Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Измерение распределения микро / наномасштабных деформаций по выборке Муаровые обводки

Published: May 23, 2017 doi: 10.3791/55739
Automatic Translation
1, 1, 1
1Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Summary

Здесь представлена ​​методика сэмплирования муара с использованием методов выборки 2-х пикселов и много пикселов для высокоточных измерений распределения деформации в микро / наномасштабном масштабе.

Abstract

В этой работе описывается процедура измерения и принципы метода отбора проб муара для полномасштабных измерений деформации микро / наномасштабных деформаций. Разработанная методика может быть выполнена двумя способами: с использованием реконструированного муарового метода умножения или методом пространственного сдвига фаз с перемещением. Когда шаг сетки образца составляет около 2 пикселей, генерируются 2-пиксельные фрагменты муарового фрагмента, чтобы восстановить шаблон мультипликации муара для измерения деформации. Как смещение, так и деформация чувствительность в два раза выше, чем в традиционном сканировании муара метод в том же широком поле зрения. Когда шаг сетки образца составляет около или больше 3 пикселей, генерируются мульти-пиксельные фрагменты муара, а метод пространственного сдвига фаз объединяется для измерения деформации в полном поле. Точность измерения деформации значительно улучшена, и автоматическое измерение партии легко достижимо.Оба метода могут измерять двумерные (2D) распределения деформации по одноразовому изображению сетки без вращения образца или линий сканирования, как в традиционных муарных методах. В качестве примеров, двумерные смещения и распределения деформации, включая сдвиговые деформации двух образцов, армированных углеродным волокном, были измерены в трехточечных испытаниях на изгиб. Ожидается, что предлагаемая методика будет играть важную роль в неразрушающих количественных оценках механических свойств, трещин и остаточных напряжений в различных материалах.

Introduction

Измерения микро / наномасштабной деформации жизненно необходимы для оценки механических свойств, поведения нестабильности, остаточных напряжений и появления трещин в современных материалах. Поскольку оптические методы являются бесконтактными, полнопольными и неразрушающими, для измерения деформации в течение последних нескольких десятилетий были разработаны различные оптические методы. В последние годы методы измерения микро / наномасштабной деформации в основном включают в себя методы муара 1 , 2 , 3 , 4 , геометрический фазовый анализ (ГПА) 5 , 6 , преобразование Фурье (FT), корреляцию цифровых изображений (DIC) и Интерферометрия электронных спекл-структур (ESPI). Среди этих методов ГПД и ФТ не подходят для комплексных измерений деформации, поскольку существуют многочисленные частоты. Метод DIC - это симНо бессильна от шума, потому что носитель деформации является случайным пятном. Наконец, ESPI сильно чувствителен к вибрации.

Среди методов муара в микро / наномасштабе наиболее распространенными методами в настоящее время являются методы сканирования микроскопа муара, такие как электронное сканирование муара 7 , 8 , 9 , лазерное сканирование муара 10 , 11 и атомно-силовой микроскоп (АСМ) муара 12 , А также некоторые муарные методы на микроскопе, такие как метод цифрового / перекрывающегося муара 13 , 14 , 15 и метод умножения / дробного муара 16 , 17 . Сканирующий муаровый метод имеет много преимуществ, таких как широкое поле зрения, высокое разрешениеИ нечувствительность к случайным шумам. Однако традиционный метод сканирующего муара неудобен для двумерных измерений деформации, поскольку необходимо поворачивать каскад образца или направление сканирования на 90 ° и дважды сканировать, чтобы сформировать муаровые полосы в двух направлениях 18 . Вращение и двойные процессы сканирования приводят к ошибке вращения и занимают много времени, что серьезно влияет на точность измерения 2D-деформации, особенно при деформации сдвига. Хотя временная фазовая методика 19 , 20 может улучшить точность измерения деформации, она требует времени и специального устройства фазового сдвига, непригодного для динамических испытаний.

Метод 21 , 22 выборки муара имеет высокую точность измерения смещения и в настоящее время в основном используется для измерения прогибов на мостах, когда автомобили pжопа. Чтобы расширить метод муара выборки для измерения двумерных деформаций в микро / наномасштабном масштабе, реконструированный муарный метод умножения был недавно разработан 23 из 2-пиксельных муаровых полос, в которых измерения в два раза чувствительнее и широкое поле зрения Метод сканирования moiré. Кроме того, метод пространственного сдвига фазового сдвига муара также разработан на основе мульти-пиксельных муаровых полос, что позволяет проводить высокоточные измерения деформации. Этот протокол представит подробную процедуру измерения деформации и, как ожидается, поможет исследователям и инженерам научиться измерять деформацию, улучшая производственные процессы материалов и изделий.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подтверждение микро / наномасштабной сетки на образце

