制造千分尺最新技术(NIST研发新型激光测微仪)

江苏激光联盟导读：

据悉，来自NIST的科学家JohnStoup和TedDoiron2020年12月15日在Metrologia上发表了他们研发的新型激光测微仪。该仪器可测量细规格的线材，纤维和其他物体的直径，其直径仅为人发厚度的三倍左右。其精度与最新同类产品相当，但更便宜、更易于操作且更易于维护。

NIST在一维激光测径仪器的发展历史悠久，始于20世纪70年代。这些设计通常使用安装在具有内部弯曲的机械低摩擦滑动装置上的测量头，当放置在相对的触点之间时，对工件施加恒定的力。虽然最初设计为用于机械规格块检查和测量的远程器件，但它们具有在正确配置时测量圆柱直径的附加能力，尽管具有显著的限制。在20世纪90年代早期，消费者要求一种测量细直径光纤的仪器，最终产生了如图一所示的仪器。

大约2000μm设计通过移动到水平安装的空气轴承并使用实心花岗岩台提供结构和光路稳定性，可以显著改变早期垂直千分尺设计。干涉仪分束器直接安装到铝轴承上，但直接安装在轴承附件上方的花岗岩台上，为光学提供稳定的位置。该仪器包括垂直定向的碳化钨参考圆柱，固定在直接用螺栓固定到花岗岩表面的重型钢基座中，独立于铝轴承。这些构造细节导致大型花岗岩台成为计量框架的结构和热稳定部分。一端具有小型4mm平板的碳化钨砧座，直接沿着干涉仪的光路安装在轴承架上，并且当配合触点彼此闭合时，为仪器提供零位置参考位置。工件支撑机构允许将圆柱体或金属丝放置在这些配合触点之间，导致伪像2Pt直径的直接位移测量。尽管在设计和操作方面仍然非常简单，但微妙的设计特征，包括仔细的装配技术、光学元件的位置，接触对准方法，材料考虑和力应用技术已经在各种伪影材料和尺寸范围内产生了令人印象深刻的测量性能。

在过去的二十年中，2000μm足以满足几乎所有NIST客户对高精度直径加工的要求。对于高质量的小直径（<1 mm）伪影，该仪器的扩展不确定度U（k = 2）可以接近45 nm。该仪器的重要独特功能之一是其在小于100μm的很小直径范围内的精确度。对过去15年的操作伪像数据的分析表明，即使测量这些小的基于纤维的伪像，长期再现性性能也不会降低。调节施加的测量力并将变形结果外推到未变形状态的能力消除了弹性变形问题。这些问题可能是由于未知的材料常数或细纤维在发生弹性变形时的不一致的材料弯曲行为引起的。NIST近年来收到的大多数具有挑战性的直径测量要求都是用于测量这些细小而精细的纤维假象。

经过改进的新激光测微仪

实际上，这种改进使新的NIST千分尺达到了世界上最好的水平。此外，NIST千分尺更便宜且操作更简单。例如，由于NIST仪器不像其他先进仪器那样自动化，因此它的制造成本更低，设计更简单并且更容易受到严格的统计控制。

▲图2.千分尺计量框架组件

▲图3.千分尺轴承和托架运动座组件

▲图4.千分尺底座、外壳和激光定位

▲图5.千分尺的结构和基本部件、量筒

制造商正在使用比十年前更薄的光纤和电线来进行光通信和片上电气网络。这驱使了对激光测微仪的需求，该激光测微仪可以高精度地测量微小直径并建立标准直径的“主”光纤，以用作评估其他光纤直径的参考。另一方面，越来越需要测量NIST千分尺也可以执行的，直径为厘米的大型压力活塞和气缸压力表的尺寸。由于活塞所施加的压力与其面积成正比，因此即使在测量活塞直径时出现小的误差也可能在计算压力时产生严重误差。

▲图6.千分尺测量安装在气垫和浮垫上的圆柱体

▲图7.无摩擦施力。衬套轴和滑架销位置上方的尼龙纤维布线路径以红色突出显示。可以根据需要在轴承的另一侧添加一条复制的布线路径。

▲图8.对准要求以及必须解决的顺序，以使千分尺达到最佳性能

测量细纤维和金属丝的直径是一项微妙的操作，因为这些物体可能相对容易地变形或改变其形状。如果不考虑这些变形，则可能导致测量尺寸的显着误差。为了解决变形问题，NIST研究人员设计了千分尺，以便可以改变将物体固定在适当位置的触点所施加的力。通过在施加不同的接触力时测量物体直径的变化，研究人员能够在没有力施加到物体上的情况下推断出直径，即未变形的直径。新设计使研究人员可以远程操作该设备，从而消除了通过人为接触将热量引入系统的可能性。研究人员还设计了一种更稳定的方法，使硬质合金触点保持被测物体。所有这些改进提高了设备的准确性。

▲图9.千分尺精确定位和测量球体

高精度殷钢千分尺是一种使用一维位移干涉仪测量两点圆柱直径的仪器。它具有适应和执行极其精确的球体直径测量的能力，为验证千分尺设计提供了独特的机会。仪器的最新发展是有条不紊地不断改进为简单经典仪器的优点的一个很好的例子。随着我们研究直径非常细的电线和纤维伪影的这些应用如何影响直径测量的最新技术，仪器方法的发展将继续扩大。

本文来源：JohnStoupetal.Anovelhighaccuracymicrometerforthemeasurementofdiameter,Metrologia(2020).DOI:10.1088/1681-7575/abd3b2