一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装及方法，装置包括底座、二维纳米微动台、多普勒激光干涉仪、噪声温度计、调制激光器、频谱分析仪和PTC陶瓷加热器，底座上依次设置有三个固定支架，第三固定支架的顶端通过连接板安装有调制激光器；第二固定支架上通过固定板安装有二维纳米微动台，二维纳米微动台上设有温度计固定结构，温度计固定结构上活动设置有噪声温度计；第一固定支架的顶部设有微悬臂梁基底，微悬臂梁基底的末端安装有微悬臂梁探针；多普勒激光干涉仪放置于调制激光器下方的底座上，多普勒激光干涉仪的两侧分别通过固定支架和固定板安装有频谱分析仪和PTC陶瓷加热器；频谱分析仪上设有用于与微悬臂梁探针相连的探头。

An optical pressure measurement device and method based on resonant excitation of micro cantilever

【技术实现步骤摘要】
一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置及方法
本专利技术属于微小力值计量与测量
，具体涉及一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置及方法。
技术介绍
光压的计量对于基础科学和应用科学都有非常重大的意义，在航空航天领域，利用太阳光的光压力作为推动力的“太阳帆”，在生命科学领域，测量和操纵单个细胞内的结构，对于了解亚细胞和亚细胞器的活动，疾病诊断和新治疗方法的开发极其重要，利用光压力对细胞内的结构进行精准物理测量和精准操纵，因此对于光压这种皮牛量级力的控制和计量具有重大的意义。这就迫切需要对皮牛量级的微小力值的计量标准进行研究，为微小量值的计量与溯源提供技术保证。然而，由于光压量值较小，因而在光压的测量中，热辐射、振动都会造成力值输出的不准确性，这主要是由于光压力这种微小量值的力对于环境中的小扰动异常敏感。至今为止，国际上对pN(皮牛)量级的微小力值的计量和溯源还未形成一个标准的计量体系，所以对于pN量级的计量和溯源具有非常重大的理论意义。因而迫切需要研制一种可溯源的皮牛量级的光压力值测量仪器。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种可溯源的皮牛量级的微小力值的测量装置及相应的溯源方法，微悬臂梁既是光压的感受部件，又是转换部件，将光压力转换为位移量输出。利用热噪声谱法对微悬臂梁的弹性系数进行标定，热噪声谱测温将温度溯源到玻尔兹曼常数上，可以降低温度测量的不确定度。为了将光压力效应放大，采用共振的方式使微悬臂梁振动，通过测量微悬臂梁的振动幅值和表面温度场的分布来得到光压力所产生的位移量的大小。为建立皮牛量级的微小力值的计量体系提供技术支持。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置，包括底座、二维纳米微动台、多普勒激光干涉仪、噪声温度计、调制激光器、频谱分析仪和PTC陶瓷加热器，所述底座上依次设置有第一固定支架、第二固定支架和第三固定支架，所述第三固定支架的顶端通过连接板安装有所述调制激光器；所述第二固定支架上通过固定板安装有二维纳米微动台，所述二维纳米微动台上设有温度计固定结构，所述温度计固定结构上活动设置有噪声温度计；所述第一固定支架的顶部设有微悬臂梁基底，所述微悬臂梁基底的末端安装有微悬臂梁探针；所述多普勒激光干涉仪放置于调制激光器下方的底座上，所述多普勒激光干涉仪的两侧分别通过固定支架和固定板安装有所述频谱分析仪和PTC陶瓷加热器；所述频谱分析仪上设有用于与微悬臂梁探针相连的探头。优选地，所述第二固定支架低于所述第一固定支架。优选地，所述噪声温度计能够在温度计固定结构上沿x方向或y方向移动。优选地，所述微悬臂梁探针由悬梁和探针组成，所述探针设置于悬梁的末端；微悬臂梁探针和微悬臂梁基底之间通过铜片相连。本专利技术的另一种技术方案如下：一种皮牛量级的光压力值溯源方法，基于包括以下步骤：步骤一、将光压力值测量装置放置于真空环境中，通过二维纳米微动台带动噪声温度计移动到微悬臂梁探针上方，记录微悬臂梁探针的初始温度值T0，并将频谱分析仪的探头固定在微悬臂梁探针下表面；步骤二、利用PTC陶瓷加热器对微悬臂梁探针进行升温，使微悬臂梁探针发生热振动，每隔一段时间记录一次温度值Ti与相应温度值下微悬臂梁探针的热振动的功率密度谱面积Pi(i＝1，2，3…n)；当温度数据达到n组时停止实验，并将频谱分析仪的探头与微悬臂探针解除固定；根据弹性系数的计算公式其中P是热振动的功率密度谱面积，T是噪声温度计测量的温度值，kB是玻尔兹曼常数；A点的各个温度值都分别对应着一个弹性系数值，根据n组实验数据拟合出A点的弹性系数k与温度T的曲线；步骤三、将调制激光器的光轴、多普勒激光干涉仪的光轴与悬臂梁探针所在平面垂直且处于同一直线上，开启调制激光器，调制激光器激发微悬臂梁探针共振，利用多普勒激光干涉仪测量微悬臂梁探针的振动幅值x1，当调制激光器作用一定时间后，微悬臂梁探针各点的温度和应力不会随时间变化而变化，即微悬臂梁探针上各点的温度达到稳态；步骤四、利用噪声温度计测量微悬臂梁探针的温度值T′，根据步骤一得到的弹性系数k和温度T的标定曲线，得到温度值T′下的微悬臂梁探针的弹性系数k′；步骤五、根据公式F＝k′x1得到光压力的大小，并将力溯源到长度和玻尔兹曼常数。