  1. Обработка образцов
    1. Отрежьте образец до размера, требуемого для конкретного загрузочного устройства, используемого под микроскопом ( например, 1 x 5 x 30 мм 3 ), чтобы поверхность наблюдалась в 1,5 раза большей, чем представляющая интерес область.
    2. Польский образец поверхности, которую необходимо наблюдать ( например, 1 x 30 мм 2 ), последовательно используя крупнозернистую и мелкозернистую бумагу на автоматической полировальной машине ( например, использовать пленку SiC № 320 в течение 3 мин и затем # 800 в течение 1 минуты при 150 об / мин И 30N). После каждого этапа полировки образец очищают водой.
    3. Отполируйте одну и ту же поверхность образца, последовательно используя грубые и мелкие полировальные растворы на автоматической полировальной машине ( например, используйте DP-Spray P 15 мкм в течение 5 мин, P 1 мкм в течение 8 мин и P 0,25 мкм в течение 10 мин при 150 об / мин и 30 Н). Промойте образец водой после каждого полированияG уровень.
  2. Изготовление микро / наномасштабной сетки, если на образце нет периодического образца
    ПРИМЕЧАНИЕ. Этот шаг можно опустить, если существует естественная периодическая структура на микро / наномасштабе на поверхности образца. Выберите способ изготовления сетки из следующего: ультрафиолетовая (УФ) или нагревающая нанонимная литография (NIL) 26 , электронно-лучевая литография (EBL) 2 и фрезерование сфокусированного ионного пучка (FIB) 6 .
    ПРИМЕЧАНИЕ. Процесс изготовления сетки представлен здесь, в качестве примера - UV NIL.
    1. С помощью пипетки опустите 2 мл УФ-резиста на поверхность образца.
    2. Нанесите слой резины на поверхность образца с помощью центрифугирования со скоростью 1500 об / мин в течение 60 секунд.
    3. Пресс пресс-формы наноимпринта к слою резиста под давлением 0,2 МПа. Выставить резист на УФ с длиной волны 375 нм в течение 30 с.
    4. Отделите пресс-форму для наноимпринта от поверхности образца.
    5. Наблюдение сетки на образце с помощью микроскопа
      1. Нанести слой платины или золота толщиной 3-10 нм на поверхность сетки с помощью ионного покрытия ( например, покрытие в течение 30 с при 3 Па с распыляющим током 30 мА).
      2. Поместите образец под лазерный сканирующий микроскоп (LSM) 23 .
        ПРИМЕЧАНИЕ. Также могут использоваться другие микроскопы, такие как просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ) 5 , атомно-силовой микроскоп (АСМ) 12 или сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) 7 .
      3. Отрегулируйте фокус и сохраните одно изображение сетки с помощью микроскопа, нажав «Захват» и «Файл | Экспорт файла изображения» в программном обеспечении для записи изображений микроскопа.
    6. Расчет Шаг сетки (нм или мкм) образца из сетки изображения
      1. Вычислите среднее значение более 10 гр.Id в центральной области изображения сетки, чтобы избежать потенциального влияния сканирования или искажения линзы.
        ПРИМЕЧАНИЕ. Сетка на образце может сохраняться в течение нескольких дней при комнатной температуре.

    2. Приобретение изображений сетки в нагрузочном тесте

    1. Подготовка нагрузочного теста под микроскопом
      1. Закрепите образец на нагрузочном устройстве, таком как растягивающее, сжимающее, нагревательное или электрическое нагрузочное устройство под микроскопом.
        ПРИМЕЧАНИЕ. Если шаг сетки меньше 20 нм, следует использовать TEM или AFM. Если шаг сетки составляет от 20 нм до 10 мкм, можно использовать SEM. Если шаг сетки больше 400 нм, можно использовать LSM.
      2. Установите скорость загрузки ( например, 0,01 мм / с) и шаг увеличения нагрузки или смещения ( например, 0,5 Н / шаг или 0,024 мм / шаг) в соответствии с конкретными требованиями. Предварительно установите нагрузку и смещение в ноль.
      3. Сделать сетку серфингаТуз в плоскости наблюдения. Выберите область интереса при низком увеличении, перемещая или поворачивая ступень образца микроскопа.
      4. Выберите соответствующее увеличение, сделав шаг сетки на изображении более 1,8 × 1 пиксель.
        ПРИМЕЧАНИЕ. Как правило, лучше сделать шаг сетки на изображении более 2 пикселей. Чем больше пикселей соответствует одному шагу сетки, тем выше точность измерения деформации, но тем меньше поле зрения измерения.
    2. Сбор изображений сетки в нагрузочном тесте
      1. Сохраните изображение сетки интересующей области перед загрузкой, нажав «Capture» и «File | Export | Image File» в программе записи изображений микроскопа.
      2. Начните загрузку образца на месте в микроскоп, выполнив первую загрузку ( например, 0,5 Н или 0,024 мм), используя операционное программное обеспечение загрузочного устройства.
      3. записьПосле первого шага нагрузки ( например, при 0,5 Н или 0,024 мм), нажмите кнопку «Capture» и «File | Export | Image File» в программном обеспечении для записи изображений микроскопа. Убедитесь, что увеличение и расстояние до микроскопа остаются неизменными.
      4. Продолжайте загружать образец, нагружая каждый шаг нагрузки с помощью загрузочного устройства. Запишите изображение сетки после каждого шага нагрузки до тех пор, пока образец не будет сломан или пока не будет достигнуто определенное значение ( например, загрузите 19 раз и запишите 19 изображений сетки с шагом 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N с интервалом 0,5 N, или 0,048 мм, 0,072 мм, 0,096 мм, 0,48 мм с интервалами 0,024 мм). Убедитесь, что увеличение и расстояние до микроскопа остаются неизменными.
        ПРИМЕЧАНИЕ. Изображения сетки могут быть сохранены в течение сколь угодно длительного периода времени.

