Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een drastisch verbeterd lasergebaseerd instrument ontwikkeld dat de diameter van fijnmazige draden meet, vezels en andere voorwerpen slechts ongeveer drie keer de dikte van een mensenhaar. Bekend als een lasermicrometer, de nauwkeurigheid van het apparaat is gelijk aan die van zijn ultramoderne tegenhangers, maar is goedkoper, eenvoudiger te bedienen en gemakkelijker te onderhouden.

NIST-wetenschappers John Stoup en Ted Doiron rapporteerden hun bevindingen op 15 december, 2020 uitgave van Metrologie .

De nieuwe micrometer maakt gebruik van een geavanceerde laserverplaatsingsinterferometer, die op licht vertrouwt om de dikte te meten van objecten die tussen twee metalen contacten worden gehouden. Met het nieuwe systeem, onderzoekers kunnen de diameter van elk object meten dat minder dan 50 millimeter breed is, inclusief fijnmazige draden en vezels, met een onzekerheid van slechts 2 nanometer. Dat is beter dan twee keer de nauwkeurigheid van eerdere lasermicrometers die bij NIST zijn ontwikkeld.

Stoup en Doiron vervaardigden de nieuwe micrometer bijna volledig uit Invar, een nikkel-ijzerlegering die bekend staat om zijn thermische stabiliteit. Dat betekent dat het materiaal niet reageert op kleine temperatuurveranderingen, weerstand bieden aan uitzetting of krimp. Als resultaat, het meetinstrument is minder foutgevoelig dan andere state-of-the-art instrumenten.

In feite, de verbetering "zet de nieuwe NIST-micrometer op een niveau dat gelijk is aan de beste ter wereld, " zei Stoup. Bovendien, de NIST-schroefmaat is minder duur en eenvoudiger te bedienen. Bijvoorbeeld, omdat het NIST-instrument niet zo geautomatiseerd is als andere geavanceerde instrumenten, het is goedkoper om te bouwen, eenvoudiger van opzet en gemakkelijker onder strikte statistische controle te houden.

"Het is altijd een uitdaging om de beste ter wereld te presteren zonder de bank te breken, ' zei Stoep.

Fabrikanten werken met vezels en draden die veel dunner zijn dan tien jaar geleden voor optische communicatie en on-chip elektrische netwerken. Dit heeft geleid tot de behoefte aan een lasermicrometer die kleine diameters met hoge nauwkeurigheid kan meten en "master" -vezels met een standaarddiameter kan vaststellen die als referentie kunnen worden gebruikt om de diameter van andere vezels te beoordelen. Aan de andere kant van de schaal, er is een groeiende behoefte om de maat van grote, centimeter-diameter drukzuigers en cilindermeters, die de NIST-micrometer ook kan uitvoeren. Omdat de druk die een zuiger uitoefent evenredig is met zijn oppervlakte, zelfs kleine fouten bij het meten van de diameter van de zuiger kunnen kritische fouten veroorzaken bij het berekenen van de druk.

Het meten van de diameter van dunne vezels en draden is een delicate operatie omdat deze objecten kunnen vervormen, of hun vorm veranderen, relatief gemakkelijk. Als met die vervormingen geen rekening wordt gehouden, ze kunnen leiden tot een aanzienlijke fout in de gemeten grootte. Om de vervorming te verklaren, de NIST-onderzoekers ontwierpen hun micrometer zo dat ze de kracht konden variëren die werd uitgeoefend door de contacten die het object op zijn plaats houden. Door de variaties in diameter van het object te meten wanneer verschillende contactkrachten werden uitgeoefend, de onderzoekers konden de diameter extrapoleren wanneer er geen kracht op het object wordt uitgeoefend, de onvervormde diameter.

Met het nieuwe ontwerp kunnen onderzoekers het apparaat op afstand bedienen, waardoor de mogelijkheid om warmte in het systeem te brengen door menselijk contact wordt geëlimineerd. De onderzoekers ontwikkelden ook een stabielere manier voor de carbide-contacten om het gemeten object vast te houden. Al deze verbeteringen verhoogden de nauwkeurigheid van het apparaat.