudo depende de onde você está; Bem aqui na Terra, essas entradas extras de dados podem ser tiradas de um magnetômetro, bem como também um altímetro. Foi mostrado que adicionar os dados do magnetômetro sozinho pode reduzir o erro de 150 metros para apenas 5 metros. O estudo de pesquisa é há alguns anos, no entanto, esperamos que seja certo, como o desenvolvimento com a inovação MEMS não melhorou tanto assim.

Quer ver exatamente quão grande ou pobre navegação inercial está na vida genuína? Um ótimo gadget para fazer toda essa quantidade desafiadora de combinação multi-sensor é a Bosch BNO055, para a qual Adafruit apareceu em um módulo. Você só pode querer limpar as quaternições antes de fazer, mente.

Todas essas medições exibirão um erro, que terá alguma distribuição estatística específica. Um método para reduzir esse erro é utilizando filtragem do Kalman, que é utilizada fortemente por sistemas de navegação inerciais. Um filtro Kalman permite uma compreensão muito melhor dos incógnitos em um modelo, bem como se ajusta essencialmente ao longo do tempo, para permitir mais influência de pontos de medição com a menor incerteza. O resultado é idealmente um reparo posicional muito melhor, bem como um conceito de qual método você está apontando atualmente. Mas, você ainda não pode se afastar por muito tempo, o erro ainda está lá, assim como ainda se acumulará fornecido tempo suficiente. O presente estudo de pesquisa parece sugerir uma figura de erro de cerca de 5% da distância total percorrida, melhor caso. longo prazo, a navegação inercial do submetro é a meta, assim como ainda não estamos lá.

Sensores MEMS: Fontes de Erro

Um giroscópio de MEMS utiliza uma massa de ressonância dentro de uma moldura isolada
O MEMS GYRO é um dispositivo dinâmico, pois consiste em uma pequena estrutura de vibração que detecta a taxa de rotação angular, alavancando o efeito Coriolis. Uma mudança mecânica é induzida ortogonal à direção de vibração, que é detectada como uma pequena modificação na capacitância.

Os sensores de giroscópios geralmente exibem dois tipos primários de erro; Um viés de taxa, bem como um erro de caminhada aleatória de ângulo, este último é por causa do ruído branco termo-mecânico, bem como ruído de flicker na eletrônica da cadeia de sinal. O erro à pé aleatória cresce com o tempo, que é o que contribui principalmente para o erro geral de posicionamento absoluto. O viés de taxa, no entanto, pode ser determinado de forma duradoura, bem como em grande parte cancelada. Existem alguns outros chamados impactos de calibração que a estabilidade do impacto, bem como também contribuirá com os termos de erro mais difíceis de compensar.

Um acelerômetro MEMS é muito mais simples
O Accelerômetro MEMS tem uma estrutura mais estática, bem como é essencialmente um aspecto espinhoso que se desvia em um eixo para a aceleração. Esta mudança mecânica é igualmente escolhida como uma pequena modificação na capacitância. Mais uma vez, temos exatamente as mesmas duas fontes primárias de erro; Erro de viés de aceleração, bem como erro de caminhada aleatória de velocidade. O erro de viés agora é mais complicado, já que neste mundo temos gravidade, bem como para cancelar o erro de viés, exigência de entender o posicionamento do sensor. Felizmente com uma combinação multi-sensorsistema, o posicionamento pode ser determinada, bem como esta polarização pode ser compensada. A velocidade de erro de passeio aleatório é mais uma vez por causa de impactos termo-mecânica, bem como acumula com o tempo. Além disso, assim como o giroscópio, existem elementos de erro extras que acrescentam problema.

Outros sensores utilizados para sistemas de navegação inercial, todos eles terão suas próprias fontes de erro, bem como aumentar a complexidade do problema. Há giroscópios ópticas disponíveis, por exemplo, o som de laser giroscópio e dispositivos mais esotéricos, porém estes não são necessariamente simples de fazer realmente pequena. Por exemplo, o giroscópio a laser som é menos preciso quanto menor você faz por causa do limite no comprimento caminho do feixe máxima. É por isso que presente pesquisa é tomar uma abordagem extremamente diferente para este tipo de detecção; ou seja, o átomo de interferómetro.

Atom Interferometria

Voltar em 1924 o físico francês Louis de Broglie sugeriu que se comporta assunto como uma onda, com um comprimento de onda igual à constante de Planck dividida por seu momentum. Isto significava que, assim como luz, ondas de matéria pode ser difratada, bem como criar padrões de interferência. Nesta situação ondas de matéria são manipulados com lasers, o que nos leva para a parte divertida. manter em mente, porém, que ao contrário da luz, os átomos são enormes, bem como tal, a gravidade tem uma influência, como veremos.

Seis intersecta a laser ortogonal feixes, bem como um par de bobinas de Helmholtz anti-digite uma armadilha magneto-óptica
Mais átomo interferómetro experiências parecem operar de forma semelhante, em que todos eles dependem de um recipiente de pressão de vácuo elevado, assim como utilizar uma armadilha magneto-óptica para impressionante bem como abrandar um fluxo de átomos de rubídio criados a partir de alguma fonte. Este gadget utiliza seis interseção, laser polarizada circularmente vigas, visando o centro do dispositivo, com um par de bobinas anti-Helmholtz no topo, bem como de fundo.

Uma bobina de Helmholtz é configurado para produzir um campo magnético uniforme, utilizando um único par de bobinas, com a presente fluindo no mesmo sentido exacto. O Helmholtz anti-bobina (também conhecido como bobina de gradiente Maxwell) apenas inverte uma das bobinas mais, para criar um gradiente de campo magnético, com um campo nulo no centro. precisamente o que nós exigência para prender esses átomos bit traquinas.

Os fótons dos lasers de contenção fornecer os átomos um pouco começam impulso, bem como por causa do efeito Zeeman, as garantias de campo magnético em forma de especialmente que os átomos são mais propensos a ser empurrado de volta para o nulo óptica no centro da armadilha. Em média os átomos no centro da armadilha lento para baixo suficientes para atingir temperaturas de alguns micro-kelvin. Que é alegre frio.

O próximo bit é o lugar onde as coisas ficam um pouco estranho. A armadilha está desligado, bem como instantaneamente cada um dos átomos adequadamente geladas é atingido com um impulso de laser, especialmente preparado, desenvolvido por um par de lasers opostos, quer deslocamentos Raman ou de Bragg são efectuadas, dependendo das propriedades dos pulsos de laser. Os átomos são necessários para uma superposição quântica de ser tanto sucesso quanto não é bem atingida pelo pulso. Isto acciona os átomos a modificação dinâmica, bem como do estado. (E não, simultaneamente, de superposição de estados, certo?) Os diverge nuvem de átomos, bem como, dependendo do movimento da célula, interfere-se como ele se expande para fora do centro da armadilha.

Quando um laser de baixa potência ilumina a nuvem átomo, a superposição cai, assim como o padrão de interferência é observado em um CCD adequadamente colocado. Ao decodificar esse padrão, é possível inferir velocidade angular, além de aceleração, com uma precisão incrível que abrirá novas aplicações tanto na terra, bem como além. NASA está interessado para um. Para mais detalhes sobre interferometria atômica, confira esta introdução de Berkeley Física.

Praticidade

Tudo isso é de pouco utilizam como um dispositivo de navegação, se você não pode obtê-lo para fora do laboratório, bem como reduzi-lo para baixo no tamanho, torná-lo confiança, assim como torná-lo barato. Parece fácil, certo? Vamos olhar as demandas para um giroscópio atômica: você exigência de um vaso de pressão com janelas opticamente puros, geralmente safira, que pode preservar uma pressão inferior a 10-7 torr com extremamente baixa contaminação. Você mesmo modo exigência dos próprios lasers, com filtros associados, bem como gerenciar eletrônica. todas essas coisas podem ser miniaturizados, até mesmo tamanho do chip, no entanto preservando esse vácuo é um enorme desafio. O método usual para descer a tal pressão baixa de vácuo é com uma bomba turbomolecular, em combinação por uma bomba de iões. Fazendo estes menores provou ser problemático.

