Name: 微米/纳米尺度应变分布测量从采样莫尔条纹 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-05-23T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 56 s
Description: 学习采样莫尔条纹技术，用于微米/纳米尺度全场变形测量。该方法通过重构乘法莫尔法和空间相移采样莫尔法，实现高灵敏度二维应变分析，适用于碳纤维增强塑料等材料的非破坏性力学性能评估。

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本工作由日本学术振兴会（JSPS）科学研究费补助金（课题编号 JP16K17988 和 JP16K05996）以及内阁府主导的跨部门战略性创新促进计划（SIP）D66 单元“结构材料的创新测量与分析”（SIP-IMASM）资助。作者还感谢日本国立材料科学研究所（NIMS）的 Satoshi Kishimoto 博士和 Kimiyoshi Naito 博士提供的碳纤维增强复合材料（CFRP）。

1. 样品上微/纳米级网格的确认
<ol>
	<li>试样的加工
	<ol>
		<li>在显微镜下将样品切割至所用加载装置要求的尺寸（例如， 1 × 5 × 30 mm3），使得待观察表面区域比感兴趣区域大1.5倍。</li>
		<li>打磨待观察的样品表面（例如， 1 × 30 mm2），在自动抛光机上依次使用粗砂纸和细砂纸进行抛光例如， 使用碳化硅砂纸#320打磨3分钟，然后使用#800打磨1分钟，转速为150 rpm，压力为30 N。每次抛光步骤后用水清洗样品。</li>
		<li>使用自动抛光机，依次采用粗抛光液和细抛光液对同一试样表面进行抛光例如， 使用 DP-Spray P 15 µm 5 分钟，P 1 µm 8 分钟，以及 P 0.25 µm 在150 rpm和30 N条件下持续10分钟。每次抛光步骤后用水清洁样品。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>若样品上无周期性图案时微/纳米级网格的制备 
	注意：如果样品表面在微米/纳米尺度上已存在天然的周期性结构，则可省略此步骤。可从以下方法中选择一种进行网格制备：紫外（UV）或加热纳米压印光刻（NIL）26，电子束光刻（EBL）2，以及聚焦离子束（FIB）刻蚀6. 
	注意：此处以紫外光纳米压印光刻（UV NIL）为例介绍网格的制备过程。
	<ol>
		<li>使用移液器在样品表面滴加2 mL紫外光刻胶。</li>
		<li>使用匀胶机以1,500 rpm的转速在样品表面旋涂光刻胶，持续60秒。</li>
		<li>以 0.2 MPa 的压力将纳米压印模具压向抗蚀剂层。用波长为 375 nm 的紫外光照射抗蚀剂 30 秒。</li>
		<li>将纳米压印模具从样品表面分离。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用显微镜观察样品上的网格
	<ol>
		<li>使用离子溅射仪在载网表面镀上一层厚度为3-10 nm的铂或金层例如， 在3 Pa下以30 mA溅射电流镀膜30秒。</li>
		<li>将样本置于激光扫描显微镜（LSM）下23. 
		注意：也可使用其他显微镜，例如透射电子显微镜（TEM）5，原子力显微镜（AFM）12，或扫描电子显微镜（SEM）7.</li>
		<li>调整焦距，使用显微镜成像软件中的“捕获”功能拍摄一张网格图像，然后依次点击“文件 | 导出 | 图像文件”保存图像。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>网格间距的计算（nm或 µm) 从网格图像中获取样本的
	<ol>
		<li>在网格图像的中心区域，计算超过10个网格间距的平均值，以避免扫描或镜头畸变可能造成的影响。 
		注意：样品上的网格可在室温下保存数天。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 加载测试中网格图像的采集
<ol>
	<li>显微镜下加载测试的制备
	<ol>
		<li>在显微镜下将样品固定到加载装置上，例如拉伸、压缩、加热或电加载装置。 
		注意：如果网格间距小于20 nm，应使用透射电子显微镜（TEM）或原子力显微镜（AFM）。如果网格间距为20 nm至 10 µm如果网格间距大于400 nm，可使用激光扫描显微镜（LSM）；如果网格间距小于400 nm，可使用扫描电子显微镜（SEM）。</li>
		<li>设定加载速度（例如，0.01 mm/s）以及载荷或位移的增量步长（例如， 0.5 N/步或0.024 mm/步），具体根据实际需求选择。将载荷和位移均预设为零。</li>
		<li>在观察平面上制作网格表面。通过移动或旋转显微镜的样品台，在低倍镜下选择感兴趣的区域。</li>
		<li>通过调整放大倍数，使图像中的网格间距大于1.8倍像素尺寸。 
		注意：通常情况下，图像中的网格间距应大于2个像素。网格间距对应的像素越多，变形测量的精度越高，但测量的视场范围越小。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>加载测试中网格图像的采集
	<ol>
		<li>在加载前，通过显微镜图像记录软件点击“Capture”和“File | Export | Image File”，保存感兴趣区域的网格图像。</li>
		<li>开始装载样品 原位 通过施加第一步载荷将样品置于显微镜上（例如， 0.5 N 或 0.024 mm）使用加载设备的操作软件。</li>
		<li>在完成第一步加载后，记录感兴趣区域的网格图像（例如， 在显微镜图像记录软件中点击“Capture”和“File | Export | Image File”，以0.5 N或0.024 mm的力进行图像采集。确保显微镜的放大倍数和工作距离保持不变。</li>
		<li>继续使用加载装置施加每一级荷载，每完成一级加载后记录格栅图像，直至试样断裂或达到某一特定值为止（例如， 加载19次，并在1 N、1.5 N、2.0 N、…、10 N（间隔0.5 N）条件下记录19幅网格图像；或在0.048 mm、0.072 mm、0.096 mm、…、0.48 mm（间隔0.024 mm）条件下记录。确保显微镜的放大倍数和工作距离保持不变。 
		注意：网格图像可被保存任意长的时间。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 变形前后采样莫尔条纹的生成
<ol>
	<li>网格图像中网格间距（像素）的估算
	<ol>
		<li>在图像处理软件中，通过测量网格图像中两个相邻网格点中心之间的距离，估算网格间距（单位：像素），在加载前完成例如， Microsoft Paint)</li>
		<li>在最大负载下估算网格图像中的网格间距。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>采样间距（像素）的测定
	<ol>
		<li>当变形前后的网格间距在1.8至2.5像素之间时，进入步骤3.2.2；当变形前后的网格间距在2.4至3.6像素之间时，跳至步骤3.2.3；当变形前后的网格间距大于3.2像素时，跳至步骤3.2.4。</li>
		<li>将采样间距设置为 T = 2 像素。跳至步骤 3.3。</li>
		<li>将采样间距设置为 T = 3 像素。跳至步骤 3.3。</li>
		<li>设置采样间距 T 在变形前后，根据大量模拟结果确定的网格间距的0.75倍至1.25倍范围内的正整数22. 
		注意：如果有 2 个正整数满足步骤 3.2.1 和 3.2.4 的要求，宜选择较大的整数作为采样间距。如果有 3 个或更多正整数满足要求，宜选择中间的整数，只要该整数略大于采样间距即可。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>变形前采样莫尔条纹的生成
	<ol>
		<li>打开变形前的网格图像。假设 x 方向为水平向右， y 方向为垂直向下，坐标 (0, 0) 位于左上角，计算图像宽度 W 在 x 方向和图像高度 H 在 y 方向。 
		注意：该 y 方向也可定义为垂直向上。</li>
		<li>转至步骤 3.3.3 以生成莫尔条纹 y 方向。跳至步骤 3.3.7 以生成莫尔条纹 x 方向。</li>
		<li>使用低通滤波器（LPF）将网格图像处理为光栅图像。例如，采用傅里叶变换（FT）算法抑制光栅，主方向为 x，其中主方向定义为垂直于光栅线的方向。将滤波器尺寸设置为接近网格节距。</li>
		<li>通过仅提取若干水平线上、间距为采样间距的灰度值，对网格图像进行稀疏化处理 T (T ≥2）来自 y = k 像素（k = 0) (图1) (即， 仅保留采样线中的灰度值 y = k 像素， y = k+T 像素，… ， y = k + iT 像素，其中 i 为正整数）。设置最后一个采样线的坐标， k + iT，小于图像高度 H.</li>
		<li>生成采样莫尔图案 y 通过在图像上使用水平采样线进行全视场强度插值（线性或B样条）来确定方向。</li>