    3. Поколение сэмплинга Муара Фрингес до и после Defоснов уверены, верны

    1. Оценка сетчатых ячеек (пикселей) в сетке изображений
      1. Оцените шаг сетки (единица: пиксель) в изображении сетки перед загрузкой, измеряя расстояние между центрами двух соседних точек сетки в программном обеспечении обработки изображений ( например, Microsoft Paint).
      2. Оцените шаг сетки в изображении сетки при максимальной нагрузке.
    2. Определение шага выборки (пиксель)
      1. Переходите к этапу 3.2.2, когда сетка сдвигается до и после деформации между 1.8 и 2.5 пикселями. Переходите к шагу 3.2.3, если шаг сетки до и после деформации находится между 2,4 и 3,6 пикселями. Переходите к шагу 3.2.4, если шаг сетки до и после деформации больше 3,2 пикселя.
      2. Установите шаг выборки в T = 2 пикселя. Перейдите к шагу 3.3.
      3. Установите шаг выборки в T = 3 пикселя. Перейдите к шагу 3.3.
      4. Установите шаг T выборки в положительноеЦелое число в пределах 0.75x и 1.25x сетки смол до и после деформации, определяемой по результатам обильных результатов моделирования 22 .
        ПРИМЕЧАНИЕ. Если есть 2 положительных целых числа, которые соответствуют требованиям шагов 3.2.1 и 3.2.4, лучше выбрать большее целое число в качестве шага выборки. Если имеется 3 или более положительных целых чисел, соответствующих требованиям, то лучше выбрать среднее целое число, если оно немного больше, чем шаг выборки.
    3. Генерация отборных муаровых колечек до деформации
      1. Откройте изображение сетки перед деформацией. Предполагая, что направление x горизонтально вправо, направление y вертикально вниз, а координата (0, 0) находится в верхнем левом углу, вычислите ширину W изображения в направлении x и высоту изображения H в направлении y ,
        ПРИМЕЧАНИЕ. Направление y также можно определить какВертикально вверх.
      2. Перейдите к шагу 3.3.3, чтобы создать муаровые полосы в направлении y . Перейдите к шагу 3.3.7, чтобы создать муаровые полосы в направлении x .
      3. Обработайте изображение сетки на изображении с решеткой, используя фильтр нижних частот (LPF). Например, используйте алгоритм FT для подавления решетки с главным направлением x , где основное направление определяется как направление, перпендикулярное линиям решетки. Установите размер фильтра в соответствии с шагом сетки.
      4. Выровняйте изображение сетки, только извлекая серые значения в нескольких горизонтальных линиях, с шагом шага выборки T ( T ≥ 2) от y = k пикселей ( k = 0) ( рис. 1 ) ( т.е. Значения в строках выборки для y = k пикселей, y = k + T пикселей, ..., y = k + iT пикселей, где i - poЦелое число). Сделайте координату последней строки выборки, k + iT , меньше высоты H изображения.
      5. Сгенерируйте образец муара сэмплинга в направлении y, выполнив интерполяцию интенсивности полного поля (линейную или B-сплайн) изображения с горизонтальными линиями выборки.
      6. Сгенерируйте другие шаблоны муара Т- 1 с выборкой в ​​направлении у , повторив шаги 3.3.4 и 3.3.5 Т- 1 раз, изменив k на шаге с шагом 1 пикселя ( т. Е. Сдвинув начальную точку прореживания до y = k Пикселей, k = 1, ..., T -1).
      7. Используйте те же процедуры, что и в шагах 3.3.3-3.3.6, чтобы создать шаблоны муара с пространственным сдвигом фазы T -фазы в направлении x , изменив x на y на этапе 3.3.3, изменив высоту изображения H до ширины изображения W , И меняя y на x на шагах 3.3.4-3.3.6.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Шаг выборки в направлении x может отличаться от такового в направлении y .
    4. Построение выборки Муаровые обводки после деформации
      1. Откройте все изображения сетки при разных нагрузках. Предположим, что количество изображений сетки равно N.
      2. Создайте N групп пространственных сдвинутых по фазе муаровых полос в направлении у , повторив шаги п. 3.3.3-3.3.6 N раз.
      3. Создайте N групп пространственных сдвинутых по фазе муаровых полос в направлении x , повторив шаг 3.3.7 N раз.

