CN105371770A - 一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置 - Google Patents

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任冬梅
万宇
朱振宇
兰一兵
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Abstract

本发明涉及一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置，属于计量技术领域。其特征是由弹簧支撑的压块在外力作用下可上下移动，移动的距离由激光干涉仪测量。压块的位移与所受的力之间的关系可通过测量压块在标准砝码的重力作用下产生的位移来确定。在用于纳米压入仪压头位移和载荷测量时，压头在压块上施加载荷，其位移由激光干涉仪测量，根据该装置的加载力与位移之间的关系，可以确定载荷的大小。本装置硬件由压块、弹簧、基座、稳频激光器、分光镜、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜、偏振片、光电探测器和测量***组成。本发明的装置可以在一次测量过程中同时完成压头位移和载荷的测量，在材料纳米力学测试及仪器校准方面有重要的应用价值。

Description

一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置
技术领域
本发明涉及一种位移和载荷测量装置，尤其是一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置，属于计量技术领域。
背景技术
随着纳米压入测试技术的发展，纳米压入仪已逐渐成为微纳尺度材料力学性能测试的主要设备，它们采用电磁或静电加载方式，载荷量程一般在(10-2～10-1)N量级，压入深度一般在(101～103)nm量级。此类仪器的压头位移和载荷等量值的溯源方法研究已广泛引起国际计量界的重视，对保证仪器测量结果的量值统一性具有重要意义。
对于压头位移的校准，国际主要计量技术研究机构都是采用激光干涉仪来进行，如德国PTB研制了一种用于校准压入深度测量***的光探针干涉仪，测量时，干涉仪的测量镜和参考镜分别连接在压头和电容传感器的固定部分上，但该干涉***结构比较复杂，不便于在各种不同结构形式的纳米压入仪上使用。对于载荷的校准，通常的做法是将金属丝型的标准砝码通过特制的挂钩悬挂在压头主轴上，将压入仪的力测量***的示值与标准砝码所复现的重力进行比较，德国PTB还借助电子天平对显微压痕测试仪中力测量***进行校准，但悬挂砝码法需要拆卸压头，电子天平法由于受到被校仪器上空间的限制，使用不便。美国NIST研制了一种结构小巧的电容式力传感器，可以对压头的加载力进行测量，但该方法的缺点是压头的位移测量值不可溯源。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对纳米压入仪的压头位移和载荷进行可溯源的测量的装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置，包括：压块、弹簧、基座、稳频激光器、光电探测器、偏振片、分光镜、参考角锥棱镜、测量角锥棱镜和测量***。
上述各组成部分的连接关系为：压块通过弹簧支撑在基座上，压块上表面高于基座；压块的下面为测量角锥棱镜，压块与测量角锥棱镜刚性连接；测量角锥棱镜的正下方为分光镜；压块、测量角锥棱镜、分光镜和基座同轴，弹簧关于基座轴线对称分布；分光镜的一侧为参考角锥棱镜；分光镜的另一侧为稳频激光器、偏振片和光电探测器；稳频激光器、偏振片和光电探测器均位于透过基座的外面；偏振片和光电探测器同轴，稳频激光器发出的光束的中心线和光电探测器接收的光束的中心线经过分光镜，且关于分光镜的轴线对称。光电探测器的输出端与测量***输入端连接。
所述装置还可以将分光镜和参考角锥棱镜放在基座的外部，用一块反射镜将测量光束转至测量角锥棱镜上。
所述纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置的工作过程包括校准过程和测量过程，具体为：
为了测量纳米压入仪压头的载荷，首先需要确定所述装置的载荷与位移之间的关系。所述校准过程具体操作为：
