本发明专利技术提供一种基于超低弹性系数悬臂梁的力测量装置，在大范围变温过程也能够维持极高的力测量灵敏度。本发明专利技术的力测量装置将被测样品配置在悬臂梁的自由端，利用激光干涉测距法测量外界磁场下悬臂梁的自由端的位移，其包括支承框架、光学系统和悬臂梁机构，光学系统沿z方向设置于支承框架且能够相对于支承框架在z方向调节上下位置，悬臂梁机构在光学系统的z方向正下方由支承框架支承，在沿z方向观察支承框架、光学系统和悬臂梁机构时，光学系统中的光纤位于支承框架沿z方向观察时的形状的几何正中心。
【技术实现步骤摘要】
力测量装置
本专利技术属于超灵敏力测量研究领域，尤其涉及一种基于超低弹性系数悬臂梁的力测量装置。
技术介绍
灵敏力探测已经成为研究物理现象的重要手段，在例如卡西米尔力的测量、磁共振力显微镜以及磁性材料的磁扭矩测量等方面有着重要的应用。以磁扭矩测量为例，它一直是研究材料磁各向异性的重要手段。为测量磁扭矩已知一种测量装置，使用低弹性系数的悬臂梁，将磁性材料样品固定于悬臂梁的自由端，施加外部磁场使样品受到扭矩，悬臂梁因扭矩作用偏离平衡位置，通过测量悬臂梁自由端的位移来测量材料磁性。这里，若利用激光干涉测距法测量超低弹性系数(约为1mN/m左右)的悬臂梁的位移，可使磁扭矩测量磁性材料的灵敏度达到10-14emu。应用该方法可以测量纳米尺度样品的磁性质，比如纳米颗粒、纳米线、纳米片等。在基于悬臂梁的力测量装置中，利用微纳米悬臂梁具有超低弹性系数来进行灵敏的力测量。为了提高力测量的灵敏度，悬臂梁的弹性系数应尽量低，而且测量悬臂梁位移的方法也应极其灵敏，一般选用上述激光干涉测距法来测量悬臂梁自由端的位移和振动。超低弹性系数的悬臂梁的尺寸非常小，设置在悬臂梁的自由端的供激光干涉测距使用的光反射面虽具有比悬臂梁主体大的尺寸，但面积一般也在40μm×40μm以内，而激光对焦的焦点必须准确地聚焦于光反射面上(下文有时也称对焦在悬臂梁上)，才能进行悬臂梁位移和振动的测量并获得相当理想的测量灵敏度。这意味着，在这种基于悬臂梁的力测量装置中，对于激光在悬臂梁上的对准和对焦有着相当高的精度要求。目前已报道的灵敏力测量装置通常采用压电马达驱动的纳米位移台来进行激光在悬臂梁上的对准和对焦。例如图1表示了一种目前典型的力测量装置，其中(A)是装置的照片，(B)是工程示意图，(A)、(B)各图的右侧表示的是左侧图中的悬臂梁附近部分的放大图(观察方向稍有调整)。如图所示，悬臂梁夹持部件和纳米位移台均安置在一个钛质框架上，出射激光的光纤的镜筒固定在位于纳米位移台上的适配件上，三个纳米位移台分别控制光纤镜筒在xyz方向的移动。激光通过安装在镜筒上的微透镜聚焦，焦点对准在位于微透镜正前方的悬臂梁的光反射面上。在进行力测量时需要对悬臂梁进行共振驱动或者扫频测量，所以悬臂梁需要相应的驱动装置，目前一般采用的是压电陶瓷机械驱动悬臂梁振动的方式。因此，悬臂梁被夹持部件夹持在该驱动装置上，而驱动装置固定在钛框架上。