    4. Измерение деформации образца в нагрузочном тесте

    1. Определение интенсивностей усов Муара до и после деформации
      1. Извлечь интенсивности T- ступенчатой ​​муаровой полосы до деформации в tВ направлении шагов 3.3.5 и 3.3.6; Определите те интенсивности муара в направлении x на этапе 3.3.7. Описать интенсивности муара Т-ступеней ( Т ≥ 2) до деформации в направлении j ( j = x , y ), используя следующее уравнение 23 :
        Уравнение 1 (1)
        Где p j - шаг сетки до деформации в направлении j ( j = x , y ), A - модулированная амплитуда, а D включает в себя фон и интенсивности более высоких частот.
      2. Извлеките интенсивность полос муара T- ступеней после деформации в направлении y на этапе 3.4.2 и определите интенсивности муара в направлении x на этапе 3.4.3. Описать интенсивности муара T-ступеней ( T ≥ 2) после деформацииВ направлении j ( j = x , y ) с использованием того же уравнения, что и выше (уравнение 1), путем изменения I m, j ( k ), p j , A и D на I ' m, j ( k ), p ' J , A 'и D ' соответственно, где надстрочная одинарная кавычка означает после деформации.
        ПРИМЕЧАНИЕ. Если шаг выборки составляет T ≥ 3 пикселя, проигнорируйте этот шаг и перейдите к шагу 4.3.
      1. Восстановите муаровые полосы умножения из мультипликативной интерференции между двухступенчатыми интенсивностями муара ( рис. 1a ) перед деформацией, используя следующее уравнение 23
        Уравнение 2 (2)
        Где I multi, j обозначает интенсивность oF реконструированные муаровые полосы умножения в направлении j ( j = x , y ) до деформации.
      2. Обработайте реконструированные муаровые полосы умножения до деформации с использованием техники 24 центрирования кромок. Назначьте последовательные целые числа и полуцелые числа f j = [1, 1.5, 2, 2.5, ...] в крайние порядки в центральных строках восстановленного муара.
        ПРИМЕЧАНИЕ. Если мультипликационные границы муара слишком плотные, то сначала можно определить порядки интервала двухступенчатой ​​выборки муара ( т. Е. F j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] и F j (1) = [0, 1,5, 0, 2,5, 0, 3,5, ...]). Порядок следования строк умножения муара будет равен f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, ...]. Вытеснение твердого тела не повлияет на результат деформации.
      3. Измерьте относительную деформацию образца до деформации относительно шага выборки, используя следующие уравнения 23
        Уравнение 3 (3)
        Уравнение 4 (4)
        Где u j _rela и ε j _rela представляют относительное смещение и относительную деформацию образца до деформации в направлении j ( j = x , y ) соответственно, а γ xy _rela выражает относительную деформацию сдвига до деформации.
      4. Повторите шаги 4.2.1-4.2.3, чтобы определить относительные деформации образца после деформации в направлениях x и y для N раз, изменяя I multi, j , I m, j (0), I m, j p j , A , D, u j_rela ( j = x , y ), ε j _rela и γ xy _rela в уравнениях (2) - (4) к I ' multi, j , I ' M, j (0), I ' m, j (1), p ' j , A ', D ', u ' j _rela (j = x, y), ε ' j _rela и γ ' xy _rela соответственно , Где надстрочная одинарная кавычка означает после деформации.
      5. Определите фактическую нормальную деформацию ε j в направлении j ( j = x , y ), которое представляет собой относительное изменение шага сетки и деформации сдвига, γ xy , которое является абсолютомE изменение угла сетки образца, вызванное нагрузкой от относительных деформаций до и после деформации 20 .
        Уравнение 5 (5)
        Уравнение 6 (6)
    3. Измерение деформации Когда шаг выборки равен T ≥ 3 пикселя
      1. Вычислить фазу фрагментов муара в полосе j ( j = x , y ) до деформации, когда k = 0 ( рис. 1b ), используя методику пространственного фазового сдвига 21
        Уравнение 7 (7)
      2. Получите фазу отрезков муара выборки в направлении j ( j = x , y ) после деформации, когда k = 0, заменив φ m, j и I m, j ( k ) в уравнении (7) с φ ' m, j и I ' m, j ( k ) соответственно, где надстрочная одинарная кавычка означает после деформации. Повторите N раз для N нагрузок.
        ПРИМЕЧАНИЕ. Если на этапах 4.3.1 и 4.3.2 слишком много случайных шумов в фазовых распределениях, для сглаживания фаз можно использовать фильтр 25 sin / cos.
      3. Определить разность фаз фрагментов муара в направлении j ( j = x , y ) до и после деформации ( т. Е. Δ φ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
      4. Измерьте распределения смещения u j , нормальной деформации ε j в j = x , y ), и деформация сдвига γ xy образца, вызванная нагрузкой. Используйте следующие уравнения 6 , 21
        Уравнение 8 (8)
        Уравнение 9 (9)
        Уравнение 10 (10)
        ПРИМЕЧАНИЕ. Если в распределении деформации слишком много шумов, можно использовать фильтр среднего сглаживания с размером фильтра менее 2 шагов сетки.
    4. Хранение результатов
      1. Сохраните данные полей муара, фазы (когда шаг выборки составляет T ≥3 пикселя), смещения и деформации в формах изображений, таких как .tif или .bmp файлы и текст, например .txt или .csv файлы.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Двумерные распределения смещений и деформаций двух образцов из углепластика (CFRP) (№ 1 и № 2) были измерены в соответствии с принципом формирования муара 23 и процессом измерения ( рис. 1 ). Образцы CFRP состоят из углеродных волокон K13D диаметром 10-11 мкм и эпоксидных смол. Деформацию CFRP # 1 определяли, используя восстановленный муаровый метод мультиповторения из двухступенчатых муаровых полос для выборки, а показатель CFRP # 2 измеряли с использованием метода пространственного сдвига фазового сдвига муара с трехшаговой выборки муаровых полос.