		<li>生成其他 T-1 采样莫尔图案在 y 通过重复步骤 3.3.4 和 3.3.5 来确定方向 T-1 次，通过改变 k 以1像素的增量步长（即， 将疏伐的起始点进行调整 y = k 像素 k = 1, …, T-1).</li>
		<li>使用与步骤 3.3.3-3.3.6 相同的程序来生成 T-step 空间相移采样莫尔条纹图案在 x 通过改变方向 x 到 y 在步骤 3.3.3 中，更改图像高度 H 图像宽度 W，以及改变 y 到 x 在步骤 3.3.4-3.3.6 中。 
		注意：采样间距在 x 方向可能与之不同 y 方向。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>变形后采样莫尔条纹的生成
	<ol>
		<li>在不同载荷下打开所有网格图像。假设网格图像的数量为 N.</li>
		<li>生成 N 组别 T-step 空间相移莫尔条纹在 y 通过重复步骤 3.3.3-3.3.6 改变方向 N 次。</li>
		<li>生成 N 组别 T-step 空间相移莫尔条纹在 x 通过重复步骤 3.3.7 来确定方向 N 次</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 加载试验中试件的变形测量
<ol>
	<li>变形前后莫尔条纹强度的测定
	<ol>
		<li>提取强度 T变形前的-step莫尔条纹 y 步骤 3.3.5 和 3.3.6 中的方向；确定这些莫尔条纹的强度 x 步骤 3.3.7 中的方向。描述 T步骤（T ≥2）变形前的莫尔条纹强度 j (j = x, y）方向，使用以下公式23: 
		<img alt="静力平衡方程；ΣFx=0。用于物理教学的数学公式示意图。" src="/files/ftp_upload/55739/image001.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> (1) 
		其中 pj 变形前的网格间距 j (j = x, y）方向， A 是调制后的振幅，且 D 包括背景和较高频率的强度。</li>
		<li>提取强度的 T变形后的-step莫尔条纹 y 步骤3.4.2中的方向，并确定这些莫尔条纹的强度 x 步骤3.4.3中的方向。描述 T步骤（T 变形后的莫尔条纹强度（≥ 2） j (j = x, y）方向，使用与上述相同的公式（公式 1），通过改变 Imj(k), pj, A，以及 D 到 I'm,j(k), p'j, A，和 D，分别表示变形后的量，其中上标单引号表示变形后。 
		注意：如果采样间距为 T ≥ 3 个像素，忽略此步骤并跳至步骤 4.3。</li>
	</ol>
	</li>
	<li> 
	<ol>
		<li>从两步采样莫尔强度之间的乘法干涉重构倍增莫尔条纹图1a）在变形前使用以下公式23 
		<img alt="光学中的干涉图样公式，显示余弦变化；与波的相干性相关。" src="/files/ftp_upload/55739/image002.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 2"> (2) 
		其中 I多,j 表示重建的乘法莫尔条纹的强度 j ( j = x, y变形前的方向。</li>
		<li>使用条纹居中技术对变形前重建的倍增莫尔条纹进行处理24. 分配连续的整数和半整数 fj = [1, 1.5, 2, 2.5, …] 对应于重构的倍增莫尔条纹中心线处的条纹级次。 
		注意：如果倍增莫尔条纹过于密集，可先确定两步采样莫尔的条纹级次（即，fj(0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, …] 且 fj(1) = [0, 1.5, 0, 2.5, 0, 3.5, …])。乘法莫尔条纹的条纹级次将为 fj = fj(0) + fj(1) = [1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, …]。刚体位移不会影响应变结果。</li>
		<li>使用以下公式测量试样在变形前相对于采样间距的相对应变23 
		<img alt="静力平衡方程；偏导数；研究公式；参数指数分析" src="/files/ftp_upload/55739/image003.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 3"> (3) 
		<img alt="剪切应变张量公式，数学方程，流体动力学分析，偏导数" src="/files/ftp_upload/55739/image004.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 4"> (4) 
		其中 uj_rela 和 εj_rela 表示试样在变形前的相对位移和相对应变 j (j = x, y）方向，分别地，并 γxy_rela 表示变形前的相对剪切应变。</li>
		<li>重复步骤 4.2.1–4.2.3，以测定试样在 x 和 y 方向变形后的相对应变 N 次数，更换 I多,j, Imj(0), Imj(1), pj, A, D, uj_rela (j = x, y), εj_rela，以及 γxy_rela 在公式(2)-(4)中 I'多,j, I'mj(0), I'mj(1), p'j, A', D', u'j_rela (j = x, y) ε'j_rela，以及 γ'xy_rela分别表示变形后的量，其中上标单引号表示变形后。</li>
		<li>测定实际正应变 εj 在 j (j = x, y方向，即网格间距的相对变化与剪切应变， γxy, 即由变形前后相对应变引起的试样网格角度的绝对变化量20. 
		<img alt="数学公式；物理或工程分析中变量 x、y 的 εj 关系" src="/files/ftp_upload/55739/image005.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 5"> (5) 
		<img alt="静力平衡分析中剪应力分量 γxp 的方程。" src="/files/ftp_upload/55739/image006.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 6"> (6)</li>
	</ol>
	</li>
	<li>采样间距下的变形测量 T ≥ 3 像素
	<ol>
		<li>计算采样莫尔条纹的相位 j (j = x, y变形前的)方向 k = 0 (图1b) 使用空间相移技术21 
		<img alt="相位计算公式，arctan，三角函数和，用于信号分析，方程图像。" src="/files/ftp_upload/55739/image007.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 7"> (7)</li>
		<li>获取采样莫尔条纹的相位 j (j = x, y形变后恢复原状的方向 k =0 通过替换 φmj 和 Imj(k在公式（7）中用 φ'mj 和 I'mj(k），其中上标单引号表示变形后。重复 N 时间 N 载荷。 
		注意：如果在步骤 4.3.1 和 4.3.2 的相位分布中存在过多随机噪声，可使用 sin/cos 滤波器25 可用于平滑相位。</li>
		<li>确定采样莫尔条纹的相位差 j (j = x, y）变形前后方向即，Δφmj=φ'mj-φmj).</li>
		<li>测量位移分布 uj，正常菌株 εj 在 j (j = x, y）方向，以及剪切应变 γxy 由载荷引起的试样变形。使用以下公式6,21 
		<img alt="静态平衡，公式：u_j = -p_j/2π Δφ_n,j；力学分析概念。" src="/files/ftp_upload/55739/image008.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 8"> (8) 
		<img alt="静力平衡方程 εj=∂uj/∂j （j=x,y）；力学中的应变公式。" src="/files/ftp_upload/55739/image009.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 9"> (9) 
		<img alt="剪切应变方程 γxy=∂ux/∂y+∂uy/∂x，数学公式示意图。" src="/files/ftp_upload/55739/image010.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 10"> (10) 
		注意：如果应变分布中存在过多噪声，可使用平均平滑滤波器进行处理，滤波器尺寸应小于2个网格间距。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>结果存储
	<ol>
