纳米力学测试系统位移传感器校准装置

　　0 引言

　　纳米压入技术在材料微纳尺度力学性能评价中发挥着越来越重要的作用，它根据加载 - 卸载过程中力与深度关系曲线计算压头和材料的接触面积、接触刚度，再利用力学模型计算得到材料的硬度和弹性模量等力学性能参数[1]。为了保证这类仪器测量结果能够溯源到国际基本单位，必须对压入测量的主要参如压痕深度、压入载荷和压针面积函数等进行校准。国际标准化组织出版了关于金属材料 - 硬度和材料性能的仪器化压痕试验的试验方法和试验设备检定与校准的国际标准[2 -3]，纳米压入式仪器的校准引起了研究者们的兴趣[4 -8]。由于干涉方法具有测量灵敏度高和测量结果可溯源等特性，被认为是一种对压头位移或者压入深度进行校准的好方法[5]。本文介绍了一种用激光干涉仪校准纳米压入仪器压针位移的方法，建立了校准装置，并用该装置对纳米力学测试系统进行了校准实验。

　　1 纳米力学测试系统的位移测量方法

　　目前高精度的纳米压痕仪器多采用电容式传感器测量压头的位移，本文以美国 Hysitron 公司生产的TriboIndenter 纳米力学测试系统为对象研究仪器的校准方法。该仪器采用一个三板电容式力/位移变换测量装置来实现静电力激励加载或卸载，并测量压头的加载力和位移，其原理如图1 所示[9]。上、下两个极板空间位置固定，受振幅相同、相位相差 180°的交流信号驱动，在两极板间建立起强度呈线性变化的电场，中间极板处于悬浮状态，可读取在任何位置的电压。压头与中间极板相连，通过在下极板上施加直流偏压，在中间极板和下极板之间产生静电力，驱动压头对被测试样施加压力，压头的位移可以通过中间极板读取的电压值换算得到。

　　2 校准装置的建立

　　本文采用干涉方法对纳米力学测试系统压头的位移进行测量，校准系统如图 2 所示，其核心部分是一台激光干涉仪。为了测量压头的位移，在纳米力学测试系统的压头位置安装一个特制微型平面反射镜，以使干涉仪的测量光束能够从反射镜表面反射回去。这样，当这块反射镜受系统控制上下运动时，其位移可同时被激光干涉仪与被校电容传感器测量。通过比较，实现对纳米力学测试系统位移传感器的校准，校准系统的结构设计符合阿贝原则。

　　为了提高校准装置的稳定性，以德国 SIOS 公司制造的微型双平面镜干涉仪为基础，设计了具有平衡式结构的光学系统，其工作原理如图 3 所示。平衡式光学系统由两个平面镜干涉系统组成，两个干涉系统彼此靠近，其测量光束相互平行。在进行压头位移校准时，一个干涉系统的测量光束在与电容传感器中间极板相连的测量反射镜上反射，我们称该系统为测量干涉系统。另一个干涉系统的测量光束在与电容传感器固定极板刚性连接的参考反射镜上反射，我们称之为参考干涉系统。将图 3 所示的干涉系统通过适当的光路转折元件与被校准系统相连接，就形成了纳米力学测试系统位移校准装置。为了减小测量镜倾斜的影响，可用透镜将测量光束聚焦在测量镜表面，这样易于保证反射光束与入射光束的平行性。整个光学系统具有准平衡式结构，即测量干涉系统与参考干涉系统有近似相等的光程长度。在校准过程中，测量干涉系统探测反射镜的位移，参考干涉系统则探测干涉系统中除被测位移以外的变化。因此，压头的实际位移量可以由两个干涉系统测量结果的差值确定。