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题从图1可以看出，现有的基于悬臂梁和激光干涉测距法的力测量装置由于采用了纳米位移台，因此整个装置体积巨大，在研究材料科学进行磁扭矩测量时，需要定制大口径磁体，不仅耗费金钱，实验操作流程也相应变得繁琐。而且，磁性材料特性的研究表征方法中十分重要的是进行变温测量。然而，在上述现有的基于悬臂梁和激光干涉测距法的力测量装置中，由于纳米位移台的存在，装置结构变得复杂，这样复杂的结构使得在大范围变温时，各个部件的热胀冷缩累加起来，必然导致已对焦的激光焦点发生偏移。而激光焦点一旦偏离悬臂梁反射面，将无法完成变温测量。因此，现有的力测量装置无法连续完成大范围变温(4K-300K)测量。解决问题的技术方案本专利技术提出了一种基于超低弹性系数悬臂梁和激光干涉测距法的力测量装置，相较于目前通常的力测量装置，结构简单、小巧，可用于商业小口径磁体，而且在不损失灵敏度的前提下，能保证在300K到4K的温度变化区间内进行连续的测量。具体而言，本专利技术提供一种力测量装置，将被测样品配置在悬臂梁的自由端，利用激光干涉测距法测量外界磁场下所述悬臂梁的自由端的位移，其包括支承框架、光学系统和悬臂梁机构，所述光学系统包括沿z方向延伸的镜筒、安装在所述镜筒内的沿z方向延伸的光纤准直套管、在所述镜筒内穿过所述光纤准直套管沿z方向延伸的光纤和用于使从所述光纤出射的激光聚焦到所述悬臂梁的自由端的会聚透镜，所述光纤由固定组件固定于所述镜筒，所述悬臂梁机构包括所述悬臂梁和用于驱动所述悬臂梁振动的驱动部件，所述光学系统沿z方向设置于所述支承框架且能够相对于所述支承框架在z方向调节上下位置，所述悬臂梁机构在所述光学系统的z方向正下方由所述支承框架支承，在沿z方向观察所述支承框架、所述光学系统和所述悬臂梁机构时，所述光学系统中的所述光纤位于所述支承框架沿z方向观察时的形状的几何正中心。在本专利技术的力测量装置中，所述固定组件是由树脂形成的第一固定部件，在所述镜筒的靠z方向上方的位置利用所述第一固定部件将所述光纤固定于所述镜筒。在本专利技术的力测量装置中，所述固定组件包括沿z方向延伸的光纤固定管和由树脂形成第二固定部件与第三固定部件，所述光纤固定管在所述镜筒内设置于所述光纤准直套管的z方向上方，所述光纤从所述光纤固定管中穿过，在所述光纤固定管的位于所述光纤准直套管一侧的端部，通过所述第二固定部件将所述光纤固定于所述光纤固定管，在所述光纤固定管的与所述光纤准直套管相反的一侧的端部，通过所述第三固定部件将所述光纤固定管固定于所述镜筒。在本专利技术的力测量装置中，在温度发生变化时，所述光纤固定管发生形变使得所述光纤的z方向下端面与所述会聚透镜之间的距离的变化方向，与所述会聚透镜与所述悬臂梁的z方向上的距离的变化方向相反。在本专利技术的力测量装置中，选择所述光纤固定管的长度和材料，使得即使温度发生变化，从所述光纤的z方向下端面出射的激光经所述会聚透镜会聚的焦点在z方向也始终位于所述悬臂梁的自由端。在本专利技术的力测量装置中，所述光纤固定管的材料的热膨胀系数小于所述镜筒的材料的热膨胀系数。在本专利技术的力测量装置中，所述光纤固定管由铝构成，所述镜筒由钛构成。在本专利技术的力测量装置中，所述驱动部件由压电陶瓷和蓝宝石片组成，两片蓝宝石片夹着一片压电陶瓷组成三明治结构。在本专利技术的力测量装置中，所述悬臂梁的固定端由夹持部件按压在所述驱动部件的表面的蓝宝石片上。在本专利技术的力测量装置中，所述夹持部件是铍铜弹性压片。专利技术效果采用本专利技术的力测量装置，相较于目前通常的力测量装置，结构简单、小巧，能够大幅简化操作，并可用于商业小口径磁体，而且在不损失灵敏度的前提下，能保证在300K到4K的温度变化区间内进行连续的测量。