[發明專利]微懸臂梁彈性常數的溯源標定裝置及溯源方法

有效

• 申請號: 201310557061.3
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN103616127A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 李艷寧;文莉;吳森;陳治;多倫雷丹特;胡小唐
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01L25/00
• 分類號: G01L25/00;G01L27/00
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 呂志英

1.一種微懸臂梁彈性常數的溯源標定裝置，其特征是：所述溯源標定裝置的結構包括有大理石框架（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）、計算機與測控軟件（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）的一側設有計算機與測控軟件（8），儀器控制器（7）與計算機與測控軟件（8）相連接。

2.根據權利要求1所述的微懸臂梁彈性常數的溯源標定裝置，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10～50μm，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。

3.根據權利要求1所述的微懸臂梁彈性常數的溯源標定裝置，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.根據權利要求1所述的微懸臂梁彈性常數的溯源標定裝置，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）內的He-Ne偏振激光器（13）、法拉第光隔離器（14）、索累-巴比涅補償器（15）、擴束器（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）內部涂為減少雜散光干擾的黑色。

5.根據權利要求1所述的微懸臂梁彈性常數的溯源標定裝置，其特征是：在所述的微懸臂梁（3）及力加載桿（5）的一側設置有光學顯微鏡（25）。

6.根據權利要求1所述的微懸臂梁彈性常數的溯源標定裝置的溯源方法，該方法包括以下步驟：

（1）裝置加電與預熱：打開所述微懸臂梁彈性常數溯源標定裝置，給所述裝置加電并預熱，預熱達到120分鐘后，裝置正常開始工作；

（2）重力加速度測量：用精密重力速度計測量所述裝置所在地的重力加速度g值；

（3）裝置水平調整：使用電子水平儀對所述裝置進行水平調整，使得所述的大理石框架（1）、納米天平（2）為水平狀態，力加載桿（5）、照射到所述的微懸臂梁（3）的自由端的p態和s態偏振光光束也均為豎直狀態；

（4）力加載位置與測量光束的重合調整：借助所述的光學顯微鏡（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與測量所述的微懸臂梁（3）的自由端上的p態偏振光在微懸臂梁（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：

1）設置數組A_j(x_i,y_i)用于表示力-位移數據，其中，x_i為位移值，y_i為相對應的力值；j=1,2,…,m為實驗次數，m取5～8次之間，每一次實驗獲得一組力-位移數據，對應于一條力-位移曲線，采取多次實驗并取其平均值；i=0,1,…,n為單次加載實驗中從位置0開始、以s為位移增量的遞進加載次數，一般為1～20nm之間，當i=0時表示微懸臂梁自由端在零點處的位移值和力值，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=0，y₀=0；當i=1時表示第一次進給量為s的加載，此時，x₁=s，y₁為相對應的力值；以此類推，當i=n時表示第n次進給量為s的加載，此時，x_n=ns，y_n等于相對應的力值；

2）零位調整：借助所述的光學顯微鏡（26），調整所述的z向單軸微納位移器（11），使微懸臂梁向下移動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輸出給所述的計算機和測控軟件中的質量值為0，而進一步向下移動微懸臂梁將立即使得所述的納米天平（2）的輸出質量值開始增加，則該位置為力載荷的測量零點；

3）步進加載及力-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，如10nm將所述的微懸臂梁（3）向下移動，步進值將由所述的偏振干涉儀（6）測得，并經過所述的儀器控制器（7）傳輸到所述的計算機和測控軟件（8）上并在計算機顯示器上顯示，在所述的微懸臂梁（3）向下移動的過程中，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）輸出的質量值與重力加速度g的乘積得到，所述納米天平（2）的質量值也通過所述的儀器控制器（7）傳輸到所述的計算機和測控軟件（8）上并在計算機顯示器上顯示，將該位置的位移值和力值以數組A₁(x₁,y₁)表示，重復該步進過程，獲得A₁(x₂,y₂)、A₁(x₃,y₃)、…、A₁(x_i,y_i)、…、A₁(x_n,y_n)，則數組A₁(x_i,y_i)（i=0,1,2,…,n）以數組A_i(x_i,y_i)中的x_i（i=0,1,2,…,n）為橫坐標，以y_i（i=0,1,2,…,n）為縱坐標繪制出力-位移曲線；

（6）彈性常數溯源值的計算：用最小二乘法將A_j(x_i,y_i)分別擬合為直線y=K_jx，則j次實驗得到的所述的微懸臂梁（3）的彈性常數溯源值k為K_j的算術平均值，即：

k=Σj=1mKjm.]]>