緊湊型FLOUT諧振器，長度只有2.5厘米左右，是新的便攜式原型的核心組件。上圖顯示了設(shè)備中用于壓力測量的兩個(gè)物理通道。當(dāng)連接到絮狀物系統(tǒng)的其余部分時(shí)，一個(gè)通道保持真實(shí)空，另一個(gè)通道填充有正在測量壓力的氣體。(資料來源:馬來西亞統(tǒng)計(jì)局)

據(jù)迷因咨詢，最近，國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST；);美國馬里蘭州蓋瑟斯堡(gaithersburg)的研究人員表示，通過與行業(yè)公司的合作，已經(jīng)開發(fā)出了第一款便攜式定長光學(xué)腔(Figure-Length Optical Cavity，F(xiàn)LOC)原型，這是一種利用光來測量壓力的精度更高的設(shè)備，測量結(jié)果比大多數(shù)商用壓力傳感器更精確。NIST表示，這一最新版本將徹底顛覆壓力測量的方式，未來可能會(huì)被許多行業(yè)采用，尤其是半導(dǎo)體芯片和飛機(jī)制造。

早在2017年，NIST和MKS儀器(簡稱MKS)；美國馬薩諸塞州的安多弗簽署了一項(xiàng)合作研究和開發(fā)協(xié)議(CRADA)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室級絮凝物，并為商業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)更小更強(qiáng)的原型。亨德里克斯說，多虧了CRADA，來自NIST和MKS的R&D聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功地展示了可以放入兩個(gè)行李箱的原型。

“MKS可以為這個(gè)項(xiàng)目帶來壓力測量、光學(xué)和激光領(lǐng)域超過50年的經(jīng)驗(yàn)。我們很榮幸被NIST選中，與他們一起參與這個(gè)重大而有聲望的項(xiàng)目的研發(fā)?！盡KS壓力和真空測量解決方案部首席技術(shù)官菲爾·沙利文(Phil Sullivan)表示:“我們預(yù)計(jì)該項(xiàng)目將引領(lǐng)一個(gè)新的廣泛而緊湊的壓力測量標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>

堅(jiān)固耐用的便攜式FLOC傳感器可以降低半導(dǎo)體芯片(如智能手機(jī)中的芯片)的生產(chǎn)成本，還可以降低航空空的成本。主要是因?yàn)樾酒圃鞓I(yè)和航空空航天工業(yè)都是靠壓力測量。

傳統(tǒng)壓力傳感器的測量數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，但其讀數(shù)會(huì)隨著時(shí)間的推移而偏離，這意味著必須定期停止使用，才能進(jìn)行校準(zhǔn)。由于絮狀物的壓力測量是絕對的，因此不需要校準(zhǔn)。因此，F(xiàn)LOC可以實(shí)時(shí)檢測工廠和車間傳統(tǒng)壓力傳感器的偏差，減少停機(jī)時(shí)間。

傳統(tǒng)的壓力傳感器也用于測量飛行中飛機(jī)的高度。測量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確的壓力傳感器可以使飛行員更安全地控制飛機(jī)，節(jié)省燃料，并可能降低飛行成本。

雖然這個(gè)領(lǐng)域目前不在CRADA項(xiàng)目的研究范圍內(nèi)，但NIST科學(xué)家預(yù)計(jì)FLOC的尺寸將進(jìn)一步縮小，直到縮小到芯片級儀器。

FLOC的工作原理是通過光通過兩個(gè)物理通道(也稱為光學(xué)諧振腔)的微小頻率差來測量壓力:真空中的參考通道和充滿被測壓力氣體的測試通道。

為了測量壓力，F(xiàn)LOC檢測通過兩個(gè)通道的光線的細(xì)微差別，一個(gè)通道充滿氣體，另一個(gè)通道處于true 空狀態(tài)。每個(gè)通道的兩端都有一個(gè)半反射鏡。激光從一側(cè)進(jìn)入通道，在鏡子之間來回反射，形成駐波。一些光將通過另一側(cè)離開通道。頂部通道中氣體的存在會(huì)導(dǎo)致波長縮短。當(dāng)來自兩個(gè)通道的光碰撞在一起時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波形，可以用來實(shí)時(shí)計(jì)算氣體壓力。

早在2014年，NIST就首次開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室級絮凝物。它的設(shè)計(jì)足夠靈敏和精確，可作為主要的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，并可用于校準(zhǔn)所有其他壓力測量設(shè)備。

由氣體和真空通道組成的光學(xué)諧振腔長約15cm，約為旅行杯大小。該裝置還包括一個(gè)真空泵，一個(gè)提供光源的激光器和操作它們的光學(xué)裝置，以及一個(gè)處理信號的電子設(shè)備架。新的便攜式版本更緊湊。它的雙通道諧振腔長約2.5厘米，只比郵票略長。諧振腔及其光學(xué)元件都包裹在一個(gè)盒子里，盒子里還包含一個(gè)較小的電子設(shè)備支架和一個(gè)用于氣體處理系統(tǒng)的泵。

在這次合作中，NIST和MKS的工作人員在原型的核心部署了雙通道諧振器，而MKS負(fù)責(zé)系統(tǒng)小型化版本的工程設(shè)計(jì)。

“目前，我們已經(jīng)開發(fā)出了FLOC的國家標(biāo)準(zhǔn)版本，設(shè)計(jì)用于高精度實(shí)驗(yàn)室。”亨德里克斯說:“然而，我們也專注于CRADA以外的行業(yè)研究，以加快小型化設(shè)備的研發(fā)，這需要制造出強(qiáng)大、穩(wěn)定、便攜、低功耗、可在各種環(huán)境下工作的產(chǎn)品?！?/p>

研究人員還將光的波長從可見光(波長633nm)改為紅外光(波長1550nm)，這是電信行業(yè)常用的波長，因此目前也廣泛應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品中。

從理論上講，人的腳步在展廳內(nèi)的振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致測量值的準(zhǔn)確度出現(xiàn)偏差，但該裝置的性能足以抗噪聲。測量范圍是從真空的超低壓力到2000Pa左右(相當(dāng)于大氣壓力的2%，或者211kg/m2)，已經(jīng)確認(rèn)，目前正在較高壓力下測試。

當(dāng)然，器件還有空的進(jìn)一步小型化。未來的版本可以定制為只包括設(shè)備所需的功能。同時(shí)，亨德里克斯的團(tuán)隊(duì)還將對比微版和標(biāo)準(zhǔn)FLOC的性能。未來可能會(huì)有運(yùn)輸測試，就是對設(shè)備進(jìn)行測試，包裝，運(yùn)輸?shù)侥硞€(gè)地方，帶回，然后再進(jìn)行測試，看是否會(huì)重現(xiàn)同樣的結(jié)果。