		<li>保存莫尔条纹的数据以及相位（当采样间距为 T ≥3 像素）、位移和应变，以图像形式（如 .tif 或 .bmp 文件）和文本形式（如 .txt 或 .csv 文件）输出。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Weller, R., Shepard, B. <a target="_blank" href="https://science.report/pub/12945776">Displacement measurement by mechanical interferometry.</a> Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).</li>
<li>Kishimoto, S., Egashira, M., Shinya, N. <a target="_blank" href="http://opticalengineering.spiedigitallibrary.org/article.aspx?articleid=1072427">Microcreep deformation measurements by a moiré method using electron beam lithography and electron beam scan.</a> Opt. Eng. 32 (3), 522-526 (1993).</li>
<li>Ifju, P., Han, B. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s11340-010-9404-9">Recent applications of moiré interferometry.</a> Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).</li>
<li>Zhang, H., Wu, C., Liu, Z., Xie, H. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/25/9/095002">A curved surface micro-moiré method and its application in evaluating curved surface residual stress.</a> Meas. Sci. Technol. 25 (9), 095002(2014).</li>
<li>Zhang, H., Liu, Z., Wen, H., Xie, H., Liu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subset+geometric+phase+analysis+method+for+deformation+evaluation+of+HRTEM+images%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Subset geometric phase analysis method for deformation evaluation of HRTEM images.</a> Ultramicroscopy. 171, 34-42 (2016).</li>
<li>Wang, Q., Kishimoto, S., Xie, H., Liu, Z., Lou, X. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0026271412005094">In situ high temperature creep deformation of micro-structure with metal film wire on flexible membrane using geometric phase analysis.</a> Microelectron. Reliab. 53 (4), 652-657 (2013).</li>
<li>Wang, Q., Kishimoto, S. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/22/10/105021">Simultaneous analysis of residual stress and stress intensity factor in a resist after UV-nanoimprint lithography based on electron moiré fringes.</a> J. Micromech. Microeng. 22 (10), 105021(2012).</li>
<li>Kishimoto, S., Wang, Q., Xie, H., Zhao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Study+of+the+surface+structure+of+butterfly+wings+using+the+scanning+electron+microscopic+moir%C3%A9+method%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Study of the surface structure of butterfly wings using the scanning electron microscopic moiré method.</a> Appl. Opt. 46 (28), 7026-7034 (2007).</li>
<li>Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+3D+SEM+Moir%C3%A9+method+for+micro+height+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Novel 3D SEM Moiré method for micro height measurement.</a> Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).</li>
<li>Xie, H., Wang, Q., Kishimoto, S., Dai, F. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.2732548">Characterization of planar periodic structure using inverse laser scanning confocal microscopy moiré method and its application in the structure of butterfly wing.</a> J. Appl. Phys. 101 (10), 103511(2007).</li>
<li>Tang, M., Xie, H., Wang, Q., Zhu, J. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/21/5/055110">Phase-shifting laser scanning confocal microscopy moiré method and its applications.</a> Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055110(2010).</li>
<li>Xie, H., Kishimoto, S., Asundi, A., Boay, C. G., Shinya, N., Yu, J., Ngoi, B. K. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-4484/11/1/305">In-plane deformation measurement using the atomic force microscope moiré method.</a> Nanotechnology. 11 (1), 24(2000).</li>
<li>Xie, H., Liu, Z., Fang, D., Dai, F., Gao, H., Zhao, Y. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/15/9/007">A study on the digital nano-moiré method and its phase shifting technique.</a> Meas. Sci. Technol. 15 (9), 1716(2004).</li>
<li>Wang, Q., Kishimoto, S., Yamauchi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-directional+structural+characterization+of+hexagonal+packed+nanoparticles+by+hexagonal+digital+moir%C3%A9+method%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Three-directional structural characterization of hexagonal packed nanoparticles by hexagonal digital moiré method.</a> Opt. Lett. 37 (4), 548-550 (2012).</li>
