Pojemnościowe nanoczujniki przemieszczenia są wykonywane na miarę w ekstremalnych środowiskach

Nowa seria NanoCeramic (NC) NanoSensor firmy Queensgate, wyspecjalizowany brytyjski producent precyzyjnych produktów do nanopozycjonowania, oferuje metrologię w nanoskali, która jest dostosowana do najbardziej wymagających środowisk badawczych – łącząc kompatybilność z ultrawysoką próżnią (UHV) i twardość promieniowania z działaniem w temperaturach kriogenicznych i podwyższonych.

Dla kontekstu, Queensgate's Portfolio produktów NanoSensor obejmuje ustaloną rodzinę bezkontaktowych systemów pomiaru położenia (tzw Seria NX) oparty na zasadzie mikrometrii pojemnościowej. Dwie płytki czujnika – tarcza i sonda – tworzą kondensator z równoległymi płytkami, a odległość między płytkami jest mierzona za pomocą elektronicznego sterownika.

Dostępne są zakresy pomiarowe od 20 µm do 1250 µm z odpowiedziami częstotliwościowymi do 20 kHz (idealne do monitorowania drgań i wykrywania szumów w precyzyjnych instrumentach). Co więcej, nanoczujniki serii NX zapewniają liniowość do 0.02% i rozdzielczość pomiaru nawet do 7:10 (RMS) — a wszystko to w niesamonagrzewającym się zespole, a wybrane konstrukcje nadają się do pracy w zakresie UHV do XNUMX^-9 Torr.

Na miarę

Opierając się na tych samych fundamentalnych zasadach, Seria NK stanowi rozszerzenie oferty NX do zastosowań w ekstremalnych warunkach — w efekcie niestandardową linię NanoSensorów, która przenosi kompatybilność UHV na wyższy poziom (10^-10 Torr), zapewniając jednocześnie stabilną, niezawodną pracę w agresywnym środowisku radiacyjnym (z utwardzanymi radiacyjnie 10⁷ okablowanie Gy) oraz w szerokim zakresie temperatur (od 80 K do 423 K).

„Do produkcji serii NC wykorzystujemy techniki produkcji zatwierdzone przez wojsko i lotnictwo” — wyjaśnia John Clarke, główny inżynier ds. projektowania mechanicznego w Queensgate. „Chociaż czujniki w większości są projektami niestandardowymi, możliwości produkcyjne technologii NC są takie, że możemy dostarczyć wiele – i bardzo wymagających – współrzędnych wydajności w konkurencyjnej cenie”.

Sercem podsystemu pomiarowego NC są pozłacane, ceramiczne płytki czujnika pojemnościowego (zwykle oparte na „białym złocie”, stopie platyny i złota), podczas gdy większość modeli zawiera również szklano-ceramiczne szkliwo, które chroni powierzchnie czujników i zapobiega przypadkowym zwarcie między płytkami. Równie ważne są obudowy czujników NC przeznaczone do konkretnych zastosowań – zwłaszcza jeśli chodzi o zapewnienie konstrukcji o niskiej rozszerzalności cieplnej. Na przykład obudowy Invar zapewniają stabilność termiczną w temperaturach kriogenicznych (do 80 K); stal nierdzewna SS316 jest idealna przy dopasowaniu rozszerzenia czujnika do konstrukcji ze stali nierdzewnej; a niemagnetyczne obudowy aluminiowe najlepiej sprawdzają się przy dopasowywaniu rozszerzalności cieplnej do konstrukcji aluminiowych.

„Zasadniczo”, zauważa Clarke, „seria NC obejmuje pakiet postępów materiałowych i innowacji, aby zapewnić kompatybilność w różnorodnych zastosowaniach w ekstremalnych warunkach”. Dobry przykład: jedno z pierwszych wdrożeń NC NanoSensor — do monitorowania zginania kryształów krzemu w monochromatorze Bragga na linii wiązki synchrotronowej — połączyło rozdzielczość pomiaru 2–5 nm ze 100 Zakres µm i działanie w temperaturach kriogenicznych (około 80 K).

Konstrukcja o niskim poziomie odgazowywania umożliwiła również wdrożenie w warunkach UHV (do 10^-9 Torr), podczas gdy „odporne na promieniowanie” okablowanie i konstrukcja ceramiczno-metalowa zapewniały, że czujnik może wytrzymać maksymalną równoważną dawkę promieniowania w obrębie linii wiązki 143 Gy/godz. „To wczesne rozwiązanie NC spełniło wszystkie wymagania, jeśli chodzi o zwiększenie wydajności” — dodaje Clarke.

Chodzi o kontrolę

Cechą charakterystyczną serii czujników NC (i macierzystej linii produktów NX) jest wysokiej jakości cyfrowa elektronika sterująca – łącząca niski poziom szumów, 20-bitowe wyjście cyfrowe i częstotliwość aktualizacji 50 kHz jako część zintegrowanego systemu pomiarowego. Dostępna jest również dłuższa możliwość prowadzenia kabla (w porównaniu z modelami analogowymi poprzedniej generacji), dzięki czemu wyjście cyfrowe jest mniej wrażliwe na przechwytywanie szumów.

„Wszystko to oznacza, że ​​użytkownikom końcowym znacznie łatwiej jest zintegrować czujniki NC z systemem sterowania bez wprowadzania szumów do sygnału” — wyjaśnia Clarke. „Natychmiastowa konwersja na postać cyfrową oznacza, że ​​użytkownik końcowy może przesłać sygnał z czujnika kablem cyfrowym do komputera PC, gdzie może on zostać przeanalizowany i wprowadzony do pętli sterowania”.

Inne specyfikacje serii NC obejmują wysoką liniowość wyjściową przed kalibracją (typowo 0.05%), z cyfrowo skorygowaną kalibracją czwartego rzędu liniową do 0.005% (typowo). Istnieje również możliwość wymiany lub naprawy elektroniki sterującej metodą plug-and-play, gdy głowice czujników są niedostępne — na przykład w komorze próżniowej.

Seria NC to rozszerzająca się linia produktów. Jeśli wymagany model nie jest dostępny, Queensgate wyprodukuje zgodnie ze specyfikacją niestandardową, z zastrzeżeniem kryteriów minimalnej wielkości zamówienia.