據(jù)悉，來自NIST的科學(xué)家John Stoup和Ted Doiron2020年12月15日在Metrologia上發(fā)表了他們研發(fā)的新型激光測微儀。該儀器可測量細(xì)規(guī)格的線材，纖維和其他物體的直徑，其直徑僅為人發(fā)厚度的三倍左右。其精度與最新同類產(chǎn)品相當(dāng)，但更便宜、更易于操作且更易于維護(hù)。

NIST在一維激光測徑儀器的發(fā)展歷史悠久，始于20世紀(jì)70年代。這些設(shè)計(jì)通常使用安裝在具有內(nèi)部彎曲的機(jī)械低摩擦滑動(dòng)裝置上的測量頭，當(dāng)放置在相對的觸點(diǎn)之間時(shí)，對工件施加恒定的力。雖然最初設(shè)計(jì)為用于機(jī)械規(guī)格塊檢查和測量的遠(yuǎn)程器件，但它們具有在正確配置時(shí)測量圓柱直徑的附加能力，盡管具有顯著的限制。在20世紀(jì)90年代早期，消費(fèi)者要求一種測量細(xì)直徑光纖的儀器，最終產(chǎn)生了如圖一所示的儀器。

圖1. 激光測微儀/千分尺

大約2000μm設(shè)計(jì)通過移動(dòng)到水平安裝的空氣軸承并使用實(shí)心花崗巖臺提供結(jié)構(gòu)和光路穩(wěn)定性，可以顯著改變早期垂直千分尺設(shè)計(jì)。干涉儀分束器直接安裝到鋁軸承上，但直接安裝在軸承附件上方的花崗巖臺上，為光學(xué)提供穩(wěn)定的位置。該儀器包括垂直定向的碳化鎢參考圓柱，固定在直接用螺栓固定到花崗巖表面的重型鋼基座中，獨(dú)立于鋁軸承。這些構(gòu)造細(xì)節(jié)導(dǎo)致大型花崗巖臺成為計(jì)量框架的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定部分。一端具有小型4mm平板的碳化鎢砧座，直接沿著干涉儀的光路安裝在軸承架上，并且當(dāng)配合觸點(diǎn)彼此閉合時(shí)，為儀器提供零位置參考位置。工件支撐機(jī)構(gòu)允許將圓柱體或金屬絲放置在這些配合觸點(diǎn)之間，導(dǎo)致偽像2 Pt直徑的直接位移測量。盡管在設(shè)計(jì)和操作方面仍然非常簡單，但微妙的設(shè)計(jì)特征，包括仔細(xì)的裝配技術(shù)、光學(xué)元件的位置，接觸對準(zhǔn)方法，材料考慮和力應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)在各種偽影材料和尺寸范圍內(nèi)產(chǎn)生了令人印象深刻的測量性能。

在過去的二十年中，2000μm足以滿足幾乎所有NIST客戶對高精度直徑加工的要求。對于高質(zhì)量的小直徑（<1 mm）偽影，該儀器的擴(kuò)展不確定度U（k = 2）可以接近45 nm。該儀器的重要獨(dú)特功能之一是其在小于100μm的很小直徑范圍內(nèi)的精確度。對過去15年的操作偽像數(shù)據(jù)的分析表明，即使測量這些小的基于纖維的偽像，長期再現(xiàn)性性能也不會降低。調(diào)節(jié)施加的測量力并將變形結(jié)果外推到未變形狀態(tài)的能力消除了彈性變形問題。這些問題可能是由于未知的材料常數(shù)或細(xì)纖維在發(fā)生彈性變形時(shí)的不一致的材料彎曲行為引起的。NIST近年來收到的大多數(shù)具有挑戰(zhàn)性的直徑測量要求都是用于測量這些細(xì)小而精細(xì)的纖維假象。

