Name: Misurazione della risposta compressiva sforzo-deformazione a deformazione di piccole dimensioni (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-12-05T14:40:00.000+00:00
Duration: 2 min 58 s
Description: Impara a misurare le proprietà meccaniche di microstrutture e materiali polimerici con un dispositivo di compressione a basso costo. Questo metodo offre risultati accurati nella regione di piccola deformazione.

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I consumabili, le attrezzature e i software utilizzati sono elencati nella Tabella dei Materiali.
1. Impostazione del sistema di misurazione
NOTA: La Figura 1 mostra il MS utilizzato per i test di compressione. Lo stadio z è composto da un attuatore lineare controllato da un controller del motore, una parte mobile che fornisce il movimento effettivo lungo l'asse z e una parte fissa di supporto. Il sistema include anche una scheda microcontrollore, un circuito amplificatore operativo, un sensore di forza collegato a un blocco e un laptop.
<ol>
	<li>Muove la parte mobile lungo l'asse z alla velocità impostata usando il controller del motore per applicare un carico compressivo al campione.</li>
	<li>Misura il carico usando un sensore di forza montato sopra un blocco metallico rigido. Il segnale raccolto passa attraverso un circuito amplificatore invertente, viene convertito in segnale digitale dalla scheda microcontrollore e poi trasmesso al software della scheda microcontrollore.</li>
	<li>Installare un misuratore di spostamento laser come mostrato nella Figura 2 per verificare lo spostamento verticale dello stadio z. Dopo aver inviato un segnale di ingresso dal controller del motore, lasciare che la parte mobile dello stadio z si muova verticalmente; I dati di spostamento in tempo reale dell'attuatore lineare embeddedato vengono registrati utilizzando il software di comunicazione seriale.</li>
	<li>Estrai i dati di spostamento utilizzando il software di misurazione del spostamento laser e confrontali per la verifica. NOTA: I dati di spostamento forza-forza vengono registrati simultaneamente utilizzando il software di comunicazione seriale, permettendo di ottenere la curva forza-spostamento sul laptop in tempo reale.</li>
	<li>Osserva e registra la deformazione del campione durante la compressione utilizzando un microscopio digitale. NOTA: Il microscopio digitale e il misuratore laser a spostamento sono utilizzati rispettivamente per l'osservazione del campione e la verifica dello spostamento.</li>
</ol>
2. Circuito di misura
NOTA: La Figura 3 mostra il circuito elettrico equivalente del sensore di forza e le connessioni del circuito di misura che convertono e amplificano le variazioni di pressione dovute a una forza esterna statica in una tensione. Il circuito è composto da una resistenza a retroazione variabile (RF) per il controllo del guadagno, un condensatore (CF) per il taglio delle basse frequenze e la rimozione del rumore, e un amplificatore operativo. Qui, la resistenza del sensore di forza che cambia con la magnitudine della forza applicata esternamente è RS, e la tensione di alimentazione per il sensore e per l'intero circuito è VS. Considerando le caratteristiche dell'amplificatore invertente, VS viene applicato come tensione negativa per garantire che l'uscita sia sempre positiva.
<ol>
	<li>Collega una resistenza a feedback variabile (RF) in parallelo con un condensatore (CF) (per il taglio delle basse frequenze e il filtraggio del rumore) per formare il circuito di feedback.</li>
	<li>Collega i due terminali del circuito di feedback assemblato sopra all'ingresso invertente (−) e all'uscita (VO) dell'amplificatore operativo.</li>