Um passivo Package Vacuum Pumped

Agora, há uma possibilidade de eliminar a exigência de que o complexo, bem como volumoso sistema de vácuo. Uma equipe do Sandia National Laboratories, bem como da Universidade de Oklahoma, estabelecemos um método para atingir o ultra-alto vácuo (UHV) necessária para aplicações giroscópio atômicas de orientação inercial, sem a necessidade de bombas turbo, bombas ion ou qualquer type de bombas. OK, esse último bit não é estritamente verdadeiro, pois precisavam obter o vácuo para o nível preferido, bem como os métodos básicos eram necessários para isso, no entanto, quando as condições preliminares foram alcançadas, o vaso de pressão pode ser selado permanentemente, assim como as bombas removidas.

Típico zircônio sinterrado getter via saesgetters.com
O sistema depende da quimisption utilizando getters porosos sinterizados, que são um tipo de getter não evaporável (NEG). Esses simples gadgets passivos são desenvolvidos a partir de uma estrutura porosa sinterizada de pó de zircônio, bem como outros materiais, enrolados em torno de um elemento de aquecimento elétrico. Quando produzido são submetidos ao ar, desenvolvendo um acabamento passivo, bem como protegê-los da contaminação. Quando instalado em uma câmara de vácuo, o getter é acionado, aquecendo-o durante o processo de bomba. Isso difunde a camada de passivação na maior parte da estrutura, bem como fornece uma superfície desencadeada preparada para adsorir qualquer tipo de contaminantes durante a bomba, bem como mais tarde quando a câmara é selada. Getters são bastante típicos em muitos dispositivos de vasacuúses de casa, de lâmpadas incandescentes, para válvulas de rádio, no entanto, os getters utilizados aqui são um pouco mais especializados do que os de idade, bem como capazes de agarrar mais átomos durante um período mais longo bem como mantê-los contidos.

O ponto inteiro aqui é que, para ter um pequeno grupo puro de átomos de rubium super incríveis para cutucar com lasers, você é muito primeiro exigência de não ter nenhum tipo de outro átomos chutando, atrapalhando. Tais getters são super importantes para agarrar átomos desonestos, bem como preservar essa pureza.

O outgassing é um problema com dispositivos de vácuo ultra-alto. Os gases contaminantes presentes na estrutura da habitação se difundem no vaso de pressão, contaminando o vácuo. Mais um problema associado é o da permeação do lado de fora do vaso. Neg Gadgets trabalham em princípios químicos, então qualquer tipo de hélio que lida com difusão para o vácuo de fora do recinto não reagirá com o getter, bem como contaminará o vácuo. Ambas as questões foram minimizadas pela escolha cautelosa de materiais. O quadro foi feito de titânio puro, que tinha um baixo teor de hidrogênio, com as janelas feitas de safira, que obviamente não tem permeabilidade de hélio mensurável. Esses dois materiais combinaram cuidadosamente coeficientes de crescimento térmico, que auxiliam a preservar o selo de vácuo, bem como reduzir o estresse na estrutura à medida que a temperatura cai.

A equipe descobriu que, quando bombeado, bem como selado, o vaso “Passivamente bombeado” poderia preservar a pressão de vácuo 10e-9 Torr necessária por mais de 200 dias, bem como isso, se todos os outros elementos pudessem ser miniaturizados efetivamente, existe Agora, um caminho para criar o primeiro pouco, bem como, portanto, portátil, bem como com ele um interferômetro atômico capaz de aplicações de orientação inercial. Claro, uma vez que o aplicativo aqui é essencialmente um acelerômetro, ele pode ser utilizado como um gravimetro super sensível que seria útil para o levantamento de terra para indústrias, como óleo, além de exploração mineral, além de pesquisa geológica.

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