微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置及溯源方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种微悬臂梁弹性常数溯源标定装置，所述溯源标定装置的结构包括有大理石框架、纳米天平、微悬臂梁、三维微纳位移台、力加载杆、偏振差分干涉仪、仪器控制器、计算机与测控软件。同时提供一种微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置的溯源方法。本发明专利技术的效果是使用该装置上实现了弹性常数值直接溯源到国际单位制SI。该装置将偏振差分干涉仪的测量光束在微悬臂梁自由端的上表面形成的微光斑与纳米天平上的力加载杆对微悬臂梁自由端的下表面加载时的力加载点完全重合并与重力方向一致，使得阿贝臂为零，遵守了位移测量的阿贝原则，避免了阿贝误差的产生，保证了溯源仪器的测量准确度。可以保证不同实验室利用微悬臂梁进行微力测量的统一性、可靠性和可比性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米科技和计量学的交叉领域，涉及一种。
技术介绍
微悬臂梁的长、宽和厚三维尺寸在几个纳米(nano-meter)至几百微米(micro-meter)范围内，在使用时,一般一端固定,另一端自由，形成一个弹性元件。微悬臂梁是一种重要的微纳尺度上的传感元件，常被用作力传感器来探测微小的物理、化学和生物作用力，也被用于测量温度、介质粘度等物理量。微悬臂梁作为弹性传感元件，遵循胡克定律，即F=kAz，其中，k是微悬臂梁的弹性常数，ΛΖ是自由端的位移。可见，微悬臂梁的测力准确度依赖于弹性常数k的准确测量。为此，学者们已提出了多种方法用于微悬臂梁弹性常数的测量，主要分为静态法和动态法两大类:静态法有计算法、参考梁法、加载法等；动态法有质量添加法、Sader法和热噪声标定法。但是截止到目前，这些方法均为依据微悬臂梁的材料物理性质和尺寸推导出来的理论公式，再结合实验来测量弹性常数，尚未溯源到国际单位制SI。这使得使用微悬臂梁进行微力检测的各个实验室之间的测力数据因为没有统一的参考标准而难以比对，甚至导致对客观现象的误解。将微悬臂梁弹性常数溯源到国际单位SI已经成为微悬臂梁应用领域的当务之急。在微悬臂梁弹性常数的溯源标定方面，学者们也提出了一些方案，如德国技术物理研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt:PTB)和韩国标准与科学研究院(Korea Research Institute of Standards and Science:KRISS)将微纳米位移台与纳米天平结合起来，采用集成在微纳位移台上的电容位移传感器进行位移的溯源，采用纳米天平进行力的溯源，但这种结构采用电容传感器测量位移，电容传感器本身需要用激光干涉仪标定才能溯源，因此该装置本身并没有把弹性常数直接值溯源到国际单位SI ;不仅如此，由于测量微悬臂梁自由端位移的电容传感器与对自由端的力加载点不在一条直线上，即二者之间存在较大的距离即阿贝臂，违反了位移测量的阿贝原则，使得该系统有较大的误差，难以保证测量准确度。因而该装置也不适合作为微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置。也有学者提出了用光杠杆作为位移测量的方案，但由于光杆杆实际测量的是微悬臂梁的偏转角度而不是位移，所以这种方案也不能把弹性常数直接溯源到国际单位制SI。
技术实现思路
本专利技术提供一种微悬臂梁弹性常数溯源标定装置及溯源方法，以实现微悬臂梁弹性常数与国际单位制SI的直接溯源，避免了阿贝误差的产生，保证了溯源仪器的测量准确度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是提供一种微悬臂梁弹性常数溯源标定装置，所述溯源标定装置的结构包括有大理石框架、纳米天平、微悬臂梁、三维微纳位移台、力加载杆、偏振差分干涉仪、仪器控制器、计算机与测控软件。同时提供一种微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置的溯源方法。本专利技术的效果是使用该装置上实现了弹性常数值直接溯源到国际单位制SI。