[发明专利]一种纳米压入仪压头位移和载荷的测量装置

说明书

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系统的光探针干涉仪，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，但该干涉系统结构比较复杂，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，将压入仪的力测量系统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系统进行校准，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系统。

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系统输入端连接。

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系统，测量系统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系统，测量系统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。