Les principaux composants structurels du nouveau micromètre NIST - un appareil pour mesurer l'épaisseur du fil fin, fibres étroites et objets similaires - sont en Invar, un alliage nickel-fer qui ne réagit pas aux petits changements de température. Par conséquent, l'appareil de mesure est moins sujet aux erreurs que d'autres instruments de pointe. Un faisceau laser entre par le côté gauche du dessin et pénètre dans un cube séparateur de faisceau (1), qui divise le faisceau en deux parties. Une partie reste dans le cube, est réfléchi par un miroir latéral vers le centre et sert de faisceau de référence. L'autre partie heurte le rétroréflecteur (2). Lorsque le chariot flottant (3) s'éloigne du cube séparateur et se dirige vers l'extrémité arrière de l'enclume (4), la distance entre le rétroréflecteur et le diviseur de cube varie (5 Lorsque les deux faisceaux sont rapprochés, le laser signale le changement de distance. Crédit :NIST
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis au point un instrument laser considérablement amélioré qui mesure le diamètre des fils de calibre fin, fibres et autres objets seulement environ trois fois l'épaisseur d'un cheveu humain. Connu sous le nom de micromètre laser, la précision de l'appareil est égale à celle de ses homologues de pointe mais est moins chère, plus simple à utiliser et plus facile à entretenir.
Les scientifiques du NIST, John Stoup et Ted Doiron, ont fait part de leurs découvertes le 15 décembre numéro 2020 de Métrologie .
Le nouveau micromètre utilise un interféromètre à déplacement laser avancé, qui s'appuie sur la lumière pour mesurer l'épaisseur des objets maintenus entre deux contacts métalliques. Avec le nouveau système, les chercheurs peuvent mesurer le diamètre de tout objet de moins de 50 millimètres de large, y compris les fils et fibres de calibre fin, avec une incertitude de seulement 2 nanomètres. C'est mieux que le double de la précision des précédents micromètres laser développés au NIST.
Stoup et Doiron ont fabriqué le nouveau micromètre presque entièrement en Invar, un alliage nickel-fer connu pour sa stabilité thermique. Cela signifie que le matériau ne réagit pas aux petits changements de température, résister à l'expansion ou à la contraction. Par conséquent, l'appareil de mesure est moins sujet aux erreurs que d'autres instruments de pointe.
En réalité, l'amélioration " place le nouveau micromètre NIST à un niveau équivalent au meilleur au monde, " dit Stoup. D'ailleurs, le micromètre NIST est moins cher et plus simple à utiliser. Par exemple, parce que l'instrument NIST n'est pas aussi automatisé que d'autres instruments de pointe, c'est moins cher à construire, plus simple dans la conception et plus facile à garder sous un contrôle statistique strict.
"C'est toujours un défi d'atteindre les meilleures performances au monde sans se ruiner, " dit Stoup.
Les fabricants travaillent avec des fibres et des fils beaucoup plus fins qu'ils ne l'avaient fait il y a dix ans pour les communications optiques et les réseaux électriques sur puce. Cela a conduit au besoin d'un micromètre laser capable de mesurer des diamètres minuscules avec une grande précision et d'établir des fibres « maîtres » de diamètre standard pouvant être utilisées comme référence pour évaluer le diamètre d'autres fibres. A l'autre bout de l'échelle, il y a un besoin croissant de mesurer la taille des grands, pistons de pression centimétriques et manomètres à cylindre, que le micromètre NIST peut également effectuer. Parce que la pression exercée par un piston est proportionnelle à sa surface, même de petites erreurs dans la mesure du diamètre du piston peuvent produire des erreurs critiques dans le calcul de la pression.
La mesure du diamètre des fibres fines et des fils est une opération délicate car ces objets peuvent se déformer, ou changer de forme, relativement facilement. Si ces déformations ne sont pas prises en compte, ils pourraient conduire à une erreur significative dans la taille mesurée. Pour tenir compte de la déformation, les chercheurs du NIST ont conçu leur micromètre de manière à pouvoir faire varier la force appliquée par les contacts qui maintiennent l'objet en place. En mesurant les variations de diamètre de l'objet lorsque différentes forces de contact ont été appliquées, les chercheurs ont pu extrapoler le diamètre lorsqu'aucune force n'est exercée sur l'objet, le diamètre non déformé.
La nouvelle conception permet aux chercheurs de faire fonctionner l'appareil à distance, éliminant la possibilité d'introduire de la chaleur dans le système par contact humain. Les chercheurs ont également conçu un moyen plus stable pour que les contacts en carbure maintiennent l'objet mesuré. Toutes ces améliorations ont augmenté la précision de l'appareil.