该装置将偏振差分干涉仪的测量光束在微悬臂梁自由端的上表面形成的微光斑与纳米天平上的力加载杆对微悬臂梁自由端的下表面加载时的力加载点完全重合并与重力方向一致，使得阿贝臂为零，遵守了位移测量的阿贝原则，避免了阿贝误差的产生，保证了溯源仪器的测量准确度。可以保证不同实验室利用微悬臂梁进行微力测量的统一性、可靠性和可比性。【附图说明】图1微悬臂梁弹性常数溯源标定装置结构示意图；图2步进加载获得的力-位移数组及其拟合的直线。图中:1、大理石框架2、纳米天平3、微悬臂梁4、三维微纳位移台5、力加载杆6、偏振差分干涉仪7、装置控制器8、计算机与测控软件9、X向单轴微纳位移器10、y向单轴微纳位移器ll、z向单轴微纳位移器12、弹性卡箍13、He_Ne偏振激光器14、法拉第光隔离器15、索累-巴比涅补偿器16、扩束器17、分束器18、聚焦透镜19、沃拉斯顿棱镜A 20、沃拉斯顿棱镜B 21、光电二极管A22、光电二极管23、光路箱体24、光电信号处理模块25、光学显微镜【具体实施方式】结合附图对本专利技术的微悬臂梁弹性常数溯源标定装置及溯源方法加以说明。本专利技术的微悬臂梁弹性常数溯源标定装置该溯源标定装置的设计思想是基于采用偏振差分干涉仪作为微梁自由端的位移测量手段，实现与国际单位制中长度单位米(m)的溯源；以纳米天平作为力的测量手段，实现与国际单位制中力的单位牛顿(N)的溯源。依据该溯源标定装置的溯源方法的特征是通过实验获得微悬臂梁的力-位移曲线，再通过直线拟合并求取其斜率平均值的方法获得微悬臂梁的弹性常数溯源值。在该溯源装置中，反射差分干涉仪的测量光束在微悬臂梁的上表面上形成的微光斑与纳米天平通过力加载杆在微悬臂梁的下表面上的力加载点在同一条直线上，且与重力(竖直)方向保持一致。如图1、2所示，本专利技术的微悬臂梁弹性常数标定装置的结构是，包括有大理石框架1、纳米天平2、微悬臂梁3、三维微纳位移台4、固定在所述的纳米天平上的力加载杆5、偏振差分干涉仪6、仪器控制器7、计算机与测控软件8等几部分组成。所述的大理石框架I为装置机械部分的支撑结构，选择大理石材料为支撑结构是由于大理石具有密度大、强度高、硬度高、稳定性好、耐磨耐压、不生锈、不磁化、耐酸碱、热膨胀系数小而不因室温波动产生大的形变等优点。所述的大理石框架I上固定有纳米天平2、三维微纳位移台4和反射差分干涉仪6的光路箱体23等三个模块。所述的纳米天平2是根据电磁平衡原理设计制造的，其质量分辨力为0.0lmg，量程为2.lg。所述的纳米天平的顶部固定有力加载杆5。所述的力加载杆5为高硬度材料制成，如硅等材料，其主体为圆柱形，直径为2?3mm之间,顶部中央为半球冠形状,球冠的半径在10?50 μ m,球冠的顶部中心是对微悬臂梁自由端施加载荷的加载点。所述三维微纳位移台由X向单轴微纳位移器9、y向单轴微纳位移器10和z向单轴微纳位移器11组成，所述X向、y向和z向单轴微纳位移器彼此正交。所述z向单轴微纳位移器11的底部固定有弹性卡箍12，微悬臂梁3通过所述的弹性卡箍12固定在z向微纳位移器11上。所述z向单轴微纳位移器11固定在所述的I向微纳位移器10上，而所述y向微纳位移器10又固定在X向微纳位移器上9上，因此通过调整所述的X向、y向和z向微纳位移器，可以调整微悬臂梁的空间位置。所述的X向、y向和z向单轴微纳位移器的行程均为几百μπι?1_，位移分辨力为I?10nm。所述偏振差分干涉仪6由He-Ne偏振激光器13、法拉第光隔离器14、索累-巴比涅补偿器15、扩束器16、分束器17、聚焦透镜18、汤普森格兰棱镜19、沃拉斯顿棱镜20、光电二极管21、光电二极管22、光路箱体23、光电信号处理模块24组成。所述光路箱体23中包含有所述的激光器13、法拉第光隔离器14、索累-巴比涅补偿器15、扩束器16、分束器17、聚焦透镜18、沃拉斯顿棱镜A19、沃拉斯顿棱镜B20、光电二极管A21、光电二极管B22等，且内部涂为黑色，以减少杂散光的干扰。该光路的基本工作原理是，所述的He-Ne偏振激光器13为激光器,发出混合在一起的P态和s态偏振光光束。所述的光束经过所述的法拉第光隔离器14后，形成了光强相等、相互正交的P态和s态偏振光。而光束进入所述的索累-巴比涅补偿器15本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置，其特征是：所述溯源标定装置的结构包括有大理石框架（1）、纳米天平（2）、微悬臂梁（3）、三维微纳位移台（4）、力加载杆（5）、偏振差分干涉仪（6）、仪器控制器（7）、计算机与测控软件（8）；所述的大理石框架（1）上固定有纳米天平（2）、三维微纳位移台（4）和反射差分干涉仪（6）的光路箱体（23），所述的纳米天平（2）的顶部固定有力加载杆（5），微悬臂梁（3）固定在纳米天平（2）上，在大理石框架（1）的一侧设有计算机与测控软件（8），仪器控制器（7）与计算机与测控软件（8）相连接。