	<li>Collega i due terminali della resistenza del sensore di pressione (RS) all'ingresso invertente (−) dell'amplificatore e a −VS.</li>
	<li>Collega l'ingresso non invertente (+) dell'amplificatore operativo a massa.</li>
	<li>Collega l'uscita (VO) dell'amplificatore operativo al terminale di ingresso A0 della scheda microcontrollore.</li>
	<li>Collegare i terminali V, DD e VSS dell'amplificatore a un alimentatore; applica 5 Va V DD e collega VSS a terra. NOTA: Le impostazioni di tensione per questo amplificatore seguono il metodo suggerito nella scheda tecnica fornita con il sensore di forza per limitare la tensione di uscita all'intervallo 0-5 V. La Figura 3 illustra il circuito equivalente del sensore di forza e il circuito amplificatore invertente. Quando viene applicato un carico esterno statico, la resistenza del sensore (R S) cambia e una corrente del sensore (iS) scorre secondo il rapporto tra la tensione di alimentazione VS (la tensione di riferimento del sensore) e RS. Questo è equivalente alla corrente di uscita (iO) definita dal rapporto tra la tensione di uscita (VO) e la resistenza di retroazione (RF). Applicando la legge delle correnti di Kirchhoff al nodo a nella Figura 3 si ottiene l'Equazione (1). 
	<img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/69680/69680eq1.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1783400419000" data-alt="Equation 1">(1) e VO è definito dall'Equazione (2) sotto il carico esterno a frequenza molto bassa (ω ≅ 0). 
	<img alt="Equazione 2" src="/files/ftp_upload/69680/69680eq2.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1783400419000" data-alt="Equation 2">(2)</li>
</ol>
3. Preparazione del campione (PDMS) e caricamento
<ol>
	<li>Controlla le specifiche standard ASTM D575-91 per il campione di prova di compressione. NOTA: La Figura 4A mostra due stampi cilindrici stampati in 3D, che sono stati preparati in stato pulito prima della fusione PDMS. Uno stampo è progettato con una forma cilindrica identica al campione standard (diametro 28,6 mm ± 0,1 mm, altezza 12,5 mm ± 0,5 mm), mentre l'altro è una versione ridotta di circa un terzo di quella dimensione per adattarsi all'area di rilevamento effettiva del sensore di forza (diametro 9,53 mm).</li>
	<li>Usa il PDMS come materiale di prova e miscela il polimero di base con l'agente di polimerizzazione a un rapporto di massa di 10:1.</li>
	<li>Dopo aver mescolato accuratamente, degasa la miscela a temperatura ambiente (25 °C) e 60 kPa (calibro) per 30 minuti utilizzando un essiccatore a vuoto per rimuovere le bolle d'aria.</li>
	<li>Iniettare 8 mL della miscela in ciascuno dei due stampi preparati stampati in 3D utilizzando una siringa usa e getta per modellare i campioni.</li>
	<li>Polimerizzare tutti i campioni a temperatura ambiente per 24 ore senza alcun trattamento termico aggiuntivo. NOTA: La Figura 4B mostra i campioni PDMS fabbricati, e tre campioni di ciascuna dimensione sono stati preparati in condizioni identiche per consentire il confronto tra i campioni standard e quelli ridotti. La Figura 4C mostra il campione PDMS posizionato sul sensore di forza nell'impostazione del test di compressione. Il campione era centrato sulla regione circolare di rilevamento con la superficie inferiore che entrava completamente in contatto con l'area attiva del sensore di forza.</li>
	<li>Allinea la parte mobile perpendicolare al sensore e centrata sul campione per applicare un carico compressivo normale.</li>
</ol>
4. Calibrazione RF
NOTA: RF è un fattore chiave nel determinare la tensione di uscita nel circuito amplificatore invertente, quindi regolare il valore R F è fondamentale per garantire l'accuratezza e l'affidabilità del MS.
<ol>