<li>Liu, Z., Lou, X., Gao, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816609003054">Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moiré methods.</a> Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).</li>
<li>Li, Y., Xie, H., Chen, P., Zhang, Q. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/22/2/025301">Theoretical analysis of moiré fringe multiplication under a scanning electron microscope.</a> Meas. Sci. Technol. 22 (2), 025301(2010).</li>
<li>Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Kaźmierczak, P. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/24/3/035402">AFM nanomoiré technique with phase multiplication.</a> Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402(2013).</li>
<li>Wang, Q., Ri, S., Takashita, Y., Ogihara, S., et al. Chapter 33: Full-field measurements of principal strains and orientations using moiré fringes. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-22446-6">Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics</a>. Yoshida, S., et al. 3, Springer. 251-259 (2017).</li>
<li>Wang, Z., Han, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+iterative+algorithm+for+phase+extraction+of+randomly+phase-shifted+interferograms%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms.</a> Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).</li>
<li>Wang, Q., Xie, H., Hu, Z., Zhang, J., Sun, J., Liu, G. <a target="_blank" href="https://www.scientific.net/AMM.83.185">Residual thermo-creep deformation of copper interconnects by phase-shifting SEM moiré method.</a> Appl. Mech. Mater. 83, 185-190 (2011).</li>
<li>Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s11340-009-9239-4">Sampling moiré method for accurate small deformation distribution measurement.</a> Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).</li>
<li>Ri, S., Muramatsu, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+error+analysis+of+the+sampling+moir%C3%A9+method+and+phase+compensation+methodology+for+single-shot+phase+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Theoretical error analysis of the sampling moiré method and phase compensation methodology for single-shot phase analysis.</a> Appl. Opt. 51 (16), 3214-3223 (2012).</li>
<li>Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+sampling+Moir%C3%A9+as+a+substitute+for+microscope+scanning+Moir%C3%A9+for+high-sensitivity+and+full-field+deformation+measurement+at+micron%2Fnano+scales%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Digital sampling Moiré as a substitute for microscope scanning Moiré for high-sensitivity and full-field deformation measurement at micron/nano scales.</a> Appl. Opt. 55 (25), 6858-6865 (2016).</li>
<li>Dai, F., Wang, Z. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/263926500_Automatic_fringe_patterns_analysis_using_digital_processing_techniques_I_Fringe_center_method">Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method.</a> Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).</li>
<li>Gutmann, B., Weber, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase-shifter+calibration+and+error+detection+in+phase-shifting+applications%3A+a+new+method%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method.</a> Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).</li>
<li>Wang, Q., Kishimoto, S., Tanaka, Y., Kagawa, Y. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816613000845">Micro/submicro grating fabrication on metals for deformation measurement based on ultraviolet nanoimprint lithography.</a> Opt. Lasers Eng. 51 (7), 944-948 (2013).</li>
<li>Min-Jin, T., Hui-Min, X., Yan-Jie, L., Xiao-Jun, L., Dan, W. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/29/9/098101">A new grating fabrication technique on metal films using UV-nanoimprint lithography.</a> Chin. Phys. Lett. 29 (9), 098101(2012).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

在所述技术中，若试样上不存在周期性图案，则微/纳米级网格或光栅（简称网格）的制备26是一个具有挑战性的步骤。变形前网格节距必须均匀，因为这是变形测量的重要参数。如果材料为金属、金属合金或陶瓷，可采用紫外或加热纳米压印光刻（NIL）27、电子束光刻（EBL）2、聚焦离子束（FIB）刻蚀6或网格复制法26。如果材料含有弱聚合物，则不建议使用EBL和FIB刻蚀。当材料的某一组分不耐热时，不能使用加热NIL。若试样为薄膜，由于难以分离试样，网格复制法难以应用。
使用所提出技术在变形前后对网格图像进行应变测量的关键步骤是生成采样莫尔条纹22，其原理不同于传统干涉莫尔条纹的形成原理。为生成清晰的采样莫尔条纹，建议采用低通滤波器（如傅里叶变换算法）以抑制不必要的线条或斑点。若在下采样后采样莫尔条纹仍不清晰（<em...

微/纳米尺度的变形测量对于评估先进材料的力学性能、失稳行为、残余应力及裂纹产生至关重要。由于光学技术具有非接触、全场和无损的特点，过去几十年已发展出多种用于变形测量的光学方法。近年来，微/纳米尺度变形测量技术主要包括莫尔法1,2,3,4、几何相位分析法（GPA）5,6、傅里叶变换（FT）、数字图像相关法（DIC）以及电子散斑干涉测量法（ESPI）。在这些技术中，GPA 和 FT 因存在多个频率成分而不适用于复杂的变形测量；DIC 方法虽然简单，但由于其变形载体为随机散斑，抗噪能力较差；而 ESPI 则对振动极为敏感。
在微/纳米尺度莫尔方法中，目前最常用的方法是显微镜扫描莫尔法，例如电子扫描莫尔7,8,9、激光扫描莫尔10,11和原子力显微镜（AFM）莫尔12，以及一些基于显微镜的莫尔方法，如数字/叠加莫尔13,14,15法和倍增/分数莫尔法16,17。扫描莫尔法具有视场大、分辨率高、对随机噪声不敏感等优点。然而，传统的扫描莫尔法在二维应变测量中存在不便，因为需要将样品台或扫描方向旋转90°，并进行两次扫描才能获得两个方向的莫尔条纹18。旋转操作和双重扫描过程会引入旋转误差，且耗时较长，严重影响二维应变的测量精度，尤其是剪切应变的测量。尽管时间相移技术19,20可以提高变形测量的精度，但它需要额外时间，并依赖特殊的相移装置，不适用于动态测试。
采样莫尔法21,22在位移测量中具有高精度，目前主要用于汽车通过时桥梁的挠度测量。为了将采样莫尔法扩展至微/纳米尺度的二维应变测量，研究人员基于2像素采样莫尔条纹新开发了重构乘法莫尔法23，该方法的测量灵敏度提高了一倍，同时保持了扫描莫尔法的大视野优势。此外，还基于多像素采样莫尔条纹发展了空间相移采样莫尔法，可实现高精度的应变测量。本实验方案将介绍详细的应变测量步骤，有望帮助科研人员和工程师掌握变形测量技术，从而改进材料和产品的制造工艺。

