基于静电力的可溯源微悬臂梁刚度标定方法-仪器仪表学报.PDF

第３８卷　第６期 仪 器 仪 表 学 报 Ｖｏｌ３８Ｎｏ６ ２０１７年６月 ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｊｕｎ．２０１７ 基于静电力的可溯源微悬臂梁刚度标定方法 １ １ ２ １ １ 韩亚倩 ，赵美蓉 ，刘　明 ，孙培元 ，宋　乐 （１．天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室　天津　３０００７２；２．天津市计量监督检测科学研究院　天津　３００１９２） 摘　要：许多研究机构都建立了微纳力值测量系统，并达到了非常高的测量精度。但是，对微纳力值的传递却很少研究。采用 无源悬臂梁作为微纳力值传递标准，提出基于静电力原理的“类参考梁法”悬臂梁刚度测量方法。该方法可准确且便捷地测量 悬臂梁刚度，并将其溯源至长度、电压、电容等国际单位（ＳＩ）。应用类参考梁法，对刚度范围在 １．４５～９１Ｎ／ｍ的悬臂梁刚度 进行测试，相对方差均小于０．６％，结果表明，类参考梁法具有很好的稳定性。许多因素将影响测量结果，对导致测量误差的因 素进行逐一分析。类参考梁法悬臂梁刚度测量合成不确定度低于５％，表明该方法具有可行性。类参考梁法有效改善了悬臂 梁刚度测试的不确定度，在ＡＦＭ高精度微纳力值测量中具有重要的意义。 关键词：微纳力值；微悬臂梁；刚度标定；不确定度 中图分类号：ＴＨ８２　　　文献标识码：Ａ　　国家标准学科分类代码：４６０．４０ Ｔｒａｃｅａｂｌｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅ １ １ ２ １ １ ＨａｎＹａｑｉａｎ，ＺｈａｏＭｅｉｒｏｎｇ，ＬｉｕＭｉｎｇ，ＳｕｎＰｅｉｙｕａｎ，ＳｏｎｇＬｅ （１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．ＴｉａｎｊｉｎＭｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎａｎｄＤｅｔｅｃｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｔｏｆｍｉｃｒｏｎａｎｏｆｏｒｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｓｅｔｕｐａｎｄｖｅｒｙｈｉｇｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ ｏｆｍｉｃｒｏｎａｎｏｆｏｒｃｅｖａｌｕｅｉｓｒａｒｅｌｙｓｔｕｄｉｅｄ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｐａｓｓｉｖｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒａｓａｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｓｔａｎｄａｒｄｏｆｍｉｃｒｏｎａｎｏｆｏｒｃｅｖａｌｕｅ，＇ａｎａｌｏｇｏｕｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｍｅｔｈｏｄ＇ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃａｎｂｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄｂｅｔｒａｃｅｄｔｏｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｕｎｉｔ（ＳＩ）ｓｕｃｈａｓｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ．Ｕｔｉｌｉｚｅｄ＇ａｎａｌｏｇｏｕｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｍｅｔｈｏｄ＇，ｔｈｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｗｉｔｈｎｏｒｍａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓ１．４５～９１Ｎ／ｍｉｓｔｅｓｔ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｖａｒｉａｎｃｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０．６％，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｎａｌｏｇｏｕｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｍｅｔｈｏｄｈａｓｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｒ