De viktigaste strukturella komponenterna i den nya NIST mikrometern - en enhet för att mäta tjockleken på fin tråd, smala fibrer och liknande föremål — är gjorda av Invar, en nickel-järnlegering som inte reagerar på små temperaturförändringar. Som ett resultat, mätanordningen är mindre felbenägen än andra toppmoderna instrument. En laserstråle kommer in från den vänstra sidan av ritningen och går in i en stråldelarkub (1), som delar balken i två delar. En del finns kvar i kuben, reflekteras från en sidospegel tillbaka mot mitten och fungerar som referensstråle. Den andra delen träffar retroreflektorn (2). När den flytande vagnen (3) rör sig bort från splitterkuben och mot den bakre änden av städet (4), avståndet mellan retroreflektorn och kubdelaren varierar (5 När de två strålarna förs samman igen, lasern rapporterar förändringen i avståndet. Kredit:NIST
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat ett dramatiskt förbättrat laserbaserat instrument som mäter diametern på tunna trådar, fibrer och andra föremål endast ungefär tre gånger så tjockt som ett människohår. Känd som en lasermikrometer, enhetens noggrannhet är lika med den hos dess toppmoderna motsvarigheter men är billigare, enklare att använda och lättare att underhålla.
NIST-forskarna John Stoup och Ted Doiron rapporterade sina fynd den 15 december, 2020 års nummer av Metrologia .
Den nya mikrometern använder en avancerad laserförskjutningsinterferometer, som är beroende av ljus för att mäta tjockleken på föremål som hålls mellan två metallkontakter. Med det nya systemet, forskare kan mäta diametern på alla föremål som är mindre än 50 millimeter breda, inklusive tunna trådar och fibrer, med en osäkerhet på bara 2 nanometer. Det är bättre än dubbelt så exakt som tidigare lasermikrometrar som utvecklats vid NIST.
Stoup och Doiron tillverkade den nya mikrometern nästan helt av Invar, en nickel-järnlegering känd för sin termiska stabilitet. Det betyder att materialet inte reagerar på små temperaturförändringar, motstå expansion eller sammandragning. Som ett resultat, mätanordningen är mindre felbenägen än andra toppmoderna instrument.
Faktiskt, förbättringen "sätter den nya NIST-mikrometern på en nivå som motsvarar den bästa i världen, sade Stoup. Dessutom, NIST-mikrometern är billigare och enklare att använda. Till exempel, eftersom NIST-instrumentet inte är lika automatiserat som andra toppmoderna instrument, det är billigare att bygga, enklare design och lättare att hålla under noggrann statistisk kontroll.
"Det är alltid en utmaning att uppnå bästa prestanda i världen utan att bryta banken, " sa Stoup.
Tillverkare arbetar med fibrer och ledningar som är mycket tunnare än för ett decennium sedan för optisk kommunikation och elektriska nätverk på chip. Detta har drivit fram behovet av en lasermikrometer som kan mäta små diametrar med hög noggrannhet och etablera "master"-fibrer med standarddiameter som kan användas som referenser för att bedöma diametern på andra fibrer. I andra änden av skalan, det finns ett växande behov av att mäta storleken på stora, centimeter-diameter tryckkolvar och cylindermätare, vilket NIST-mikrometern också kan utföra. Eftersom trycket en kolv utövar är proportionellt mot dess area, även små fel vid mätning av kolvens diameter kan ge kritiska fel vid beräkning av tryck.
Att mäta diametern på tunna fibrer och trådar är en känslig operation eftersom dessa föremål kan deformeras, eller ändra deras form, relativt lätt. Om dessa deformationer inte beaktas, de kan leda till ett betydande fel i uppmätt storlek. För att ta hänsyn till deformationen, NIST-forskarna designade sin mikrometer så att de kunde variera kraften som appliceras av kontakterna som håller objektet på plats. Genom att mäta variationerna i objektets diameter när olika kontaktkrafter applicerades, forskarna kunde extrapolera diametern när ingen kraft utövas på föremålet, den odeformerade diametern.
Den nya designen gör det möjligt för forskare att fjärrstyra enheten, eliminerar möjligheten att föra in värme i systemet genom mänsklig kontakt. Forskarna konstruerade också ett mer stabilt sätt för karbidkontakterna att hålla det uppmätta föremålet. Alla dessa förbättringar ökade enhetens noggrannhet.