<table><tbody><tr><td>自动抛光机</td><td>Marumoto Struers K.K.</td><td>LaboPol-30, Labor Force-100</td><td></td></tr><tr><td>碳纤维增强塑料</td><td>Mitsubishi Plastics, Inc.&amp;nbsp;</td><td>HYEJ16M95DHX1</td><td></td></tr><tr><td>计算机</td><td>DELL Japan</td><td>VOSTRO</td><td>可用支持 C++ 编程语言的其他计算机替代</td></tr><tr><td>图像记录软件</td><td>Lasertec Corporation</td><td>LMEYE7</td><td>安装于激光扫描显微镜中</td></tr><tr><td>离子镀膜仪</td><td>Japan Electron Optics Laboratory Ltd.</td><td>JEC3000F</td><td></td></tr><tr><td>激光扫描显微镜</td><td>Lasertec Corporation</td><td>OPTELICS HYBRID</td><td></td></tr><tr><td>纳米压印设备</td><td>Japan Laser Corporation&amp;nbsp;</td><td>EUN-4200</td><td>可用电子束光刻设备或聚焦离子束刻蚀设备替代</td></tr><tr><td>纳米压印模具</td><td>SCIVAX Corporation</td><td>3.0&amp;mu;m 节距</td><td>定制</td></tr><tr><td>纳米压印抗蚀剂</td><td>Toyo Gosei Co., Ltd&amp;nbsp;</td><td>PAK01</td><td></td></tr><tr><td>抛光液</td><td>Marumoto Struers K.K.</td><td>DP-Spray P 15&amp;mu;m, 1&amp;mu;m, 0.25&amp;mu;m</td><td>由粗到细依次使用</td></tr><tr><td>移液管</td><td>AS ONE Corporation</td><td>10 mL</td><td></td></tr><tr><td>砂纸</td><td>Marumoto Struers K.K.</td><td>SiC Foil #320, #800</td><td>由粗到细依次使用</td></tr><tr><td>旋涂仪</td><td>MIKASA Corporation</td><td>MS-A100</td><td></td></tr></tbody></table>