A) Измерение деформации CFRP # 1

Толщина, длина и ширина углепластика №1 составляли 1 мм, 22 мм и 4 мм соответственно ( рис. 2а ). Длина dНаправление всех волокон было перпендикулярно поверхности 1 × 22 мм 2 , которая была отполирована с использованием песчаных бумаг и полировальных растворов. Сетка с шагом 3,0 мкм была изготовлена ​​на полированной поверхности с использованием ультрафиолетовой нанонимной литографии ( рис. 2b ). На нижнюю поверхность 4 × 22 мм 2 наклеили тензодатчик для контроля наибольшей деформации растяжения.

Испытание на изгиб с тремя точками проводили на CFRP # 1, используя нагрузочное приспособление с опорным пролетом 16 мм под лазерным сканирующим микроскопом. Соотношение пролета к глубине составило 16 в соответствии со стандартами Американского общества по испытанию материалов (ASTM). Изображения сетки, когда значения тензодатчика были 0 и 0,00533 ( рис. 2b ), были записаны. Увеличение объектива микроскопа было 5 ×, а разрешение сканирования - 1024 × 1024. Направление х горизонтальноНаправо и направление y вертикально вверх.

Поскольку шаг сетки на CFRP # 1 в обоих направлениях x и y составлял приблизительно 2 пикселя в записанном изображении, для сэмплов деформации в двух направлениях были установлены T = 2 пикселя. Чтобы избежать потенциального влияния сканирующего искажения, в качестве интересующей области была выбрана центральная область размером 1,26 x 0,53 мм 2 . Из 2-пиксельной сэмплирования и уравнения ( 2 ) после деформации были сформированы двухступенчатые шаблоны муара и реконструированный шаблон муара мультипликации ( рис. 2в ). Используя уравнения (3) и (4), рассчитывали деформацию относительно шага выборки, когда значение тензодатчика составляло 0,00533. Аналогичным образом была получена относительная деформация, когда значение тензодатчика было равно 0. Наконец, фактические распределения деформаций, inc( 2 ), 2D нормальных деформаций и деформации сдвига ( рис. 2д ) были измерены с помощью уравнений (5) и (6).

Из распределений смещений ( рис. 2d ) смещение направления по оси x положительно в верхнем левом и нижнем правом углах, но отрицательно в двух других углах. Сдвиг направления по оси y отрицательный во всей области и как минимум в центральной области. Это хорошо согласуется с деформационными особенностями образца изгиба. Из распределений деформаций ( рис. 2д ) верхняя область имеет сжимающую деформацию в направлении х, но растягивающую деформацию в направлении у , а нижняя область имеет растягивающую деформацию в направлении х, но сжимающую деформацию в направлении у , демонстрируя интересную деформацию сharacteristic. Наклон сдвига отрицательный в левой области и положительный в правой области, соответствующий свойству изгиба.

B) Измерение деформации CFRP # 2

Толщина, длина и ширина ламинированного углепластика 2 составляли 1 мм, 30 мм и 5 мм соответственно ( фиг. 3а ). Было 8 слоев, и толщина каждого слоя составляла 0,13 мм. Направление длины всех волокон было перпендикулярно поверхности 1 х 30 мм 2 , которая была отполирована с использованием песчаных бумаг и полировальных растворов. Затем на полированной поверхности была изготовлена ​​сетка с шагом 3,7 мкм с использованием ультрафиолетовой нанонимной литографии ( рис. 3b ).

