[发明专利]微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置及溯源方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米科技和计量学的交叉领域，涉及一种微悬臂梁弹性常数的溯源标定装置及溯源方法。

背景技术

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=kΔz，其中，k是微悬臂梁的弹性常数，Δz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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明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  11、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

结合附图对本发明的微悬臂梁弹性常数溯源标定装置及溯源方法加以说明。