[發(fā)明專利]微懸臂梁彈性常數(shù)的溯源標(biāo)定裝置及溯源方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310557061.3
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號(hào): CN103616127A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李艷寧;文莉;吳森;陳治;多倫雷丹特;胡小唐
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L25/00
• 分類號(hào): G01L25/00;G01L27/00
• 代理公司: 天津才智專利商標(biāo)代理有限公司 12108
• 代理人: 呂志英

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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=kΔz，其中，k是微懸臂梁的彈性常數(shù)，Δz是自由端的位移。可見，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。

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。

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(tái)與納米天平結(jié)合起來，采用集成在微納位移臺(tái)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

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。

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(tái)、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。

附圖說明

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；

圖2步進(jìn)加載獲得的力-位移數(shù)組及其擬合的直線。

圖中：

1、大理石框架??2、納米天平??3、微懸臂梁??4、三維微納位移臺(tái)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??11、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(hào)處理模塊??25、光學(xué)顯微鏡

具體實(shí)施方式

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。