微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置及溯源方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微懸臂梁彈性常數(shù)溯源標(biāo)定裝置，所述溯源標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)包括有大理石框架、納米天平、微懸臂梁、三維微納位移臺、力加載桿、偏振差分干涉儀、儀器控制器、計(jì)算機(jī)與測控軟件。同時(shí)提供一種微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置的溯源方法。本發(fā)明的效果是使用該裝置上實(shí)現(xiàn)了彈性常數(shù)值直接溯源到國際單位制SI。該裝置將偏振差分干涉儀的測量光束在微懸臂梁自由端的上表面形成的微光斑與納米天平上的力加載桿對微懸臂梁自由端的下表面加載時(shí)的力加載點(diǎn)完全重合并與重力方向一致，使得阿貝臂為零，遵守了位移測量的阿貝原則，避免了阿貝誤差的產(chǎn)生，保證了溯源儀器的測量準(zhǔn)確度。可以保證不同實(shí)驗(yàn)室利用微懸臂梁進(jìn)行微力測量的統(tǒng)一性、可靠性和可比性。
【專利說明】微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置及溯源方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米科技和計(jì)量學(xué)的交叉領(lǐng)域，涉及一種微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置及溯源方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微懸臂梁的長、寬和厚三維尺寸在幾個(gè)納米(nano-meter)至幾百微米(micro-meter)范圍內(nèi)，在使用時(shí),一般一端固定,另一端自由，形成一個(gè)彈性元件。微懸臂梁是一種重要的微納尺度上的傳感元件，常被用作力傳感器來探測微小的物理、化學(xué)和生物作用力，也被用于測量溫度、介質(zhì)粘度等物理量。微懸臂梁作為彈性傳感元件，遵循胡克定律，即F=kAz，其中，k是微懸臂梁的彈性常數(shù)，ΛΖ是自由端的位移?？梢?，微懸臂梁的測力準(zhǔn)確度依賴于彈性常數(shù)k的準(zhǔn)確測量。
[0003]為此，學(xué)者們已提出了多種方法用于微懸臂梁彈性常數(shù)的測量，主要分為靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩大類:靜態(tài)法有計(jì)算法、參考梁法、加載法等；動(dòng)態(tài)法有質(zhì)量添加法、Sader法和熱噪聲標(biāo)定法。但是截止到目前，這些方法均為依據(jù)微懸臂梁的材料物理性質(zhì)和尺寸推導(dǎo)出來的理論公式，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)來測量彈性常數(shù)，尚未溯源到國際單位制SI。這使得使用微懸臂梁進(jìn)行微力檢測的各個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間的測力數(shù)據(jù)因?yàn)闆]有統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)而難以比對，甚至導(dǎo)致對客觀現(xiàn)象的誤解。將微懸臂梁彈性常數(shù)溯源到國際單位SI已經(jīng)成為微懸臂梁應(yīng)用領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。
