[发明专利]微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置及溯源方法

权利要求书

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10～50μm，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（1）、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（26），通过所述的x向单轴微纳位移器（9）和y向单轴微纳位移器（10），将所述的力加载杆（5）的球冠顶部中心在微悬臂梁（3）自由端下表面上的力加载点与测量所述的微悬臂梁（3）的自由端上的p态偏振光在微悬臂梁（3）的上表面形成的光斑在一条竖直直线上；

（5）所述微悬臂梁（3）的力-位移曲线的获取：

1）设置数组A_j(x_i,y_i)用于表示力-位移数据，其中，x_i为位移值，y_i为相对应的力值；j=1,2,…,m为实验次数，m取5～8次之间，每一次实验获得一组力-位移数据，对应于一条力-位移曲线，采取多次实验并取其平均值；i=0,1,…,n为单次加载实验中从位置0开始、以s为位移增量的递进加载次数，一般为1～20nm之间，当i=0时表示微悬臂梁自由端在零点处的位移值和力值，力值可以从纳米天平（2）的输出值与重力加速度的乘积得到x₀=0，y₀=0；当i=1时表示第一次进给量为s的加载，此时，x₁=s，y₁为相对应的力值；以此类推，当i=n时表示第n次进给量为s的加载，此时，x_n=ns，y_n等于相对应的力值；

2）零位调整：借助所述的光学显微镜（26），调整所述的z向单轴微纳位移器（11），使微悬臂梁向下移动直到所述的力加载杆（5）的球冠顶部中心与所述微悬臂梁（3）的自由端下表面接触，即力加载杆对微悬臂梁自由端施加的力载荷正好为零，即所述的纳米天平（2）的通过所述的仪器控制器7输出给所述的计算机和测控软件中的质量值为0，而进一步向下移动微悬臂梁将立即使得所述的纳米天平（2）的输出质量值开始增加，则该位置为力载荷的测量零点；

3）步进加载及力-位移曲线的获取：通过所述的z向单轴微纳位移器（11），以一定的步进，如10nm将所述的微悬臂梁（3）向下移动，步进值将由所述的偏振干涉仪（6）测得，并经过所述的仪器控制器（7）传输到所述的计算机和测控软件（8）上并在计算机显示器上显示，在所述的微悬臂梁（3）向下移动的过程中，微悬臂梁（3）的自由端将受到来自所述的力加载杆（5）的力载荷，所受力载荷的值由所述的纳米天平（2）输出的质量值与重力加速度g的乘积得到，所述纳米天平（2）的质量值也通过所述的仪器控制器（7）传输到所述的计算机和测控软件（8）上并在计算机显示器上显示，将该位置的位移值和力值以数组A₁(x₁,y₁)表示，重复该步进过程，获得A₁(x₂,y₂)、A₁(x₃,y₃)、…、A₁(x_i,y_i)、…、A₁(x_n,y_n)，则数组A₁(x_i,y_i)（i=0,1,2,…,n）以数组A_i(x_i,y_i)中的x_i（i=0,1,2,…,n）为横坐标，以y_i（i=0,1,2,…,n）为纵坐标绘制出力-位移曲线；

（6）弹性常数溯源值的计算：用最小二乘法将A_j(x_i,y_i)分别拟合为直线y=K_jx，则j次实验得到的所述的微悬臂梁（3）的弹性常数溯源值k为K_j的算术平均值，即：

k=Σj=1mKjm.]]>