經(jīng)過改進(jìn)的新激光測微儀

圖2和3所示的示意圖中突出顯示了新型千分尺設(shè)計(jì)的重要結(jié)構(gòu)組件。儀器的計(jì)量框架（包括底梁，干涉儀支架和參考圓柱基座）完全由invar35材料制成，用于熱穩(wěn)定性。新的千分尺使用先進(jìn)的激光位移干涉儀，該干涉儀依靠光來測量兩個(gè)金屬觸點(diǎn)之間固定的物體的厚度。借助新系統(tǒng)，研究人員可以測量任何寬度小于50毫米的物體（包括細(xì)規(guī)格的電線和纖維）的直徑，其不確定度僅為2納米。這要比NIST以前開發(fā)的激光測微儀的精度高出一倍。

實(shí)際上，這種改進(jìn)使新的NIST千分尺達(dá)到了世界上最好的水平。此外，NIST千分尺更便宜且操作更簡單。例如，由于NIST儀器不像其他先進(jìn)儀器那樣自動(dòng)化，因此它的制造成本更低，設(shè)計(jì)更簡單并且更容易受到嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)控制。

▲圖2. 千分尺計(jì)量框架組件

▲圖3. 千分尺軸承和托架運(yùn)動(dòng)座組件

▲圖4. 千分尺底座、外殼和激光定位

▲圖5. 千分尺的結(jié)構(gòu)和基本部件、量筒

制造商正在使用比十年前更薄的光纖和電線來進(jìn)行光通信和片上電氣網(wǎng)絡(luò)。這驅(qū)使了對激光測微儀的需求，該激光測微儀可以高精度地測量微小直徑并建立標(biāo)準(zhǔn)直徑的“主”光纖，以用作評估其他光纖直徑的參考。另一方面，越來越需要測量NIST千分尺也可以執(zhí)行的，直徑為厘米的大型壓力活塞和氣缸壓力表的尺寸。由于活塞所施加的壓力與其面積成正比，因此即使在測量活塞直徑時(shí)出現(xiàn)小的誤差也可能在計(jì)算壓力時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。

▲圖6. 千分尺測量安裝在氣墊和浮墊上的圓柱體

▲圖7. 無摩擦施力。襯套軸和滑架銷位置上方的尼龍纖維布線路徑以紅色突出顯示�？梢愿鶕�(jù)需要在軸承的另一側(cè)添加一條復(fù)制的布線路徑。

▲圖8. 對準(zhǔn)要求以及必須解決的順序，以使千分尺達(dá)到最佳性能

測量細(xì)纖維和金屬絲的直徑是一項(xiàng)微妙的操作，因?yàn)檫@些物體可能相對容易地變形或改變其形狀。如果不考慮這些變形，則可能導(dǎo)致測量尺寸的顯著誤差。為了解決變形問題，NIST研究人員設(shè)計(jì)了千分尺，以便可以改變將物體固定在適當(dāng)位置的觸點(diǎn)所施加的力。通過在施加不同的接觸力時(shí)測量物體直徑的變化，研究人員能夠在沒有力施加到物體上的情況下推斷出直徑，即未變形的直徑。新設(shè)計(jì)使研究人員可以遠(yuǎn)程操作該設(shè)備，從而消除了通過人為接觸將熱量引入系統(tǒng)的可能性。研究人員還設(shè)計(jì)了一種更穩(wěn)定的方法，使硬質(zhì)合金觸點(diǎn)保持被測物體。所有這些改進(jìn)提高了設(shè)備的準(zhǔn)確性。

▲圖9. 千分尺精確定位和測量球體

高精度殷鋼千分尺是一種使用一維位移干涉儀測量兩點(diǎn)圓柱直徑的儀器。它具有適應(yīng)和執(zhí)行極其精確的球體直徑測量的能力，為驗(yàn)證千分尺設(shè)計(jì)提供了獨(dú)特的機(jī)會。儀器的最新發(fā)展是有條不紊地不斷改進(jìn)為簡單經(jīng)典儀器的優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)很好的例子。隨著我們研究直徑非常細(xì)的電線和纖維偽影的這些應(yīng)用如何影響直徑測量的最新技術(shù)，儀器方法的發(fā)展將繼續(xù)擴(kuò)大。