[0004]在微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定方面，學(xué)者們也提出了一些方案，如德國技術(shù)物理研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt:PTB)和韓國標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院(Korea Research Institute of Standards and Science:KRISS)將微納米位移臺與納米天平結(jié)合起來，采用集成在微納位移臺上的電容位移傳感器進(jìn)行位移的溯源，采用納米天平進(jìn)行力的溯源，但這種結(jié)構(gòu)采用電容傳感器測量位移，電容傳感器本身需要用激光干涉儀標(biāo)定才能溯源，因此該裝置本身并沒有把彈性常數(shù)直接值溯源到國際單位SI ;不僅如此，由于測量微懸臂梁自由端位移的電容傳感器與對自由端的力加載點(diǎn)不在一條直線上，即二者之間存在較大的距離即阿貝臂，違反了位移測量的阿貝原則，使得該系統(tǒng)有較大的誤差，難以保證測量準(zhǔn)確度。因而該裝置也不適合作為微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置。也有學(xué)者提出了用光杠桿作為位移測量的方案，但由于光桿桿實(shí)際測量的是微懸臂梁的偏轉(zhuǎn)角度而不是位移，所以這種方案也不能把彈性常數(shù)直接溯源到國際單位制SI。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種微懸臂梁彈性常數(shù)溯源標(biāo)定裝置及溯源方法，以實(shí)現(xiàn)微懸臂梁彈性常數(shù)與國際單位制SI的直接溯源，避免了阿貝誤差的產(chǎn)生，保證了溯源儀器的測量準(zhǔn)確度。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種微懸臂梁彈性常數(shù)溯源標(biāo)定裝置，所述溯源標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)包括有大理石框架、納米天平、微懸臂梁、三維微納位移臺、力加載桿、偏振差分干涉儀、儀器控制器、計(jì)算機(jī)與測控軟件。
[0007]同時(shí)提供一種微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置的溯源方法。
[0008]本發(fā)明的效果是使用該裝置上實(shí)現(xiàn)了彈性常數(shù)值直接溯源到國際單位制SI。該裝置將偏振差分干涉儀的測量光束在微懸臂梁自由端的上表面形成的微光斑與納米天平上的力加載桿對微懸臂梁自由端的下表面加載時(shí)的力加載點(diǎn)完全重合并與重力方向一致，使得阿貝臂為零，遵守了位移測量的阿貝原則，避免了阿貝誤差的產(chǎn)生，保證了溯源儀器的測量準(zhǔn)確度?？梢员ＷC不同實(shí)驗(yàn)室利用微懸臂梁進(jìn)行微力測量的統(tǒng)一性、可靠性和可比性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1微懸臂梁彈性常數(shù)溯源標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2步進(jìn)加載獲得的力-位移數(shù)組及其擬合的直線。
[0011]圖中:
[0012]1、大理石框架2、納米天平3、微懸臂梁4、三維微納位移臺5、力加載桿6、偏振差分干涉儀7、裝置控制器8、計(jì)算機(jī)與測控軟件9、X向單軸微納位移器10、y向單軸微納位移器ll、z向單軸微納位移器12、彈性卡箍13、He_Ne偏振激光器14、法拉第光隔離器15、索累-巴比涅補(bǔ)償器16、擴(kuò)束器17、分束器18、聚焦透鏡19、沃拉斯頓棱鏡A 20、沃拉斯頓棱鏡B 21、光電二極管A22、光電二極管23、光路箱體24、光電信號處理模塊25、光學(xué)顯微鏡
【具體實(shí)施方式】
[0013]結(jié)合附圖對本發(fā)明的微懸臂梁彈性常數(shù)溯源標(biāo)定裝置及溯源方法加以說明。
[0014]本發(fā)明的微懸臂梁彈性常數(shù)溯源標(biāo)定裝置該溯源標(biāo)定裝置的設(shè)計(jì)思想是基于采用偏振差分干涉儀作為微梁自由端的位移測量手段，實(shí)現(xiàn)與國際單位制中長度單位米(m)的溯源；以納米天平作為力的測量手段，實(shí)現(xiàn)與國際單位制中力的單位牛頓(N)的溯源。依據(jù)該溯源標(biāo)定裝置的溯源方法的特征是通過實(shí)驗(yàn)獲得微懸臂梁的力-位移曲線，再通過直線擬合并求取其斜率平均值的方法獲得微懸臂梁的彈性常數(shù)溯源值。在該溯源裝置中，反射差分干涉儀的測量光束在微懸臂梁的上表面上形成的微光斑與納米天平通過力加載桿在微懸臂梁的下表面上的力加載點(diǎn)在同一條直線上，且與重力(豎直)方向保持一致。