【技术特征摘要】
1.一种微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置，其特征是:所述溯源标定装置的结构包括有大理石框架(1)、纳米天平(2)、微悬臂梁(3)、三维微纳位移台(4)、力加载杆(5)、偏振差分干涉仪(6 )、仪器控制器(7 )、计算机与测控软件(8 ); 所述的大理石框架(1)上固定有纳米天平(2)、三维微纳位移台(4)和反射差分干涉仪(6)的光路箱体(23)，所述的纳米天平(2)的顶部固定有力加载杆(5)，微悬臂梁(3)固定在纳米天平(2 )上，在大理石框架(1)的一侧设有计算机与测控软件(8 )，仪器控制器(7 )与计算机与测控软件(8)相连接。2.根据权利要求1所述的微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置，其特征是:所述力加载杆(5)的主体为圆柱形，直径为2~3mm之间，顶部为半球冠形状，球冠的半径在10~50 μ m,球冠的顶部中心是对微悬臂梁(3)自由端施加载荷的加载点。3.根据权利要求1所述的微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置，其特征是:所述三维微纳位移台(4)包括有X向单轴微纳位移器(9)、y向单轴微纳位移器(10)和z向单轴微纳位移器(11)，所述z向单轴微纳位移器(11)固定在所述的y向微纳位移器(10)上，而所述y向微纳位移器10又固定在X向微纳位移器上(9)上，所述X向单轴微纳位移器(9)、y向单轴微纳位移器(10)和z向单轴微纳位移器(11)彼此正交，所述z向单轴微纳位移器(11)的底部固定有弹性卡箍(12)，微悬臂梁(3)通过所述的弹性卡箍(12)固定在z向单轴微纳位移器(11)上。4.根据权利要求1 所述的微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置，其特征是:所述偏振差分干涉仪(6)包括有依次固定在光路箱体(23)内的He-Ne偏振激光器(13)、法拉第光隔离器(14)、索累-巴比涅补偿器(15)、扩束器(16)、分束器(17)、聚焦透镜(18)、汤普森格兰棱镜(19 )、沃拉斯顿棱镜(20 )、光电二极管(21)、光电二极管(22 )以及光电信号处理模块(24)，所述光路箱体(23)内部涂为减少杂散光干扰的黑色。5.根据权利要求1所述的微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置，其特征是:在所述的微悬臂梁(3)及力加载杆(5)的一侧设置有光学显微镜(25)。6.根据权利要求1所述的微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置的溯源方法，该方法包括以下步骤: (1)装置加电与预热:打开所述微悬臂梁弹性常数溯源标定装置，给所述装置加电并预热，预热达到120分钟后，装置正常开始工作； (2)重力加速度测量:用精密重力速度计测量所述装置所在地的重力加速度g值； (3)装置水平调整:使用电子水平仪对所述装置进行水平调整，使得所述的大理石框架(I)、纳米天平(2)为水平状态，力加载杆(5)、照射到所述的微悬臂梁(3)的自由端的P态和s态偏振光光束也均为竖直状态； (4)力加载位置与测量光束的重合调整:借助所述的光学显微镜(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳宁，文莉，吴森，陈治，多伦雷丹特，胡小唐，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：