Os principais componentes estruturais do novo micrômetro NIST - um dispositivo para medir a espessura de fios finos, fibras estreitas e objetos semelhantes - são feitos de Invar, uma liga de níquel-ferro que não reage a pequenas mudanças de temperatura. Como resultado, o dispositivo de medição é menos sujeito a erros do que outros instrumentos de última geração. Um feixe de laser entra do lado esquerdo do desenho e entra em um cubo divisor de feixe (1), que divide o feixe em duas partes. Uma parte permanece no cubo, é refletido de um espelho lateral de volta para o centro e serve como o feixe de referência. A outra parte atinge o retrorrefletor (2). Conforme o carro flutuante (3) se move para longe do cubo divisor e em direção à extremidade traseira da bigorna (4), a distância entre o retrorrefletor e o divisor de cubo varia (5 Quando os dois feixes são trazidos de volta juntos, o laser relata a mudança na distância. Crédito:NIST
Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um instrumento baseado em laser dramaticamente aprimorado que mede o diâmetro de fios de bitola fina, fibras e outros objetos com apenas cerca de três vezes a espessura de um cabelo humano. Conhecido como micrômetro a laser, a precisão do dispositivo é igual à de seus equivalentes de última geração, mas é mais barato, mais simples de operar e mais fácil de manter.
Os cientistas do NIST John Stoup e Ted Doiron relataram suas descobertas em 15 de dezembro, Edição de 2020 de Metrologia .
O novo micrômetro usa um interferômetro de deslocamento de laser avançado, que se baseia na luz para medir a espessura de objetos mantidos entre dois contatos de metal. Com o novo sistema, os pesquisadores podem medir o diâmetro de qualquer objeto com menos de 50 milímetros de largura, incluindo fios e fibras de bitola fina, com uma incerteza de apenas 2 nanômetros. Isso é melhor do que o dobro da precisão dos micrômetros de laser anteriores desenvolvidos no NIST.
Stoup e Doiron fabricaram o novo micrômetro quase inteiramente de Invar, uma liga de níquel-ferro conhecida por sua estabilidade térmica. Isso significa que o material não reage a pequenas mudanças de temperatura, resistindo à expansão ou contração. Como resultado, o dispositivo de medição é menos sujeito a erros do que outros instrumentos de última geração.
Na verdade, a melhoria "coloca o novo micrômetro NIST em um nível equivalente ao melhor do mundo, "disse Stoup. Além disso, o micrômetro NIST é mais barato e mais simples de operar. Por exemplo, porque o instrumento NIST não é tão automatizado quanto outros instrumentos de última geração, é mais barato construir, mais simples no design e mais fácil de manter sob controle estatístico rígido.
"É sempre um desafio obter o melhor desempenho mundial sem quebrar o banco, "Stoup disse.
Os fabricantes estão trabalhando com fibras e fios muito mais finos do que há uma década para comunicações ópticas e redes elétricas on-chip. Isso gerou a necessidade de um micrômetro a laser que possa medir diâmetros minúsculos com alta precisão e estabelecer fibras "principais" de diâmetro padrão que podem ser usadas como referências para avaliar o diâmetro de outras fibras. No outro extremo da escala, há uma necessidade crescente de medir o tamanho de grandes, pistões de pressão de centímetros de diâmetro e medidores de cilindro, que o micrômetro NIST também pode realizar. Como a pressão que um pistão exerce é proporcional à sua área, mesmo pequenos erros na medição do diâmetro do pistão podem produzir erros críticos no cálculo da pressão.
Medir o diâmetro de fibras e fios finos é uma operação delicada porque esses objetos podem deformar, ou mudar sua forma, com relativa facilidade. Se essas deformações não forem levadas em consideração, eles podem levar a um erro significativo no tamanho medido. Para explicar a deformação, os pesquisadores do NIST projetaram seu micrômetro de forma que pudessem variar a força aplicada pelos contatos que mantêm o objeto no lugar. Medindo as variações no diâmetro do objeto quando diferentes forças de contato foram aplicadas, os pesquisadores foram capazes de extrapolar o diâmetro quando nenhuma força é exercida sobre o objeto, o diâmetro indeformado.
O novo design permite que os pesquisadores operem o dispositivo remotamente, eliminando a possibilidade de introdução de calor no sistema por meio do contato humano. Os pesquisadores também desenvolveram uma maneira mais estável para os contatos de carboneto segurar o objeto medido. Todas essas melhorias aumentaram a precisão do dispositivo.