	<li>Collegare il sensore di forza all'area di montaggio del campione MTS (cella di carico a 100 N) e impostare il limite di carico sperimentale a 4,4 N.</li>
	<li>Utilizzando il MTS, esegui test di compressione in varie condizioni RF e registra i dati forza-tempo dal sensore di forza almeno tre volte.</li>
	<li>Confrontare i dati forza-tempo ottenuti dal sensore di forza con i dati di misurazione MTS per calcolare l'errore.</li>
	<li>Determina il valore RF che produce il minimo errore basandosi sui risultati della calibrazione. NOTA: La gamma massima di misura del sensore di forza è di 4,4 N. Carichi superiori a questo valore causano saturazione in uscita, quindi è necessaria attenzione nell'impostazione delle condizioni sperimentali. Regolare il valore RF ottimizza il guadagno del circuito per adattarlo ai dati MTS, ed è un passaggio chiave per garantire l'accuratezza complessiva della misurazione del sistema.</li>
</ol>
5. Validazione dello spostamento verticale
<ol>
	<li>Per la validazione dello spostamento, attacca un vetrino di microscopio con un riflettore in alluminio sulla parte superiore della parte mobile dello stadio Z.</li>
	<li>Accendi il sensore di spostamento laser.</li>
	<li>Verifica che il segnale del sensore laser sia stabile. NOTA: Controlla che il LED di emissione laser sul sensore sia verde. Se è arancione, lo strato riflettente di alluminio potrebbe non riflettere correttamente, oppure il range di misura (&lt;1 mm) potrebbe essere stato superato, quindi sono necessarie delle regolazioni.</li>
	<li>Usa il controller del motore per impostare la velocità di trasmissione in modo che la parte mobile si muova a una velocità target di 1 μm/s. Applica le impostazioni come segue:<ol>
		<li>Avvia il software di controllo motore.</li>
		<li>Premi Home Search per eseguire il homing (calibrazione).</li>
		<li>Per impostare la velocità del disco, vai su Parametro/Modalità &lt; Parametro &lt; Velocità del disco, inserisci ogni valore (5, 10 e 100) e poi chiudi la finestra di dialogo.</li>
		<li>Per applicare ogni impostazione di velocità, scegli Selezione Velocità e seleziona ciascuno dei 5, 10 e 100.</li>
		<li>Per impostare la distanza di percorrenza desiderata, inserisci un valore preset di 27.320 punti e premi il pulsante + (start). NOTA: A un valore preimpostato di 27.320 punti, poiché 1 punto corrisponde a 0,0366 μm, la parte mobile scende di un totale di 1000 μm. Il software di controllo motore viene utilizzato costantemente per far funzionare il controller motore durante i test di compressione.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Mentre la parte mobile si muove lungo l'asse z, registra i dati di spostamento dall'attuatore lineare integrato tramite il software di controllo del motore e i dati di spostamento laser tramite il software di misurazione laser.<ol>
		<li>Avvia il software di misurazione del spostamento laser.</li>
		<li>Per le impostazioni di controllo, seleziona Impostazione configurazione avvio &lt; Leggi le impostazioni del controller e premi OK.</li>
		<li>Imposta il tempo di campionamento sotto Impostazioni comuni &lt; Campionamento a 100 μs (Ciclo di campionamento: 100), poi salva le impostazioni e inviale al controller.</li>
		<li>Per monitorare lo spostamento del laser, vai su View Measurement Value &lt; Start measurement value acquisition e osserva i dati di spostamento. NOTA: Il tempo di campionamento è impostato a 10 ms (100 μs × 100 cicli) per acquisire i dati di spostamento laser con sufficiente risoluzione temporale e per minimizzare il rumore del segnale per una misurazione stabile.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Confrontare i dati registrati di spostamento dalle due fonti per valutare l'errore di spostamento e confermare che i valori di spostamento corrispondono a ciascuna impostazione di velocità di trasmissione (5, 10 e 100). Questo garantisce l'affidabilità e la ripetibilità delle misurazioni di spostamento nelle condizioni di velocità bersaglio.</li>