步骤1.1：将一组不同质量的标准砝码依次放在压块的中心位置，推动压块和与其刚性连接的测量角锥棱镜向下移动；同时，从稳频激光器发出的光束，被分光镜分为两束，透射光束射向参考角锥棱镜并返回，形成参考光束；反射光束射向测量角锥棱镜并返回，形成测量光束；测量光束和参考光束在分光镜处相遇，通过偏振片后，生成的干涉信号发送到测量***，测量***通过分析所述干涉信号得到压块的位移。
步骤1.2：对步骤1.1得到的一组标准砝码作用下压块的位移数据进行拟合，得到载荷-位移关系曲线，即标准砝码施加的载荷与压块位移的关系曲线。
当所述纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置用于纳米压入仪压头位移和载荷测量时，其测量过程具体操作为：
步骤2.1：所述纳米压入仪压头在压块的中心位置施加载荷，推动压块和测量角锥棱镜向下移动，同时，从稳频激光器发出的光束，被分光镜分为两束，透射光束射向参考角锥棱镜并返回，形成参考光束；反射光束射向测量角锥棱镜并返回，形成测量光束；测量光束和参考光束在分光镜处相遇，通过偏振片后，生成的干涉信号发送到测量***，测量***通过分析所述干涉信号得到压块的位移。
步骤2.2：根据步骤2.1得到的压块的位移以及步骤1.2得到的载荷-位移关系曲线即可确定纳米压入仪压头的载荷。
有益效果
本发明提出的一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置，与已有技术相比较，其优点是：
①通过一次测量过程，可同时完成对压头位移和载荷的可溯源测量，工作效率高。
②本发明所述的装置，结构小，不需对纳米压入仪做任何改变即可完成测量过程，使用方便。
③使用本发明的装置，可以克服标准砝码质量不连续的局限，对纳米压入仪的载荷进行连续测量。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置的组成结构图；
图2是本发明具体实施方式中纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置的的俯视图。
其中；1-压块；2-弹簧；3-基座；4-稳频激光器；5-光电探测器；6-偏振片；7-分光镜；8-参考角锥棱镜；9-测量角锥棱镜；10-测量***。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。
本实施例中的纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置，其组成结构如图1所示，包括：压块1、弹簧2、基座3、稳频激光器4、光电探测器5、偏振片6、分光镜7、参考角锥棱镜8、测量角锥棱镜9和测量***10。其俯视图如图2所示。弹簧2的刚度根据所要测量的纳米压入仪的压头位移和载荷范围来确定。
上述各组成部分的连接关系为：压块1通过弹簧2支撑在基座3上，压块1上表面高于基座3；压块1的下面为测量角锥棱镜9，压块1与测量角锥棱镜9刚性连接；测量角锥棱镜9的正下方为分光镜7；压块1、测量角锥棱镜9、分光镜7和基座3同轴，弹簧2关于基座3轴线对称分布；分光镜7的一侧为参考角锥棱镜8；分光镜7的另一侧为稳频激光器4、偏振片6和光电探测器5；稳频激光器4、偏振片6和光电探测器5均位于透过基座3的外面；偏振片6和光电探测器5同轴，稳频激光器4发出的光束的中心线和光电探测器5接收的光束的中心线经过分光镜7，且关于分光镜7的轴线对称。光电探测器5的输出端与测量***10输入端连接。
所述纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置的工作过程为：
为了测量纳米压入仪压头的载荷，首先需要确定所述装置的载荷与位移之间的关系。具体操作为：
步骤1.1：将一组不同质量的标准砝码依次放在压块1的中心位置，推动压块1和与其刚性连接的测量角锥棱镜9向下移动；同时，从稳频激光器4发出的光束，被分光镜7分为两束，透射光束射向参考角锥棱镜8并返回，形成参考光束；反射光束射向测量角锥棱镜9并返回，形成测量光束；测量光束和参考光束在分光镜7处相遇，通过偏振片6后，生成的干涉信号发送到测量***10，测量***10通过分析所述干涉信号得到压块1的位移。