[0015]如圖1、2所示，本發(fā)明的微懸臂梁彈性常數(shù)標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)是，包括有大理石框架1、納米天平2、微懸臂梁3、三維微納位移臺4、固定在所述的納米天平上的力加載桿5、偏振差分干涉儀6、儀器控制器7、計(jì)算機(jī)與測控軟件8等幾部分組成。
[0016]所述的大理石框架I為裝置機(jī)械部分的支撐結(jié)構(gòu)，選擇大理石材料為支撐結(jié)構(gòu)是由于大理石具有密度大、強(qiáng)度高、硬度高、穩(wěn)定性好、耐磨耐壓、不生銹、不磁化、耐酸堿、熱膨脹系數(shù)小而不因室溫波動(dòng)產(chǎn)生大的形變等優(yōu)點(diǎn)。所述的大理石框架I上固定有納米天平
2、三維微納位移臺4和反射差分干涉儀6的光路箱體23等三個(gè)模塊。所述的納米天平2是根據(jù)電磁平衡原理設(shè)計(jì)制造的，其質(zhì)量分辨力為0.0lmg，量程為2.lg。所述的納米天平的頂部固定有力加載桿5。所述的力加載桿5為高硬度材料制成，如硅等材料，其主體為圓柱形，直徑為2?3mm之間,頂部中央為半球冠形狀,球冠的半徑在10?50 μ m,球冠的頂部中心是對微懸臂梁自由端施加載荷的加載點(diǎn)。所述三維微納位移臺由X向單軸微納位移器9、y向單軸微納位移器10和z向單軸微納位移器11組成，所述X向、y向和z向單軸微納位移器彼此正交。所述z向單軸微納位移器11的底部固定有彈性卡箍12，微懸臂梁3通過所述的彈性卡箍12固定在z向微納位移器11上。所述z向單軸微納位移器11固定在所述的I向微納位移器10上，而所述y向微納位移器10又固定在X向微納位移器上9上，因此通過調(diào)整所述的X向、y向和z向微納位移器，可以調(diào)整微懸臂梁的空間位置。所述的X向、y向和z向單軸微納位移器的行程均為幾百μπι?1_，位移分辨力為I?10nm。
[0017]所述偏振差分干涉儀6由He-Ne偏振激光器13、法拉第光隔離器14、索累-巴比涅補(bǔ)償器15、擴(kuò)束器16、分束器17、聚焦透鏡18、湯普森格蘭棱鏡19、沃拉斯頓棱鏡20、光電二極管21、光電二極管22、光路箱體23、光電信號處理模塊24組成。所述光路箱體23中包含有所述的激光器13、法拉第光隔離器14、索累-巴比涅補(bǔ)償器15、擴(kuò)束器16、分束器17、聚焦透鏡18、沃拉斯頓棱鏡A19、沃拉斯頓棱鏡B20、光電二極管A21、光電二極管B22等，且內(nèi)部涂為黑色，以減少雜散光的干擾。該光路的基本工作原理是，所述的He-Ne偏振激光器13為激光器,發(fā)出混合在一起的P態(tài)和s態(tài)偏振光光束。所述的光束經(jīng)過所述的法拉第光隔離器14后，形成了光強(qiáng)相等、相互正交的P態(tài)和s態(tài)偏振光。而光束進(jìn)入所述的索累-巴比涅補(bǔ)償器15后，其輸出的P態(tài)和s態(tài)偏振光的相位Φ會(huì)受到該索累-巴比涅補(bǔ)償器的調(diào)制。然后，光束經(jīng)過所述的擴(kuò)束器16后變?yōu)槭鴱礁?、能量均勻分布的光束。擴(kuò)束后的光束進(jìn)入所述的分束器17后，一部分折射，另一部分透射，形成了兩束光束。從所述的分束器17透射出來的光束經(jīng)所述的聚焦透鏡18后形成聚焦光束，再進(jìn)入所述的沃拉斯頓棱鏡A19，形成了空間上彼此分離的P態(tài)和s態(tài)偏振光。
[0018]所述的P態(tài)偏振光照射到所述的微懸臂梁3的自由端上表面并反射回來，作為測量光束。所述的s態(tài)偏振光照射到微懸臂梁的固定端，作為參考光束。從所述的微懸臂梁3的自由端和固定端反射回來的P態(tài)和s態(tài)偏振光沿原路返回，經(jīng)過所述的沃拉斯頓棱鏡A19、所述的聚焦透鏡18后，被所述的分束器17折射至所述的沃拉斯頓棱鏡20，在此處分別與先前首次從所述的分束器17折射到21的P態(tài)和s態(tài)偏振光發(fā)生干涉并在空間上彼此分離，形成干涉后的P態(tài)偏振光和s態(tài)偏振光，分別被所述的光電二極管A21和光電二極管B22接收，該電信號被光電信號處理電路模塊24接收，得到了所述的微懸臂梁3的自由端位移息。