</ol>
6. Valutazione delle proprietà meccaniche del campione ridotto
<ol>
	<li>Collega il sensore di forza alla sommità del blocco usando nastro a doppia faccia, poi usa il monitor seriale del software della scheda microcontrollore per assicurarti che il carico iniziale sia 0 ed eseguire la calibrazione se necessario.<ol>
		<li>Apri e avvia il software della scheda microcontrollore.</li>
		<li>Per configurare la connessione e la porta della scheda, vai su Seleziona Altra scheda e porta &lt; BOARD &lt; Scheda di ricerca, seleziona Arduino Uno e premi OK.</li>
		<li>Inserisci il codice di controllo della scheda microcontrollore e clicca su Verifica, poi su Carica.</li>
		<li>Per controllare le letture del carico, vai su Tools &lt; Serial Monitor. NOTA: Il codice di controllo della scheda microcontrollore è fornito nel File Supplementare 1.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Posiziona il campione stabilmente al centro dell'area di rilevamento efficace del sensore di forza. NOTA: Se il campione è posizionato fuori centro rispetto all'area attiva del sensore, il carico verrà applicato in modo asimmetrico, causando errori di misura elevati.</li>
	<li>Usa il controller del motore per eseguire l'homing (regolazione zero) e imposta la velocità di trasmissione al valore precedentemente convalidato.</li>
	<li>Spingere la parte mobile dello stadio z in modo assiale (verso il basso) per entrare in contatto e quindi applicare un carico al campione.</li>
	<li>Misura la forza trasmessa al campione in tempo reale dal sensore di forza montato sottostante.</li>
	<li>Trasmetti i dati di spostamento della forza al laptop tramite il circuito amplificatore invertente collegato alla scheda microcontrollore e registra simultaneamente forza e spostamento usando software di comunicazione seriale.<ol>
		<li>Avvia il software di comunicazione seriale.</li>
		<li>Connettiti al software della scheda microcontrollore per registrare i dati di forza: vai su Opzioni &lt; Connessione &lt; Opzioni Porta Seriale &lt; Porta, seleziona la porta appropriata e premi OK.</li>
		<li>Connettiti al software di controllo motore per registrare i dati di spostamento: vai su Opzioni &lt; Connessione &lt; Opzioni Porta Seriale &lt; Porta, seleziona la porta appropriata e premi OK.</li>
		<li>Per iniziare la trasmissione dati in tempo reale, vai su Connessione &lt; Connessione &lt; Acquisizione File &lt; Inizio.</li>
		<li>Per fermare e salvare i dati, vai su Connessione &lt; Acquisizione file &lt; Ferma e salva.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Converti i dati di spostamento in deformazione dividendo la variazione di lunghezza (ΔL) per la lunghezza iniziale del campione (L₀), cioè deformazione = ΔL/L₀.</li>
	<li>Contemporaneamente, convertite i dati registrati sulle forze in sollecitazione dividendo la forza (F) per l'area della sezione trasversale (A) del campione, cioè la tensione = F/A.</li>
	<li>La Figura 7 mostra le curve sforzo-deformazione dei campioni di PDMS ridimensionati. Utilizzando software di analisi grafica, calcola la pendenza nella regione iniziale di piccola deformazione per determinare il modulo di compressione. NOTA: Per garantire coerenza e affidabilità dei dati, eseguire tutti i test di compressione almeno tre volte in condizioni identiche. In questo studio, il modulo di compressione del PDMS ottenuto da tre misurazioni ripetute è stato di 1,39 MPa ± 3,7%.</li>
</ol>