Испытание на изгиб с тремя точками проводили с использованием загрузочного приспособления с опорным пролетом 16 мм под лазерным сканирующим микроскопом. Промежуток времениEpth было также 16. Сначала было зарегистрировано изображение сетки при предварительном натяжении 0,2 Н. Когда нагрузка составляла 10,8 Н, а прогиб составлял -200 мкм, изображение деформированной сетки также записывалось ( фиг. 3b ). Увеличение объектива микроскопа было 5x, увеличение при отображении - 120%, а разрешение сканирования - 1024 × 1024 пикселя. Направленность x направлена ​​горизонтально вправо, а направление y вертикально вверх.

Поскольку шаг сетки на CFRP # 2 в обоих направлениях x и y составлял около 3 пикселей в записанном изображении, для образцов с понижением частоты выборки в двух направлениях был задан T = 3 пикселя для измерения деформации. Чтобы избежать потенциального влияния сканирующего искажения, в качестве интересующей области была выбрана центральная область размером 1,15 x 0,49 мм 2 . Используя метод, описанный в шаге 4.3, муаровая фаза disБыли получены распределения при 0,2 Н и 10,8 Н в направлениях х и у ( рис. 3в ). Были определены распределения 2D смещений в плоскости ( рис. 3d ), 2D нормальных деформаций и деформации сдвига ( рис. 3e ).

Характеристики распределения смещения ( рис. 3d ) CFRP # 2 аналогичны характеристикам CFRP # 1 ( рисунок 2d ), за исключением того, что смещение направления y слегка отличается. Характеристики штамма x- direction и сдвиговой деформации CFRP # 2 ( рис. 3e ) также аналогичны характеристикам CFRP # 1 ( рис. 2e ), что согласуется с характеристиками деформации образца изгиба. Тем не менее, у- направление деформации CFRP # 2 ( рис. 3e ) отличаетсяЧем у CFRP # 1, потому что CFRP # 2 является ламинированным образцом. Из распределения напряжения у- направления можно наблюдать несколько слоев, что почти отрицательно по всей площади.

Рисунок 1
Рисунок 1: Принцип формирования муара из выборки и процесс измерения. ( A ) Принцип генерации реконструированного муара из 2-пиксельных фрагментов муара, когда шаг выборки равен T = 2 пикселя. ( B ) Принцип формирования многошаговых фазовых сдвиговых муаровых полос и процесс измерения фазы муара, когда шаг выборки составляет T ≥ 3 пикселя. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

р-together.within-страница = "1"> фигура 2
Рисунок 2: Результаты измерения деформации CFRP # 1. ( А ) Экспериментальная установка трехточечного испытания на изгиб под лазерным микроскопом и диаграмма образца. ( B ) Наблюдаемая поверхность CFRP # 1 с микросети. ( C ) Двухступенчатые шаблоны муара-выборки и реконструированный шаблон муара мультипликации, когда значение тензодатчика было 0,00533. ( D ) Измеренные распределения смещений в направлениях x и y . ( E ) Измеренные распределения направления x, направления y и сдвиговых деформаций CFRP # 1. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55739 / 55739fig3.jpg "/>
Рисунок 3: Результаты измерения деформации ламинированного углепластика №2. ( А ) Схема трехточечного испытания на изгиб под лазерным микроскопом. ( B ) Наблюдаемая поверхность CFRP # 2 с микросети. ( C ) Распределенные фазы (диапазон: -π ~ π) распределения отрезков муара для выборки при предварительном напряжении 0,2 Н и нагрузке 10,8 Н в направлениях х и у . ( D ) Измеренные смещения в направлениях x и y , где отклонение (-200 мкм) в направлении y не отображается. ( E ) Измеренные распределения направления x, направления y и сдвиговых деформаций CFRP # 2. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В описываемом способе одним из стимулирующих шагов является микро / наномасштабная сетка или решетка (сокращенно называемая сеткой) 26, если на образце не существует периодической картины. Шаг сетки должен быть однородным до деформации, поскольку он является важным параметром для измерения деформации. Если материалом является металл, металлический сплав или керамика, УФ или нагревающая нанонимная литография (NIL) 27 , электронно-лучевая литография (EBL) 2 , сфокусированное ионно-лучевое (FIB) 6 или метод сетчатой ​​дубликации 26 могут быть используемый. Если материал содержит слабый полимер, EBL и FIB фрезерование не предлагаются. Когда компонент материала не является жаропрочным, нагрев NIL не может быть использован. Если образец представляет собой тонкую пленку, метод дублирования сетки трудно применять, поскольку отделить образец нелегко.