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：本专利技术采用微悬臂梁探针来感受光压力，用调制激光器产生光压力并激发微悬臂梁探针共振，由于光压力量级较小一般为pN量级，直接测量难度较大，因而采用共振方式放大光压力学效应，提高测量灵敏度的创新技术；采用多普勒激光干涉仪精密测量微悬臂梁探针的振动幅值，利用高精度、可溯源的噪声温度计和频谱分析仪对微悬臂梁探针的弹性系数进行标定，将力值测量传递到精密的位移测量和温度测量上，实现pN量级的超微小力值的测量和溯源，将力值溯源到长度和玻尔兹曼常数上，相对不确定度达10-6量级。通过对光压力值的测量与溯源方法中的关键技术难题进行分析，为研制超微力值计量仪器提供技术基础，为标定光阱刚度、超微力传感器提供技术设备。附图说明图1是本专利技术光压力值测量装置的正视结构示意图。图2是本专利技术光压力值测量装置左视结构示意图。图3a和图3b分别是微悬臂梁探针的俯视及主视结构示意图；图4是基于量子电压进行标定的噪声温度计测量流程示意图。附图标记：1-固定板，2-二维纳米微动台，3-温度计固定结构，4-噪声温度计，5-调制激光器，6-微悬臂梁基底，7-微悬臂梁探针，70-悬梁，71-探针，72-探头，8-多普勒激光干涉仪，9-底座，10-固定支架，11-固定支架，12-PTC陶瓷加热器，13-固定板，14-固定支架，15-固定支架，16-频谱分析仪，17-固定板，18-固定支架具体实施方式在SI(国际单位制)中，力是属于导出量，根据F＝ma得到，其单位是N(牛顿)。在标准单位制中，质量m的单位是kg(千克)，加速度a的单位是m/s2(米每二次方秒)时，则力的单位为：F＝1kg·m/s2＝N(牛顿)对力的计量在生活中随处可见，从利用质量去复现(10-3-106)量级的力，到利用电学方法(如电磁力或静电力)去复现μN(10-6)量级的力，再到利用微悬臂梁来复现光压力(pN量级)，体现了力值的复现和计量从宏观到微观的发展趋势，将力溯源到国际单位制中的基本物理量，可以得到最低的不确定度，由此得到的皮牛量级的力值计量基准具有很好的可比性。微悬臂梁探针能够感受微小力值的变化并将其转换为位移量输出，利用多普勒激光干涉仪来测量共振激发后的微悬臂梁探针振动幅值，噪声温度计测量温度，因而可以用国际单位制中的长度量以及玻尔兹曼这个物理常数来进行光压力值复现。本专利技术采用的是利用调制激光器既将光压力作用在微悬臂梁上，又激发微悬臂梁探针共振，微悬臂梁探针将光压力转换为位移量，又能通过共振来放大位移量。调制激光器工作时，利用多普勒激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置，其特征在于，包括底座、二维纳米微动台、多普勒激光干涉仪、噪声温度计、调制激光器、频谱分析仪和PTC陶瓷加热器，所述底座上依次设置有第一固定支架、第二固定支架和第三固定支架，所述第三固定支架的顶端通过连接板安装有所述调制激光器；所述第二固定支架上通过固定板安装有二维纳米微动台，所述二维纳米微动台上设有温度计固定结构，所述温度计固定结构上活动设置有噪声温度计；所述第一固定支架的顶部设有微悬臂梁基底，所述微悬臂梁基底的末端安装有微悬臂梁探针；所述多普勒激光干涉仪放置于调制激光器下方的底座上，所述多普勒激光干涉仪的两侧分别通过固定支架和固定板安装有所述频谱分析仪和PTC陶瓷加热器；所述频谱分析仪上设有用于与微悬臂梁探针相连的探头。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置，其特征在于，包括底座、二维纳米微动台、多普勒激光干涉仪、噪声温度计、调制激光器、频谱分析仪和PTC陶瓷加热器，所述底座上依次设置有第一固定支架、第二固定支架和第三固定支架，所述第三固定支架的顶端通过连接板安装有所述调制激光器；所述第二固定支架上通过固定板安装有二维纳米微动台，所述二维纳米微动台上设有温度计固定结构，所述温度计固定结构上活动设置有噪声温度计；所述第一固定支架的顶部设有微悬臂梁基底，所述微悬臂梁基底的末端安装有微悬臂梁探针；所述多普勒激光干涉仪放置于调制激光器下方的底座上，所述多普勒激光干涉仪的两侧分别通过固定支架和固定板安装有所述频谱分析仪和PTC陶瓷加热器；所述频谱分析仪上设有用于与微悬臂梁探针相连的探头。


2.根据权利要求1所述一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置，其特征在于，所述第二固定支架低于所述第一固定支架。


3.根据权利要求1所述一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置，其特征在于，所述噪声温度计能够在温度计固定结构上沿x方向或y方向移动。


4.根据权利要求1所述一种基于微悬臂梁共振激发的光压力值测量装置，其特征在于，所述微悬臂梁探针由悬梁和探针组成，所述探针设置于悬梁的末端；微悬臂梁探针和微悬臂梁基底之间通过铜片相连。


5.一种皮牛量级的光压力值溯源方法，基于权利要求1所述基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋乐，朱欢，苏全民，袁宇焜，顾春阳，黄思雨，陈舒凡，房丰洲，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12