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<li>Babapour, F., Faraji Rad, Z., Ganji, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanics+of+dissolving+microneedles+insertion+into+the+skin%3A+Finite+element+and+experimental+analyses%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Polym+Sci%22%5BJournal%5D)">Mechanics of dissolving microneedles insertion into the skin: Finite element and experimental analyses.</a> J Appl Polym Sci. 141, e55973(2024).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>Stampante 3D</td><td>Stratasys</td><td>Objet30 Prime</td><td>Fabbricazione di due tipi di stampi PDMS</td></tr><tr><td>Alluminio</td><td>Favore di Ningbo</td><td>Rivestimento della lamina di silicone (stagnola antiaderente 01)</td><td>Formazione di riflettore laser per la misurazione dello spostamento verticale</td></tr><tr><td>Breadboard</td><td>E-CALL</td><td>EIC-108J</td><td>Per la configurazione sperimentale dei circuiti</td></tr><tr><td>Capactior(CF)</td><td>Knowles / Cornell Dubilier (CDE)</td><td>CD15ED470GO3F</td><td>Filtraggio del rumore e stabilizzazione del circuito di amplificazione</td></tr><tr><td>Microscopio digitale</td><td>Hirox</td><td>KH-7700</td><td>Osservazione della forma del campione e verifica dimensionale</td></tr><tr><td>Sensore di forza</td><td>Tekscan</td><td>FlexiForce A301-1</td><td>La misurazione del carico, la risoluzione e la linearità sono importanti</td></tr><tr><td>Software per l'analisi dei grafi</td><td>OriginLab</td><td>OriginPro 2024</td><td>Analisi dei grafi</td></tr><tr><td>Laptop</td><td>qualsiasi</td><td>qualsiasi</td><td>Elemento fondamentale per il controllo software</td></tr><tr><td>Software per la misurazione dello spostamento laser</td><td>Keyence Corporation</td><td>LK-Navigator 1.52</td><td>Software per la misurazione dello spostamento verticale</td></tr><tr><td>Misuratore di spostamento laser</td><td>Keyence Corporation</td><td>LK-G10</td><td>Apparecchiature di misurazione dello spostamento verticale</td></tr><tr><td>Scheda microcontrollore</td><td>Arduino</td><td>A000067</td><td>Unità di controllo principale per l'intero segnale di sistema, incluse le schede basate su Arduino/STM</td></tr><tr><td>Software per la scheda microcontrollore</td><td>Arduino</td><td>Arduino IDE 2.3.3</td><td>Software di controllo del segnale dell'intero sistema</td></tr><tr><td>Vetri al microscopio</td><td>LK LAB COREA</td><td>M08-660-147</td><td>Riflettore laser per la misurazione dello spostamento verticale</td></tr><tr><td>Software per il controllo motorio</td><td>NOVA Electronics</td><td>MR220A 1.0.3</td><td>Software di controllo degli attuatori lineari</td></tr><tr><td>Regolatore motore</td><td>Sciencetown</td><td>STM-1-USB</td><td>Controllo di azionamento dell'attuatore lineare a stadio Z</td></tr><tr><td>MTS</td><td>Lloyd Instruments</td><td>01/2962</td><td>Tester commerciale di trazione/compressione, apparecchiatura di riferimento per i risultati delle misurazioni</td></tr><tr><td>Amplificatore operativo</td><td>Tecnologia dei microchip</td><td>OPA404KP</td><td>Amplificazione del segnale del sensore di forza, componente chiave del circuito</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>Dow Corning</td><td>4019862</td><td>Materiale per la fabbricazione del campione</td></tr><tr><td>Software di comunicazione seriale</td><td>Roger Meier</td><td>CoolTerm 2.3.0</td><td>Comunicazione seriale di forza&ndash; Dati di spostamento</td></tr><tr><td>Essiccatore a vuoto&nbsp;</td><td>iNexus</td><td>IN-VS</td><td>Utilizzato per la rimozione delle bolle durante la fabbricazione del PDMS</td></tr><tr><td>Resistenza a retroazione variabile (RF)</td><td>BI Technologies / TT Electronics</td><td>P160KN-0QD15B10K</td><td>Regolazione del guadagno dell'amplificatore operativo, chiave per la calibrazione del sensore</td></tr><tr><td>Stadio Z</td><td>Sciencetown</td><td>SMX-8060-X</td><td>Unità di guida per l'applicazione della cilindrata e i test di compressione, nucleo per un controllo verticale preciso</td></tr></tbody></table>