基于采样莫尔条纹的微/纳米尺度应变分布测量

Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moir&#233; Fringes

本文介绍了用于全场微/纳米尺度变形测量的采样莫尔技术的测量步骤与原理。该技术可通过两种方式实现：采用重构乘法莫尔法或空间相移采样莫尔法。当试样栅格节距约为2个像素时，生成2像素采样莫尔条纹，用于重构乘法莫尔图样以进行变形测量。此时，在相同的宽视场下，位移与应变灵敏度均为传统扫描莫尔法的两倍。当试样栅格节距约为3个像素或更大时，生成多像素采样莫尔条纹，并结合空间相移技术实现全场变形测量。该方法显著提高了应变测量精度，且易于实现自动批量测量。两种方法均可仅凭单幅栅格图像测量二维（2D）应变分布，无需像传统莫尔技术那样旋转试样或扫描线条。作为示例，本文在三点弯曲试验中测量了两种碳纤维增强塑料试样的二维位移与应变分布，包括剪切应变。该技术有望在多种材料的力学性能、裂纹产生及残余应力的无损定量评估中发挥重要作用。

根据莫尔条纹形成原理23及测量流程（图1），测量了两种碳纤维增强塑料（CFRP）试样（#1 和 #2）的二维位移与应变分布。CFRP 试样由直径为 10-11 µm 的 K13D 碳纤维和环氧树脂制成。CFRP #1 的变形通过两步采样莫尔条纹的重构乘法莫尔法确定，而 CFRP #2 的变形则通过三步采样莫尔条纹的空间相移采样莫尔法测量。
A) 碳纤维增强复合材料 #1 的变形测量
CFRP #1 的厚度、长度和宽度分别为 1 mm、22 mm 和 4 mm（图 2a）。所有纤维的长度方向均垂直于经过砂纸和抛光液抛光处理的 1 × 22 mm2 表面。...