[0019]所述的微懸臂梁3的自由端位移I與所述的光電二極管A21、光電二極管B22以及所述的光電信號處理模塊24的結(jié)構(gòu)關(guān)系是,所述光電二極管A21和光電二極管B22的輸出電信號分別反映了 P態(tài)偏振光的干涉信息和s態(tài)偏振光的干涉信息,而二者之間的相位差信號Φ則反映了所述的微懸臂梁3的自由端的位移變化。實(shí)際上，P態(tài)和s態(tài)干涉偏振光的相位差信號Φ由三部分決定，即所述的微懸臂梁3的自由端引入的相移Θ、所述的索累-巴比涅補(bǔ)償器15引入的相移Ψ以及由光路中其它光學(xué)元件引起的固定相移ζ。調(diào)整所述的索累-巴比涅補(bǔ)償器15可以使其相移Ψ=_ζ。這樣，所述的微懸臂梁3的自由端的位移值I就可以用P態(tài)和s態(tài)偏振光干涉信號之間的相移得到，該相移由所述的信號處理電路模塊24完成，并通過裝置控制器7傳輸給計(jì)算機(jī)和測控軟件8。所述的微懸臂梁3的自由端受到所述的力加載桿5施加的力值由納米天平讀出質(zhì)量值m，并通過所述的儀器控制器7傳輸給所述的計(jì)算機(jī)和測控軟件8，在測控軟件中，將該質(zhì)量值m乘以當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭值，從而得到力值f。[0020]為了便于確定P態(tài)和s態(tài)偏振光光束所述的微懸臂梁3上的光斑位置以及所述的力加載桿5在所述的微懸臂梁3上的加載點(diǎn)位置，設(shè)置了光學(xué)顯微鏡25。
[0021]做到高準(zhǔn)確度測量必須遵循阿貝原則。阿貝原則要求測量元件的測量軸線與被測位移的軸線完全重合，否則兩個(gè)軸線間存在的距離，該距離稱為阿貝臂，會(huì)引起很大誤差，該誤差稱為阿貝誤差。阿貝臂越大，則測量中的阿貝誤差越大。阿貝原則更是微位移測量中的必須遵守，一方面在微納量級，相對而言阿貝臂會(huì)更大，導(dǎo)致阿貝誤差就更大，而且，阿貝誤差在微納米測量中難以評估和補(bǔ)償。如在前面所述的德國PTB和韓國KRISS的彈性常數(shù)計(jì)量儀中的阿貝臂都達(dá)到了 10~20mm，相對于幾個(gè)μ m~幾百μ m的量程，這種較大的阿貝臂必然帶來較大的阿貝誤差。且他們并沒有對儀器進(jìn)行阿貝誤差分析和不補(bǔ)償，可見難度很大。
[0022]在本發(fā)明的微懸臂梁彈性常數(shù)標(biāo)定裝置中，測量元件即所述的反射差分干涉儀，對應(yīng)的測量軸線是照射到所述的微懸臂梁3的自由端的P態(tài)偏振光光束，被測位移則是所述的力加載桿5的球冠頂點(diǎn)與所述微懸臂梁3的自由端的下表面的接觸點(diǎn)，即力的加載點(diǎn)處的位移。這樣，借助所述的光學(xué)顯微鏡25，調(diào)整所述的三維微納位移平臺4，可使得P態(tài)偏振光光束在所述的微懸臂梁3上形成的光斑與所述的力加載桿5的球冠中央頂點(diǎn)與所述微懸臂梁3的自由端的接觸點(diǎn)在同一條豎直直線上，即阿貝臂為O ;同時(shí)，在加載過程中，保證P態(tài)偏振光光束、所述微懸臂梁3的自由端力加載點(diǎn)的方向均為豎直方向,這樣該裝置就遵守了阿貝原則，可以保證標(biāo)定的高準(zhǔn)確度。
[0023]所述的微懸臂梁彈性常數(shù)溯源標(biāo)定裝置的溯源方法步驟如下:
[0024]1、裝置加電與預(yù)熱:打開微懸臂梁彈性常數(shù)溯源標(biāo)定裝置，給裝置加電并預(yù)熱，預(yù)熱達(dá)到120分鐘后，裝置正常開始工作。
[0025]2、重力加速度測量:用精密重力速度計(jì)測量儀器所在地的重力加速度g值。
[0026]3、裝置水平調(diào)整:使用電子水平儀對裝置進(jìn)行水平調(diào)整，使得所述的大理石框架I以及固定在其上的納米天平2為水平狀態(tài)，同時(shí)，安裝在所述的納米天平2上力加載桿5、照射到所述的微懸臂梁3的自由端的P態(tài)和s態(tài)偏振光光束也均為豎直狀態(tài)。
[0027]4、力加載位置與測量光束的重合調(diào)整:借助所述的光學(xué)顯微鏡26，通過所述的X向單軸微納位移器9和y向單軸微納位移器10將所述的力加載桿5的球冠頂部中心在微懸臂梁自由端下表面上的力加載點(diǎn)與測量所述的微懸臂梁3的自由端上的P態(tài)光束在同一條豎直直線上。
[0028]5、零位調(diào)整:借助所述的光學(xué)顯微鏡26，調(diào)整所述的z向單軸微納位移器11，使微懸臂梁向下移動(dòng)直到所述的力加載桿5的球冠頂部中心與所述微懸臂梁3的自由端下表面剛剛接觸，即力加載桿對微懸臂梁自由端施加的力載荷正好為零，即所述的納米天平2的通過所述的儀器控制器7輸出給所述的計(jì)算機(jī)和測控軟件中的質(zhì)量值為0，而進(jìn)一步向下移動(dòng)微懸臂梁將立即使得所述的納米天平2的輸出質(zhì)量值開始增加，則該位置為力載荷的測量零點(diǎn)；而此時(shí)，通過所述的偏振差分干涉儀6傳輸給所述的計(jì)算機(jī)和測控軟件中的所述微懸臂梁3的自由端的位移值設(shè)置為0，即此位置也同時(shí)為位移零點(diǎn)。
[0029]6、所述微懸臂梁3的力-位移曲線的獲取:
[0030]I)設(shè)置數(shù)組AjO^yi)用于表示力-位移數(shù)據(jù)。其中，Xi為位移值，Yi為相對應(yīng)的力值；j=l，2，…，m為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，一般m可取5~8次之間，每一次實(shí)驗(yàn)獲得一組力-位移數(shù)據(jù)，對應(yīng)于一條力-位移曲線，采取多次實(shí)驗(yàn)并取其平均值是為了減小隨機(jī)誤差，提高標(biāo)定準(zhǔn)確度；i=0，1，2，…，η為單次加載實(shí)驗(yàn)中從位置O開始、以S為位移增量的遞進(jìn)加載次數(shù)，一般為I~20nm之間。當(dāng)i=0時(shí)表示微懸臂梁自由端在零點(diǎn)處的位移值和力值，力值可以從納米天平的輸出值與重力加速度的乘積得到，顯然有，Xtl=O, Ytl=O ;當(dāng)i=l時(shí)表示第一次進(jìn)給量為s的加載，此時(shí)，X1=S, Y1為相對應(yīng)的力值；以此類推，當(dāng)i=n時(shí)表示第η次進(jìn)給量為s的加載，此時(shí)，xn=ns, yn等于相對應(yīng)的力值。
[0031]2)零位調(diào)整:借助所述的光學(xué)顯微鏡26，調(diào)整所述的z向單軸微納位移器11，使微懸臂梁向下移動(dòng)直到所述的力加載桿5的球冠頂部中心與所述微懸臂梁3的自由端下表面剛剛接觸，即力加載桿對微懸臂梁自由端施加的力載荷正好為零，即所述的納米天平2的通過所述的儀器控制器7輸出給所述的計(jì)算機(jī)和測控軟件中的質(zhì)量值為0，而進(jìn)一步向下移動(dòng)微懸臂梁將立即使得所述的納米天平2的輸出質(zhì)量值開始增加，則該位置為力載荷的測量零點(diǎn)；而此時(shí)，通過所述的偏振差分干涉儀6傳輸給所述的計(jì)算機(jī)和測控軟件中的所述微懸臂梁3的自由端的位移值設(shè)置為0，即此位置也同時(shí)為位移零點(diǎn)。
[0032]3)步進(jìn)加載及力-位移曲線的獲取:通過所述的z向單軸微納位移器11，以一定的步進(jìn)，如IOnm將所述的微懸臂梁3向下移動(dòng)，步進(jìn)值將由所述的偏振干涉儀6測得并經(jīng)過所述的儀器控制器7傳輸?shù)剿龅挠?jì)算機(jī)和測控軟件8上，并在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示。同時(shí)，在所述的微懸臂梁3向下移動(dòng)的過程中，微懸臂梁3的自由端將受到來自所述的力加載桿5的力載荷，所受力載荷的值可以由所述的納米天平2輸出的質(zhì)量值與重力加速度g的乘積得到。所述納米天平2的質(zhì)量值也通過所述的儀器控制器7傳輸?shù)剿龅挠?jì)算機(jī)和測控軟件8上，并在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示。將該位置的位移值和力值以數(shù)組A1(X1J1)表示。