附图说明图1表示了一种目前典型的力测量装置，其中(A)是装置照片，(B)是工程示意图，(A)、(B)各图的右侧表示的是左侧图中的悬臂梁附近部分的放大图。图2表示沿y方向观察本专利技术第一实施方式的力测量装置101的示意侧视图。图3是沿图2的z方向观察本专利技术第一实施方式的力测量装置101的平面示意图。图4是图2所示的本专利技术第一实施方式的力测量装置101在变温过程中的测试结果。图5是表示沿y方向观察本专利技术第二实施方式的力测量装置201的示意侧视图。图6是对变温时激光的焦点相对于悬臂梁的光反射面发生的偏移进行数值模拟得到的结果。图7是图5所示的本专利技术第二实施方式的力测量装置201在变温过程中的测试结果。图8是实施例使用的悬臂梁的示意本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种力测量装置，将被测样品配置在悬臂梁的自由端，利用激光干涉测距法测量外界磁场下所述悬臂梁的自由端的位移，其特征在于：/n包括支承框架、光学系统和悬臂梁机构，/n所述光学系统包括沿z方向延伸的镜筒、安装在所述镜筒内的沿z方向延伸的光纤准直套管、在所述镜筒内穿过所述光纤准直套管沿z方向延伸的光纤和用于使从所述光纤出射的激光聚焦到所述悬臂梁的自由端的会聚透镜，所述光纤由固定组件固定于所述镜筒，/n所述悬臂梁机构包括所述悬臂梁和用于驱动所述悬臂梁振动的驱动部件，/n所述光学系统沿z方向设置于所述支承框架且能够相对于所述支承框架在z方向调节上下位置，所述悬臂梁机构在所述光学系统的z方向正下方由所述支承框架支承，/n在沿z方向观察所述支承框架、所述光学系统和所述悬臂梁机构时，所述光学系统中的所述光纤位于所述支承框架沿z方向观察时的形状的几何正中心。/n
【技术特征摘要】
1.一种力测量装置，将被测样品配置在悬臂梁的自由端，利用激光干涉测距法测量外界磁场下所述悬臂梁的自由端的位移，其特征在于：
包括支承框架、光学系统和悬臂梁机构，
所述光学系统包括沿z方向延伸的镜筒、安装在所述镜筒内的沿z方向延伸的光纤准直套管、在所述镜筒内穿过所述光纤准直套管沿z方向延伸的光纤和用于使从所述光纤出射的激光聚焦到所述悬臂梁的自由端的会聚透镜，所述光纤由固定组件固定于所述镜筒，
所述悬臂梁机构包括所述悬臂梁和用于驱动所述悬臂梁振动的驱动部件，
所述光学系统沿z方向设置于所述支承框架且能够相对于所述支承框架在z方向调节上下位置，所述悬臂梁机构在所述光学系统的z方向正下方由所述支承框架支承，
在沿z方向观察所述支承框架、所述光学系统和所述悬臂梁机构时，所述光学系统中的所述光纤位于所述支承框架沿z方向观察时的形状的几何正中心。
2.如权利要求1所述的力测量装置，其特征在于：
所述固定组件是由树脂形成的第一固定部件，在所述镜筒的靠z方向上方的位置利用所述第一固定部件将所述光纤固定于所述镜筒。
3.如权利要求1所述的力测量装置，其特征在于：
所述固定组件包括沿z方向延伸的光纤固定管和由树脂形成第二固定部件与第三固定部件，所述光纤固定管在所述镜筒内设置于所述光纤准直套管的z方向上方，所述光纤从所述光纤固定管中穿过，
在所述光纤固定管的位于所述光纤准直套管一侧的端部，通过所述第二固定部件将所述光纤固...
【专利技术属性】
技术研发人员：王宁，徐峰，薛飞，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。