本文介绍了一种采用2像素和多像素采样方法的采样莫尔技术，用于在微/纳米尺度上进行高精度应变分布测量。

本研究介绍了用于全场微/纳米尺度变形测量的采样莫尔技术的测量原理与操作流程。

本实验的总体目标是利用双像素或多像素采样莫尔方法，在微米或纳米尺度上精确测量材料的应变分布。

micronano-scale-strain-distribution-measurement-from-sampling-moir

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科研

JoVE Journal

Engineering

工程

微米/纳米尺度应变分布测量从采样莫尔条纹

本文展示了一种基于磁性颗粒在细菌生物膜中植入并利用特制磁镊进行远程操控的原创方法，用于测量 原位...

远程磁控微米级探针 原位 细菌生物膜物理特性的三维映射

一种参考干涉仪技术被用于探测超高品质因子微腔，该技术旨在消除纳米探测中的不良激光抖动噪声。本文提供了装置的组装、调试和数据采集说明，以及用于确定腔体品质因子的测量过程。...

用于纳米检测的参考干涉仪实现

本文描述了用于量化贴壁细胞与微结构基底之间机械相互作用的实验方案。这些相互作用与细胞迁移、增殖、分化和凋亡等基本细胞行为密切相关。本方案介绍了一款名为 MechProfiler...

微柱阵列上简便而精确的力学表征

我们描述了使用数字图像相关技术来表征经受单轴拉伸试验的血管组织样本表面局部应变场的方法。这些测量有助于精确量化样本的力学响应，并建立本构应力-应变关系。...

利用数字图像相关技术表征血管组织样本上的局部应变

使用宏观样品来分离电致辅助变形（EAD）中的电学效应和热学效应非常困难。已开发出金属样品的微纳米结构以及定制的测试程序，用于评估施加电流对样品中位错形成及演化的影响，且排除焦耳热的干扰。...

一种新方法 原位 纳米尺度样品的机电性能表征

我们报道了在与同步辐射X射线联用的多面砧变形装置中对岩石和矿物集合体进行压缩实验的详细步骤。此类实验能够量化样品内部的应力分布，从而为地质材料中的压实过程提供深入认识。...

利用基于同步辐射的X射线衍射研究岩石与矿物聚集体在冷压缩过程中的应力分布

采用一种结合裂纹扩展速率测量与应变场分析的新方法，研究微结构尺度下疲劳短裂纹的扩展行为，以揭示晶粒尺度以下的累积变形场。...

使用数字图像相关法对微结构小疲劳裂纹扩展进行全场应变测量

本研究展示了一种应变测量传感器，该传感器由放大机构和利用改进型3D打印机制造的聚二甲基硅氧烷显微镜组成。...

使用改进型3D打印机生产应变测量装置

本方案提供了实施多光子光刻技术的详细步骤，用于在基于聚乙二醇的水凝胶中制备三维荧光基准标记阵列，作为无需参考物的牵引力显微镜检测平台。通过本方案，可简化三维材料应变的测量及细胞牵引力的计算，从而实现高通量牵引力测量。...

无参考牵引力显微镜平台的构建与应用

本文介绍了一种用于测量肌腱离体组织内局部二维组织应变的开源数字图像相关算法。该技术的准确性已通过多种方法得到验证，并可供公众使用。...

测量肌腱中的局部组织应变 通过 开源数字图像相关法

本方案介绍了一种压缩测试装置的配置方法，该装置能够精确测量微结构在小应变区域内的力学性能，同时提供使用该装置进行压缩测试的系统性方法。所提出的装置可用于分析多种微结构以及聚合物基材料的力学行为。...

小应变下压缩应力-应变响应的测量

学习采样莫尔条纹技术，用于微米/纳米尺度全场变形测量。该方法通过重构乘法莫尔法和空间相移采样莫尔法，实现高灵敏度二维应变分析，适用于碳纤维增强塑料等材料的非破坏性力学性能评估。

基于采样莫尔条纹的微/纳米尺度应变分布测量

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