重復(fù)該步進(jìn)過程，可以獲得A1 (x2, y2)為(x3, y3)、…、A1 (Xi, yj、…、A1 (xn, yn)。則數(shù)組A1Ui, Yi) (i=0-n)反映了從零點(diǎn)開始，所述的微懸臂梁3在加載過程中的不同位置處的力值與位移值關(guān)系。以數(shù)組Ai (Xi，yi)中的Xi (其中，i=0，1，2，...，!!)為橫坐標(biāo)，以yi (其中，i=0, 1，2，…，η)為縱坐標(biāo)繪制出力-位移曲線，如圖2所示的利用本發(fā)明的微懸臂梁彈性常數(shù)溯源裝置的步進(jìn)加載方式 獲得微懸臂梁的力-位移數(shù)組Aj(Xi^i)及其最小二乘法擬合得到的直線。
[0033]7、彈性常數(shù)溯源值的計(jì)算:用最小二乘法將Aj (Xi, Yi)分別擬合為直線y=KjX，則j次實(shí)驗(yàn)得到的所述的微懸臂梁的彈性常數(shù)溯源值k為Kj的算術(shù)平均值，即:
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置，其特征是:所述溯源標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)包括有大理石框架(1)、納米天平(2)、微懸臂梁(3)、三維微納位移臺(4)、力加載桿(5)、偏振差分干涉儀(6 )、儀器控制器(7 )、計(jì)算機(jī)與測控軟件(8 ); 所述的大理石框架(1)上固定有納米天平(2)、三維微納位移臺(4)和反射差分干涉儀(6)的光路箱體(23)，所述的納米天平(2)的頂部固定有力加載桿(5)，微懸臂梁(3)固定在納米天平(2 )上，在大理石框架(1)的一側(cè)設(shè)有計(jì)算機(jī)與測控軟件(8 )，儀器控制器(7 )與計(jì)算機(jī)與測控軟件(8)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置，其特征是:所述力加載桿(5)的主體為圓柱形，直徑為2~3mm之間，頂部為半球冠形狀，球冠的半徑在10~50 μ m,球冠的頂部中心是對微懸臂梁(3)自由端施加載荷的加載點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置，其特征是:所述三維微納位移臺(4)包括有X向單軸微納位移器(9)、y向單軸微納位移器(10)和z向單軸微納位移器(11)，所述z向單軸微納位移器(11)固定在所述的y向微納位移器(10)上，而所述y向微納位移器10又固定在X向微納位移器上(9)上，所述X向單軸微納位移器(9)、y向單軸微納位移器(10)和z向單軸微納位移器(11)彼此正交，所述z向單軸微納位移器(11)的底部固定有彈性卡箍(12)，微懸臂梁(3)通過所述的彈性卡箍(12)固定在z向單軸微納位移器(11)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置，其特征是:所述偏振差分干涉儀(6)包括有依次固定在光路箱體(23)內(nèi)的He-Ne偏振激光器(13)、法拉第光隔離器(14)、索累-巴比涅補(bǔ)償器(15)、擴(kuò)束器(16)、分束器(17)、聚焦透鏡(18)、湯普森格蘭棱鏡(19 )、沃拉斯頓棱鏡(20 )、光電二極管(21)、光電二極管(22 )以及光電信號處理模塊(24)，所述光路箱體(23)內(nèi)部涂為減少雜散光干擾的黑色。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置，其特征是:在所述的微懸臂梁(3)及力加載桿(5)的一側(cè)設(shè)置有光學(xué)顯微鏡(25)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置的溯源方法，該方法包括以下步驟: (1)裝置加電與預(yù)熱:打開所述微懸臂梁彈性常數(shù)溯源標(biāo)定裝置，給所述裝置加電并預(yù)熱，預(yù)熱達(dá)到120分鐘后，裝置正常開始工作； (2)重力加速度測量:用精密重力速度計(jì)測量所述裝置所在地的重力加速度g值； (3)裝置水平調(diào)整:使用電子水平儀對所述裝置進(jìn)行水平調(diào)整，使得所述的大理石框架(I)、納米天平(2)為水平狀態(tài)，力加載桿(5)、照射到所述的微懸臂梁(3)的自由端的P態(tài)和s態(tài)偏振光光束也均為豎直狀態(tài)； (4)力加載位置與測量光束的重合調(diào)整:借助所述的光學(xué)顯微鏡(26)，通過所述的X向單軸微納位移器(9)和y向單軸微納位移器(10)，將所述的力加載桿(5)的球冠頂部中心在微懸臂梁(3)自由端下表面上的力加載點(diǎn)與測量所述的微懸臂梁(3)的自由端上的P態(tài)偏振光在微懸臂梁(3)的上表面形成的光斑在一條豎直直線上； (5)所述微懸臂梁(3)的力-位移曲線的獲取: I)設(shè)置數(shù)組Aj(Xi^i)用于表示力-位移數(shù)據(jù)，其中，Xi為位移值，yi為相對應(yīng)的力值；j=l, 2，…，m為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，m取5~8次之間，每一次實(shí)驗(yàn)獲得一組力-位移數(shù)據(jù)，對應(yīng)于一條力-位移曲線，采取多次實(shí)驗(yàn)并取其平均值；i=0，1，…，η為單次加載實(shí)驗(yàn)中從位置O開始、以s為位移增量的遞進(jìn)加載次數(shù)，一般為I~20nm之間，當(dāng)i=0時(shí)表示微懸臂梁自由端在零點(diǎn)處的位移值和力值，力值可以從納米天平(2)的輸出值與重力加速度的乘積得到X0=O7 Y0=O ;當(dāng)i=l時(shí)表示第一次進(jìn)給量為S的加載,此時(shí),X1=S, Y1為相對應(yīng)的力值；以此類推，當(dāng)i=n時(shí)表示第η次進(jìn)給量為s的加載,此時(shí)，xn=ns, yn等于相對應(yīng)的力值； 2)零位調(diào)整:借助所述的光學(xué)顯微鏡(26)，調(diào)整所述的z向單軸微納位移器(11)，使微懸臂梁向下移動(dòng)直到所述的力加載桿(5)的球冠頂部中心與所述微懸臂梁(3)的自由端下表面接觸，即力加載桿對微懸臂梁自由端施加的力載荷正好為零，即所述的納米天平(2)的通過所述的儀器控制器7輸出給所述的計(jì)算機(jī)和測控軟件中的質(zhì)量值為0，而進(jìn)一步向下移動(dòng)微懸臂梁將立即使得所述的納米天平(2)的輸出質(zhì)量值開始增加，則該位置為力載荷的測量零點(diǎn)； 3)步進(jìn)加載及力-位移曲線的獲取:通過所述的z向單軸微納位移器(11)，以一定的步進(jìn)，如IOnm將所述的微懸臂梁(3)向下移動(dòng)，步進(jìn)值將由所述的偏振干涉儀(6)測得，并經(jīng)過所述的儀器控制器(7)傳輸?shù)剿龅挠?jì)算機(jī)和測控軟件(8)上并在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示，在所述的微懸臂梁(3)向下移動(dòng)的過程中，微懸臂梁(3)的自由端將受到來自所述的力加載桿(5)的力載荷，所受力載荷的值由所述的納米天平(2)輸出的質(zhì)量值與重力加速度g的乘積得到，所述納米天平(2)的質(zhì)量值也通過所述的儀器控制器(7)傳輸?shù)剿龅挠?jì)算機(jī)和測控軟件(8)上并在計(jì)算機(jī)顯示器上顯示，將該位置的位移值和力值以數(shù)組A1(X1J1)表示,重復(fù)該步進(jìn)過程,獲得 A1 (x2, Y2KA1 (x3, y3)、…、A1 (XiJi)、..'A1(XnJn)JJ數(shù)組 A1 (X^yi) (i=0, 1，2，…，η)以數(shù)組 Ai (Xi, y)中的 Xi (i=0, 1，2，…，η)為橫坐標(biāo)，以 Yi(i=0, I, 2，..., η)為縱坐標(biāo)繪制出力-位移曲線； (6)彈性常數(shù)溯源值的計(jì)算:用最小二乘法將~(Xi，yi)分別擬合為直線y=Kp，則j次實(shí)驗(yàn)得到的所述的微懸臂梁(3)的彈性常數(shù)溯源值k為Kj的算術(shù)平均值，即:

【文檔編號】G01L27/00GK103616127SQ201310557061
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】李艷寧, 文莉, 吳森, 陳治, 多倫雷丹特, 胡小唐 申請人:天津大學(xué)