misurazione della risposta compressiva sforzo-deformazione a deformazione di piccole dimensioni

Measurement of Compressive Stress-Strain Response at Small-Strains

Questo studio ha implementato con successo un dispositivo di test di compressione basato su sensori di forza, adatto all'uso in laboratori su piccola scala, che garantisce alta precisione e riproducibilità nella misurazione. Questo dispositivo è stato sviluppato per superare l'elevato costo e le grandi dimensioni delle apparecchiature commerciali convenzionali e le inefficienze nella misurazione delle deformazioni a piccola deformazione.
La Figura 5 mostra i risul...

Misurazione della risposta compressiva sforzo-deformazione a deformazione di piccole dimensioni

This study developed a measurement method capable of precisely evaluating the mechanical behavior of materials and microdevices in the small-strain ...

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Descriviamo l'uso della correlazione di immagini digitali per caratterizzare il campo di deformazione superficiale locale su campioni di tessuto vascolare sottoposti a prove di trazione uniassiale. Queste misure facilitano la quantificazione precisa della risposta meccanica del campione e la generazione di relazioni costitutive sforzo-deformazione.

Utilizzo di Digital Image Correlation per caratterizzare ceppi locali vascolari campioni di tessuto

Qui viene presentata una tecnica di moiré di campionamento con metodi di campionamento a pixel da 2 pixel e multispagine per misure di distribuzione di strain ad alta precisione a micro / nano scala.

Misura di distribuzione di sforzo micro / nano-scala da campionature Moiré Fringes

Comportamento a fatica microstructurally piccola crepa crescita è studiato utilizzando un nuovo approccio metodologico che combina analisi misura e campo di deformazione della crescita tasso crepa per rivelare il campo di deformazione cumulativa a livello sub-grano.

Misure estensimetriche a pieno campo per affaticamento Microstructurally piccola crepa propagazione utilizzando il metodo di correlazione di immagini digitali

Questo lavoro presenta un sensore di misurazione della deformazione costituito da un meccanismo di amplificazione e un microscopio polidimetilsiloxane prodotto utilizzando una stampante 3D migliorata.

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Questo documento descrive un algoritmo di correlazione delle immagini digitali open source per misurare ceppi tissutali 2D locali all'interno di espianti di tendini. L'accuratezza della tecnica è stata convalidata utilizzando più tecniche ed è disponibile per uso pubblico.

Misurazione di ceppi tissutali locali nei tendini tramite correlazione di immagini digitali open source

Questo documento dimostra la procedura sperimentale per misurare le velocità di sedimentazione terminale delle particelle sferiche nei fluidi viscoelastici diradanti a base di tensioattivi. I fluidi su un'ampia gamma di proprietà reologiche vengono preparati e le velocità di sedimentazione sono misurate per una gamma di dimensioni delle particelle in fluidi e fluidi illimitati tra pareti parallele.

Misurazione sperimentale della velocità di sedimentazione delle particelle sferiche in fluidi viscoelastici a base di tensioattivi non raffinati e confinati

Vengono presentati metodi sperimentali per lo studio dei processi di raffreddamento allo stato solido e la caratterizzazione delle proprietà dei materiali elastocalorici delle leghe a memoria di forma (SMA). Un banco di prova su misura è stato progettato per il controllo e il monitoraggio completo dei processi di raffreddamento elastocalorico. Inoltre, fornisce una piattaforma di convalida per approcci di modellazione termomeccanicamente accoppiati.

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Viene presentato un protocollo per la misurazione dei tassi di degassamento dell'idrogeno dalle normali camere a vuoto in acciaio utilizzando il metodo del tasso di aumento della pressione.

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I protocolli di campionamento ottimizzati e lo sviluppo di nuovi materiali per salviette possono essere facilitati da misurazioni standardizzate dell'efficienza di raccolta dal campionamento con salviette. Il nostro approccio per il campionamento di tracce di esplosivo utilizza un dispositivo automatizzato per controllare la velocità, la forza e la distanza durante il campionamento a strisciamento seguito dall'estrazione degli esplosivi raccolti.

Metodo standardizzato per la misurazione Collection efficienza da Wipe-campionamento di esplosivi traccia

Impara a misurare le proprietà meccaniche di microstrutture e materiali polimerici con un dispositivo di compressione a basso costo. Questo metodo offre risultati accurati nella regione di piccola deformazione.

Misurazione della risposta compressiva sforzo-deformazione a deformazione di piccole dimensioni

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