步骤1.2：对步骤1.1得到的一组标准砝码作用下压块1的位移数据进行拟合，得到载荷-位移关系曲线，即标准砝码施加的载荷与压块1位移的关系曲线。
当所述纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置用于纳米压入仪压头位移和载荷测量时，其具体操作为：
步骤2.1：所述纳米压入仪压头在压块1的中心位置施加载荷，推动压块1和测量角锥棱镜9向下移动，同时，从稳频激光器4发出的光束，被分光镜7分为两束，透射光束射向参考角锥棱镜8并返回，形成参考光束；反射光束射向测量角锥棱镜9并返回，形成测量光束；测量光束和参考光束在分光镜7处相遇，通过偏振片6后，生成的干涉信号发送到测量***10，测量***10通过分析所述干涉信号得到压块1的位移。
步骤2.2：根据步骤2.1得到的压块1的位移以及步骤1.2得到的载荷-位移关系曲线即可确定纳米压入仪压头的载荷。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置，其特征在于：其包括：压块(1)、弹簧(2)、基座(3)、稳频激光器(4)、光电探测器(5)、偏振片(6)、分光镜(7)、参考角锥棱镜(8)、测量角锥棱镜(9)和测量***(10)；
上述各组成部分的连接关系为：压块(1)通过弹簧(2)支撑在基座(3)上，压块(1)上表面高于基座(3)；压块(1)的下面为测量角锥棱镜(9)，压块(1)与测量角锥棱镜(9)刚性连接；测量角锥棱镜(9)的正下方为分光镜(7)；压块(1)、测量角锥棱镜(9)、分光镜(7)和基座(3)同轴，弹簧(2)关于基座(3)轴线对称分布；分光镜(7)的一侧为参考角锥棱镜(8)；分光镜(7)的另一侧为稳频激光器(4)、偏振片(6)和光电探测器(5)；稳频激光器(4)、偏振片(6)和光电探测器(5)均位于透过基座(3)的外面；偏振片(6)和光电探测器(5)同轴，稳频激光器(4)发出的光束的中心线和光电探测器(5)接收的光束的中心线经过分光镜(7)，且关于分光镜(7)的轴线对称；光电探测器(5)的输出端与测量***(10)输入端连接。
2.如权利要求1所述的一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置，其特征在于：其工作过程包括校准过程和测量过程；所述校准过程的具体操作为：
步骤1.1：将一组不同质量的标准砝码依次放在压块(1)的中心位置，推动压块(1)和与其刚性连接的测量角锥棱镜(9)向下移动；同时，从稳频激光器(4)发出的光束，被分光镜(7)分为两束，透射光束射向参考角锥棱镜(8)并返回，形成参考光束；反射光束射向测量角锥棱镜(9)并返回，形成测量光束；测量光束和参考光束在分光镜(7)处相遇，通过偏振片(6)后，生成的干涉信号发送到测量***(10)，测量***(10)通过分析所述干涉信号得到压块(1)的位移；
步骤1.2：对步骤1.1得到的一组标准砝码作用下压块(1)的位移数据进行拟合，得到载荷-位移关系曲线，即标准砝码施加的载荷与压块(1)位移的关系曲线。
3.如权利要求2所述的一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置，其特征在于：所述测量过程的具体操作为：
步骤2.1：所述纳米压入仪压头在压块(1)的中心位置施加载荷，推动压块(1)和测量角锥棱镜(9)向下移动，同时，从稳频激光器(4)发出的光束，被分光镜(7)分为两束，透射光束射向参考角锥棱镜(8)并返回，形成参考光束；反射光束射向测量角锥棱镜(9)并返回，形成测量光束；测量光束和参考光束在分光镜(7)处相遇，通过偏振片(6)后，生成的干涉信号发送到测量***(10)，测量***(10)通过分析所述干涉信号得到压块(1)的位移；
步骤2.2：根据步骤2.1得到的压块(1)的位移以及步骤1.2得到的载荷-位移关系曲线即可确定纳米压入仪压头的载荷。
4.如权利要求1至3之一所述的一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置，其特征在于：所述装置还可以将分光镜(7)和参考角锥棱镜(8)放在基座(3)的外部，用一块反射镜将测量光束转至测量角锥棱镜(9)上。
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