Критический шаг дляИзмерение деформации сетчатого изображения до и после деформации с использованием предлагаемой методики представляет собой формирование дискретизированных муаровых полос 22 , принцип которых отличается от принципа формирования обычных интерференционных муаровых полос. Для создания четких фрагментов муара выборки предлагается фильтр нижних частот, такой как FT-алгоритм, для подавления нежелательных линий или точек. Если фрагменты муара сэмплинга нечеткие после сэмплирования ( т.е. утончения сетчатого изображения) и интерполяции с линейной интенсивностью, фильтр сглаживания, такой как средний фильтр, может быть принят до сэмплирования. Алгоритм интерполяции B-сплайнов второго или даже третьего порядка может быть использован для интерполяции интенсивностей для генерации четких интерференционных полос муара.

По сравнению с традиционными методами муара предложенный метод муара для измерения деформации имеет преимущество бытьС простым двумерным измерением деформации и имеющим простую обработку, высокую скорость, высокую чувствительность к деформации и высокую точность измерения 23 . Измерение двумерной деформации может быть легко выполнено без вращения каскада образца или линий сканирования микроскопа, что необходимо в обычных способах. Кроме того, динамическая деформация может быть измерена, так как требуемая информация является только однократным сетчатым изображением при каждой нагрузке. Этого нельзя добиться с помощью временного муарового сдвига фаз, поскольку необходимы несколько изображений сетки или муара, а также время при каждой нагрузке.

Хотя описанная методика позволяет легко измерять двумерную деформацию на микро / наномасштабе, она имеет свои собственные ограничения 23 , как и любой другой метод. Шаг сетки в записанном изображении должен быть больше 1,8 пикселя, чтобы создать 2-пиксельные или многопиксельные фрагменты муара. Если шаг сетки на изображении составляет около 2 piXels, 2-пиксельная дискретизация муаровых полос может служить заменой микроскопам сканирования муаровых полос с таким же полем зрения при том же увеличении. Однако, если шаг сетки в изображении составляет около 1 пикселя при наивысшем разрешении сканирования микроскопа, когда отдельные сканирующие муаровые полосы можно непосредственно наблюдать, пробоотборные муаровые полосы не смогут сформироваться при одном и том же увеличении. Хотя выборка муаровых полос может быть получена при увеличении увеличения микроскопа, поле зрения для измерения деформации будет уменьшаться. К счастью, разрешения сканирования коммерческих микроскопов улучшаются, и выборка муаровых полос может быть создана в большинстве случаев. Чем выше разрешение сканирования, тем больше пиксель с шагом в одну сетку и тем выше точность измерения деформации.

В отличие от реконструированного муарового метода умножения из 2-пиксельной выборки moiré friNges метод пространственного сдвига фазового сдвига с мультитекловирусными муаровыми полосами имеет более высокую скорость обработки и более высокую точность измерения, но меньшую область обзора. Выбор метода зависит от номера пикселя шага сетки образца или от требуемой точности измерения и поля зрения, если номер пикселя шага сетки образца является контролируемым. Оба метода полезны для проведения измерений неразрушающей деформации и количественной оценки механических свойств, возникновения трещин и роста, остаточных напряжений, обнаружения дефектов, структурных характеристик и т. Д.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана JSPS KAKENHI, грантовыми номерами JP16K17988 и JP16K05996, а также междисциплинарной стратегической программой продвижения инноваций, подраздел D66 «Инновационные измерения и анализ конструкционных материалов» (SIP-IMASM), управляемой кабинетом кабинета. Авторы также признательны докторам. Satoshi Kishimoto и Kimiyoshi Naito из NIMS за свой материал для углепластика.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Automatic Polishing Machine Marumoto Struers K.K. LaboPol-30, Labor Force-100
Carbon Fiber Reinforced Plastic Mitsubishi Plastics, Inc.  HYEJ16M95DHX1
Computer DELL Japan VOSTRO Can be replaced with another computer with C++ programming language
Image Recording Software Lasertec Corporation LMEYE7 Installed in a laser scanning microscope
Ion Coater Japan Electron Optics Laboratory Ltd. JEC3000F
Laser Scanning Microscope Lasertec Corporation OPTELICS HYBRID
Nanoimprint Device Japan Laser Corporation  EUN-4200 Can be replaced with a electron beam lithography device or a focused ion beam milling device
Nanoimprint Mold SCIVAX Corporation 3.0μm pitch Customized
Nanoimprint Resist Toyo Gosei Co., Ltd  PAK01
Polishing Solution Marumoto Struers K.K. DP-Spray P 15μm, 1μm, 0.25μm Use from coarse to fine
Pipet AS ONE Corporation 10mL
Sand Paper Marumoto Struers K.K. SiC Foil #320, #800 Use from coarse to fine
Spin Coater MIKASA Corporation MS-A100

