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世界上最小的光学陀螺仪比一粒米还要小

发布时间:2018-11-08 15:30

     

  克日,美国加州理工学院的工程师们开辟出一种新型光学陀螺仪。这类陀螺仪的尺寸小于现在最早进陀螺仪设施的五百分之一,检测到的相位挪动小于那些零碎所检测到的三非常之一。

  陀螺仪,是一种用来感测与保持偏向的装配,基于角动量守恒的实际设想进去的。陀螺仪一旦起头扭转,因为轮子的角动量,陀螺仪有顺从偏向改观的趋势。

  简略点说,一个扭转物体的扭转轴所指的偏向在了一直受外力影响时,是了一直会改观的。玩过陀螺的朋侪会晓患上,扭转的陀螺碰到外力时,其轴向是了一直会跟着外力偏向而产生改观的。另外,骑自行车也是应用了这个道理。车轮转患上越快,越了一直轻易倒。

  陀螺仪最广泛利用要属导航以及定位。比方,车辆、无人机、可穿着与手持电子设施,会经过陀螺仪来晓患上其在三维空间中的偏向。

  开初,陀螺仪是一组互相嵌套的飞轮转子,每一一个飞轮转子绕着差别的轴扭转。但是,现在你翻开手机,发明的却了一直是这类保守的陀螺仪。外面的陀螺仪是一个微电机传感器(MEMS),这便是古代的陀螺仪。

  与 Arduino Uno 板子相连的陀螺仪数字模块(图片来历:维基百科)

  保守的陀螺仪是一个一直动弹的物体,其转轴的指向了一直随承载它的支架扭转而变革。但是,要把如许一种庞年夜且巨年夜的布局,用微机器技能在硅片衬底上加工进去,难度无比年夜。

  是以,MEMS陀螺仪采纳了差别的任务道理。在保守陀螺仪特征的根基上,MEMS陀螺仪应用科里奥利力(Coriolis force)来完成设施的小型化。简略说,道理是:应用科里奥利力,在其外部发生巨年夜的电容变革,而后丈量电容,计较出角速率。

  但是,这些MEMS陀螺仪的敏捷度却无限,是以迷信家又开辟出了光学陀螺仪。光学陀螺仪可实行异样的功用,但却没有勾当部件,且精度要高良多。这是由于光学陀螺仪采纳了一种被称为“萨格纳克效应(Sagnac effect)”的物理征象,经过光传达的特征,丈量光程差计较出扭转的角速率。

  甚么是“萨格纳克效应”?萨格纳克效应,以法国物理学家 Georges Sagnac 的名字定名,是一种光学征象,植根于爱因斯坦的狭义绝对于论。1913年,萨格纳克发了然一种能够扭转的环形干预干与仪。将统一光源收回的一束光分化为两束,让它们在统一个环路内沿相同偏向循行一周后汇合,而后在屏幕上发生干预干与。当在环路立体内有扭转角速率时,屏幕上的干预干与条纹将会产生挪动,这便是萨格纳克效应。萨格纳克效应中条纹挪动数与干预干与仪的角速率以及环路所围面积之积成反比。

  现在,体积最小的高功能光学陀螺仪仍是比一个高尔夫球要年夜,是以无奈利用于很多便携式设施。跟着光学陀螺仪变患上愈来愈小,捕获萨格纳克效应的旌旗灯号也变患上愈来愈弱,是以采纳陀螺仪检测静止的难度也愈来愈高。迄今为止,这一题目仍在妨碍光学陀螺仪的小型化。

  克日,美国加州理工学院的工程师们,在工程与利用迷信部的电气工程与医学工程风教学 Ali Hajimiri 的率领下,开辟出一种新型光学陀螺仪。这类陀螺仪的尺寸小于现在最早进陀螺仪设施的五百分之一,检测到的相位挪动小于那些零碎所检测到的三非常之一。一篇揭橥于《Nature Photonics》期刊的论文细致形貌了该设施。

  Hajimiri 的实行室设想的这类新型陀螺仪,之以是可能改进功能,是由于采纳了一项称为“联系关系敏捷度加强(reciprocal sensitivity enhancement)”的新技能。这里,“联系关系(reciprocal)”象征着它以异样的体例影响陀螺仪外部的两束光芒。由于萨格纳克效应依附于检测两束沿着相同偏向传达的光芒之间的悬殊,它被以为黑白联系关系的。在陀螺仪外部,光芒经过小型化的光波导(传输光芒的管道,有点近似传输电力的电线所起到的感化)传输。光路中的瑕疵会影响光束(比方,热动摇或者光散射),而且任何外界的滋扰都邑类似地影响两个光束。

  Hajimiri 团队发明了一种方式,能够革除了这类联系关系噪声,让来自萨格纳克效应的旌旗灯号变患上完整无缺。“联系关系敏捷度加强”,晋升了零碎外部的信噪比,让光学陀螺仪可能集成到比米粒又一次要小的芯片中。





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