一種納米壓入儀壓頭位移和載荷的測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種位移和載荷測量裝置，尤其是一種納米壓入儀壓頭位移和載荷的測量裝置，屬于計量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米壓入測試技術(shù)的發(fā)展，納米壓入儀已逐漸成為微納尺度材料力學(xué)性能測試的主要設(shè)備，它們采用電磁或靜電加載方式，載荷量程一般在(10 2?10 i)N量級，壓入深度一般在(101?103)nm量級。此類儀器的壓頭位移和載荷等量值的溯源方法研究已廣泛引起國際計量界的重視，對保證儀器測量結(jié)果的量值統(tǒng)一性具有重要意義。
[0003]對于壓頭位移的校準(zhǔn)，國際主要計量技術(shù)研究機(jī)構(gòu)都是采用激光干涉儀來進(jìn)行，如德國PTB研制了一種用于校準(zhǔn)壓入深度測量系統(tǒng)的光探針干涉儀，測量時，干涉儀的測量鏡和參考鏡分別連接在壓頭和電容傳感器的固定部分上，但該干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不便于在各種不同結(jié)構(gòu)形式的納米壓入儀上使用。對于載荷的校準(zhǔn)，通常的做法是將金屬絲型的標(biāo)準(zhǔn)砝碼通過特制的掛鉤懸掛在壓頭主軸上，將壓入儀的力測量系統(tǒng)的示值與標(biāo)準(zhǔn)砝碼所復(fù)現(xiàn)的重力進(jìn)行比較，德國PTB還借助電子天平對顯微壓痕測試儀中力測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，但懸掛砝碼法需要拆卸壓頭，電子天平法由于受到被校儀器上空間的限制，使用不便。美國NIST研制了一種結(jié)構(gòu)小巧的電容式力傳感器，可以對壓頭的加載力進(jìn)行測量，但該方法的缺點是壓頭的位移測量值不可溯源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū){米壓入儀的壓頭位移和載荷進(jìn)行可溯源的測量的裝置。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明的一種納米壓入儀壓頭位移和載荷的測量裝置，包括:壓塊、彈簧、基座、穩(wěn)頻激光器、光電探測器、偏振片、分光鏡、參考角錐棱鏡、測量角錐棱鏡和測量系統(tǒng)。
[0007]上述各組成部分的連接關(guān)系為:壓塊通過彈簧支撐在基座上，壓塊上表面高于基座；壓塊的下面為測量角錐棱鏡，壓塊與測量角錐棱鏡剛性連接；測量角錐棱鏡的正下方為分光鏡；壓塊、測量角錐棱鏡、分光鏡和基座同軸，彈簧關(guān)于基座軸線對稱分布；分光鏡的一側(cè)為參考角錐棱鏡；分光鏡的另一側(cè)為穩(wěn)頻激光器、偏振片和光電探測器；穩(wěn)頻激光器、偏振片和光電探測器均位于透過基座的外面；偏振片和光電探測器同軸，穩(wěn)頻激光器發(fā)出的光束的中心線和光電探測器接收的光束的中心線經(jīng)過分光鏡，且關(guān)于分光鏡的軸線對稱。光電探測器的輸出端與測量系統(tǒng)輸入端連接。
[0008]所述裝置還可以將分光鏡和參考角錐棱鏡放在基座的外部，用一塊反射鏡將測量光束轉(zhuǎn)至測量角錐棱鏡上。
[0009]所述納米壓入儀壓頭位移和載荷的測量裝置的工作過程包括校準(zhǔn)過程和測量過程，具體為:
[0010]為了測量納米壓入儀壓頭的載荷，首先需要確定所述裝置的載荷與位移之間的關(guān)系。所述校準(zhǔn)過程具體操作為:
[0011]步驟1.1:將一組不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼依次放在壓塊的中心位置，推動壓塊和與其剛性連接的測量角錐棱鏡向下移動；同時，從穩(wěn)頻激光器發(fā)出的光束，被分光鏡分為兩束，透射光束射向參考角錐棱鏡并返回，形成參考光束；反射光束射向測量角錐棱鏡并返回，形成測量光束；測量光束和參考光束在分光鏡處相遇，通過偏振片后，生成的干涉信號發(fā)送到測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)通過分析所述干涉信號得到壓塊的位移。
[0012]步驟1.2:對步驟1.1得到的一組標(biāo)準(zhǔn)砝碼作用下壓塊的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到載荷-位移關(guān)系曲線，即標(biāo)準(zhǔn)砝碼施加的載荷與壓塊位移的關(guān)系曲線。
[0013]當(dāng)所述納米壓入儀壓頭位移和載荷的測量裝置用于納米壓入儀壓頭位移和載荷測量時，其測量過程具體操作為:
[0014]步驟2.1:所述納米壓入儀壓頭在壓塊的中心位置施加載荷，推動壓塊和測量角錐棱鏡向下移動，同時，從穩(wěn)頻激光器發(fā)出的光束，被分光鏡分為兩束，透射光束射向參考角錐棱鏡并返回，形成參考光束；反射光束射向測量角錐棱鏡并返回，形成測量光束；測量光束和參考光束在分光鏡處相遇，通過偏振片后，生成的干涉信號發(fā)送到測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)通過分析所述干涉信號得到壓塊的位移。
[0015]步驟2.2:根據(jù)步驟2.1得到的壓塊的位移以及步驟1.2得到的載荷-位移關(guān)系曲線即可確定納米壓入儀壓頭的載荷。
[0016]有益效果
[0017]本發(fā)明提出的一種納米壓入儀壓頭位移和載荷的測量裝置，與已有技術(shù)相比較，其優(yōu)點是:
[0018]①通過一次測量過程，可同時完成對壓頭位移和載荷的可溯源測量，工作效率高。
[0019]②本發(fā)明所述的裝置，結(jié)構(gòu)小，不需對納米壓入儀做任何改變即可完成測量過程，使用方便。
[0020]③使用本發(fā)明的裝置，可以克服標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量不連續(xù)的局限，對納米壓入儀的載荷進(jìn)行連續(xù)測量。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明【具體實施方式】中納米壓入儀壓頭位移和載荷的測量裝置的組成結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖2是本發(fā)明【具體實施方式】中納米壓入儀壓頭位移和載荷的測量裝置的的俯視圖。
[0023]其中；1-壓塊；2-彈簧；3-基座；4_穩(wěn)頻激光器；5_光電探測器；6_偏振片；7-分光鏡；8_參考角錐棱鏡；9_測量角錐棱鏡；10_測量系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不局限于具體實施例。
[0025]本實施例中的納米壓入儀壓頭位移和載荷的測量裝置，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括:壓塊1、彈簧2、基座3、穩(wěn)頻激光器4、光電探測器5、偏振片6、分光鏡7、參考角錐棱鏡8、測量角錐棱鏡9和測量系統(tǒng)10。其俯視圖如圖2所示。彈簧2的剛度根據(jù)所要測量的納米壓入儀的壓頭位移和載荷范圍來確定。
[0026]上述各組成部分的連接關(guān)系為:壓塊1通過彈簧2支撐在基座3上，壓塊1上表面高于基座3 ;壓塊1的下面為測量角錐棱鏡9，壓塊1與測量角錐棱鏡9剛性連接；測量角錐棱鏡9的正下方為分光鏡7 ;壓塊1、測量角錐棱鏡9、分光鏡7和基座3同軸，彈簧2關(guān)于基座3軸線對稱分布；分光鏡7的一側(cè)為參考角錐棱鏡8 ;分光鏡7的另一側(cè)為穩(wěn)頻激光器4、偏振片6和光電探測器5 ;穩(wěn)頻激光器4、偏振片6和光電探測