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Weller, R., Shepard, B. Displacement measurement by mechanical interferometry. Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).
  2. Kishimoto, S., Egashira, M., Shinya, N. Microcreep deformation measurements by a moiré method using electron beam lithography and electron beam scan. Opt. Eng. 32 (3), 522-526 (1993).
  3. Ifju, P., Han, B. Recent applications of moiré interferometry. Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).
  4. Zhang, H., Wu, C., Liu, Z., Xie, H. A curved surface micro-moiré method and its application in evaluating curved surface residual stress. Meas. Sci. Technol. 25 (9), 095002 (2014).
  5. Zhang, H., Liu, Z., Wen, H., Xie, H., Liu, C. Subset geometric phase analysis method for deformation evaluation of HRTEM images. Ultramicroscopy. 171, 34-42 (2016).
  6. Wang, Q., Kishimoto, S., Xie, H., Liu, Z., Lou, X. In situ high temperature creep deformation of micro-structure with metal film wire on flexible membrane using geometric phase analysis. Microelectron. Reliab. 53 (4), 652-657 (2013).
  7. Wang, Q., Kishimoto, S. Simultaneous analysis of residual stress and stress intensity factor in a resist after UV-nanoimprint lithography based on electron moiré fringes. J. Micromech. Microeng. 22 (10), 105021 (2012).
  8. Kishimoto, S., Wang, Q., Xie, H., Zhao, Y. Study of the surface structure of butterfly wings using the scanning electron microscopic moiré method. Appl. Opt. 46 (28), 7026-7034 (2007).
  9. Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. Novel 3D SEM Moiré method for micro height measurement. Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).
  10. Xie, H., Wang, Q., Kishimoto, S., Dai, F. Characterization of planar periodic structure using inverse laser scanning confocal microscopy moiré method and its application in the structure of butterfly wing. J. Appl. Phys. 101 (10), 103511 (2007).
  11. Tang, M., Xie, H., Wang, Q., Zhu, J. Phase-shifting laser scanning confocal microscopy moiré method and its applications. Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055110 (2010).
  12. Xie, H., Kishimoto, S., Asundi, A., Boay, C. G., Shinya, N., Yu, J., Ngoi, B. K. In-plane deformation measurement using the atomic force microscope moiré method. Nanotechnology. 11 (1), 24 (2000).
  13. Xie, H., Liu, Z., Fang, D., Dai, F., Gao, H., Zhao, Y. A study on the digital nano-moiré method and its phase shifting technique. Meas. Sci. Technol. 15 (9), 1716 (2004).
  14. Wang, Q., Kishimoto, S., Yamauchi, Y. Three-directional structural characterization of hexagonal packed nanoparticles by hexagonal digital moiré method. Opt. Lett. 37 (4), 548-550 (2012).
  15. Liu, Z., Lou, X., Gao, J. Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moiré methods. Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).
  16. Li, Y., Xie, H., Chen, P., Zhang, Q. Theoretical analysis of moiré fringe multiplication under a scanning electron microscope. Meas. Sci. Technol. 22 (2), 025301 (2010).
  17. Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Kaźmierczak, P. AFM nanomoiré technique with phase multiplication. Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402 (2013).
  18. Wang, Q., Ri, S., Takashita, Y., Ogihara, S., et al. Chapter 33: Full-field measurements of principal strains and orientations using moiré fringes. Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics. Yoshida, S., et al. 3, Springer. 251-259 (2017).
  19. Wang, Z., Han, B. Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms. Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).
  20. Wang, Q., Xie, H., Hu, Z., Zhang, J., Sun, J., Liu, G. Residual thermo-creep deformation of copper interconnects by phase-shifting SEM moiré method. Appl. Mech. Mater. 83, 185-190 (2011).
  21. Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. Sampling moiré method for accurate small deformation distribution measurement. Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).
  22. Ri, S., Muramatsu, T. Theoretical error analysis of the sampling moiré method and phase compensation methodology for single-shot phase analysis. Appl. Opt. 51 (16), 3214-3223 (2012).
  23. Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. Digital sampling Moiré as a substitute for microscope scanning Moiré for high-sensitivity and full-field deformation measurement at micron/nano scales. Appl. Opt. 55 (25), 6858-6865 (2016).
  24. Dai, F., Wang, Z. Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method. Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).
  25. Gutmann, B., Weber, H. Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method. Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).
  26. Wang, Q., Kishimoto, S., Tanaka, Y., Kagawa, Y. Micro/submicro grating fabrication on metals for deformation measurement based on ultraviolet nanoimprint lithography. Opt. Lasers Eng. 51 (7), 944-948 (2013).
  27. Min-Jin, T., Hui-Min, X., Yan-Jie, L., Xiao-Jun, L., Dan, W. A new grating fabrication technique on metal films using UV-nanoimprint lithography. Chin. Phys. Lett. 29 (9), 098101 (2012).

Tags

Engineering Распределение деформаций измерение деформации выборка муара обработка изображений оптический метод микро / наномасштаб композиционные материалы
Измерение распределения микро / наномасштабных деформаций по выборке Муаровые обводки
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H.… More

Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moiré Fringes. J. Vis. Exp. (123), e55739, doi:10.3791/55739 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter