[发明专利]纳米压入面积测量装置

说明书

本发明公开的纳米压入面积测量装置，属于光学及力学精密测量技术领域。本发明主要由控制系统模块、光学系统模块、信号解调模块、数据处理模块组成。所述光学系统模块中主要由光源，散射测量光学部件、散射测量接收器件组成。本发明采用稳定功率输出的激光作为测量光源；光束经分光棱镜后进入会聚物镜聚集于纳米压入压头；调控激光光源的功率，散射光经会聚物镜及分光棱镜在测量接收器件获取测量光电信号，根据信号处理纳米压入压头与被测对象间距及面积，通过散射光功率和光斑范围确定纳米压入面积，提高纳米压入面积测量的准确度，具有较高测量对象适应性。

技术领域

本发明涉及一种纳米压入面积测量装置，属于光学及力学精密测量技术领域。

背景技术

纳米压入法测量材料的力学特性被广泛地应用于在物理学、材料科学和化学等技术领域，涉及的测量技术也根据日益发展的需求不断提高。作为材料的力学特性的高精准测量的重要手段，纳米压入相关的测量方法及准确能力的提高具有十分重要的意义。纳米压入法中，由于压入的深度尺寸小且结构复杂导致纳米压入面积的测量结果误差大，随机性、系统性及粗大误差难以确定和分离，特别是在结构测量尺寸在几个纳米的情况下，测量误差有可能和测量范围相当。这种测量误差存在严重制约纳米压入方法的测量能力，限制了相关材料力学性能的评价，纳米压入面积的准确与否成为关键影响因素。目前应用的纳米压入面积的方法，多利用光学显微放大、接触探针扫描等原理方法进行结构尺寸的测量，测量原理性的误差和被测结构的复杂性导致测量结果的不准确，特别是在弹性和脆性材料测量时尤为突出。因此从原理上如何提高纳米压入面积测量准确性是提升测量水平的关键技术之一。

发明内容

为避免现有纳米压入面积测量误差对纳米压入测量的精度影响，并解决校准验证必须采用实际辅精密位移测量装置辅助工作的问题，本发明公开的纳米压入面积测量装置要解决的技术问题为：实现纳米压入面积的压入过程同步原位测量，提高纳米压入面积测量的准确度，具有较高测量对象适应性。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的纳米压入面积测量装置，主要由控制系统模块、光学系统模块、信号解调模块、数据处理模块组成。采用激光散射的原理，利用测量纳米压入过程中的位移量和测量散射区域变化值确定纳米压入面积，光学系统模块主要由光源，散射测量光学部件、散射测量接收器件组成。

控制系统模块用于对光学系统模块、信号解调模块、数据处理模块控制，并用于设定预定参数，控制系统模块根据设定的参数选择相应类型的纳米压入，实现纳米压入过程的自动测量。光学系统模块包括光源及各种光学元件组成的光学散射组件、光电转换及数据采集电路，通过上述部件将纳米压入面积变化量转化为用于数字处理的电学信号。信号解调模块将光学系统模块获得的光电信号进行分类处理和组织，得到用于数据处理模块进行运算及修正处理使用的基本使用的数据，信号解调模块依靠预选设置的模式进行工作。数据处理模块用于纳米压入面积测量装置中测量解调后的信息处理与运算，将运算后的通用结果和控制系统模块交互后最终输出测量结果。

所述的光学测量模块包括光源、分光棱镜，汇聚物镜、压头、激光散射测量接收器。所述压头选用具有透光性、硬度满足使用要求的压头。采用稳定功率输出的激光作为测量光源；光束经分光棱镜后进入汇聚物镜聚集于纳米压入压头；调控激光光源的功率，散射光经汇聚物镜及分光棱镜在测量接收器件获取测量光电信号，根据信号处理纳米压入压头与被测对象间距及面积，通过散射光功率和光斑范围确定纳米压入面积。

作为优选，所述压头为金刚石三棱压头。