방법 논문

밀리미터 규모 굴곡 테스트 시스템 해양 스폰지 Spicules의 기계적 특성을 측정 하기 위한

DOI:

10.3791/56571

⸱

2017년 10월 11일

 ,  ,  , 
1School of Engineering, Brown University

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

우리는 주문 품 기계 테스트 장치를 사용 하 여 하위 밀리미터 규모 섬유에 3 포인트 벤딩 테스트를 수행 하기 위한 프로토콜을 제시. 소자 최대 10 N 20 µN에서 배열 하는 힘을 측정할 수 있으며 따라서 다양 한 섬유 크기를 수용할 수 있습니다.

초록

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

많은 생물학 구조 (LBBSs) 베어링 로드-깃털 rachises 등 spicules-작은 (< 1 m m)만 아니라 미세한. 이러한 LBBSs의 굴곡 동작을 측정 하는 것은 그들의 놀라운 기계적 기능의 유래를 이해 하기 위한 중요 한입니다.

우리는 10-5 에서 101 N, 변위 10-2 m까지 10-7 에서 이르기까지 세력을 측정할 수 있는 맞춤식 기계 테스트 장치를 사용 하 여 3-포인트 벤딩 테스트 수행을 위한 프로토콜을 설명 합니다. 이 기계 장치를 테스트의 주요 장점은 힘 및 변위 용량 쉽게 다른 LBBSs에 대 한 조정 될 수 있다입니다. 소자의 동작 원리는 원자 힘 현미경의 비슷합니다. 즉, 강제는 캔틸레버의 끝에 연결 된 부하 포인트는 LBBS에 적용 됩니다. 부하 지점 변위 섬유 광섬유 변위 센서에 의해 측정 하 고 측정 된 캔틸레버 강성을 사용 하 여 힘으로 변환. 장치의 힘 범위 다른 stiffnesses의 캔틸레버를 사용 하 여 조정할 수 있습니다.

장치의 기능 가지 해양 스폰지 Euplectella aspergillum의 골격 요소에 3 포인트 벤딩 테스트를 수행 하 여 보여 줍니다. 골격 요소-spicules로 알려진-는 실리 카 섬유를 약 50 µ m 직경에서. 우리는 spicules ≈1.3 m m 범위와 3-포인트 절곡 설비에 장착 기계 테스트 장치를 보정 하는 절차를 설명 하 고 테스트는 절곡 수행. 스피큘와 적용 된 힘의 위치에서 그것의 편향도에 적용 되는 힘 측정 됩니다.

서론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

로드 베어링 생물학 구조 (LBBSs), 껍질과 뼈 등의 구조를 공부 하 여 엔지니어는 강력 하 고 거친 1는 새로운 복합 재료를 개발 했습니다. 그것은 LBBSs과 바이오 영감 들의 뛰어난 기계적 특성 그들의 복잡 한 내부 구조 2에 관련 된 표시 되었습니다. 그러나, LBBS 구조와 기계적 특성 간의 관계 완전히 이해 되지 않는다. LBBS의 기계적 응답을 측정 하는 것은 그것의 건축의 기계적 특성을 향상 하는 어떻게 이해를 향한 첫 걸음입니다.

그러나, 그것은 LBBS의 기계적 응답을 측정 하는 데 사용 하는 테스트 종류에는 그것의 기계적인 기능와 일치. 예를 들어 깃털 공기 역학적 로드를 지원 해야 합니다, 깃털 rachis의 기본 기능 이므로 굴곡 강성 3를 제공 하. 따라서, 벤딩 테스트는 기계적 응답을 측정 하기 위한 단축 인장 시험을 선호. 사실, 많은 LBBSs에에서-깃털 rachises 3, 같은 잔디 줄기 4, 그리고 spicules 5,6,7,8-주로 여 변형. 이것은 이러한 LBBSs 슬림 하기 때문에-즉, 그들의 길이 그들의 폭 이나 깊이 보다 훨씬 더. 그러나,이 LBBSs에 벤딩 테스트 수행은 도전 때문에 힘과 변위 그들이 실패 하기 전에 견딜 수 있는 범위는 10-2 에서 102 N 및 10-3 m, 각각 3 -4 10 , 4 , 5 , 7 , 8. 결과적으로, 이러한 기계 테스트를 수행 하는 데 사용 하는 장치 있어야 힘 및 변위 해상도 ≈10-5 N 및 ≈10-7 m (즉, 0.1% 센서의 최대 측정 가능 힘과 변위의), 각각.

상용, 큰 규모, 기계 테스트 시스템 일반적으로 수 없습니다 측정 힘 및 변위가 해상도. 원자 힘 현미경-기반 9,10 또는 microelectromechanical 시스템 기반 11 테스트 장치 적절 한 해상도가지고, 그들은 측정할 수 있는 최대 힘 (각 변위) 보다 작으면는 최대 힘 (각 변위)는 LBBS 견딜 수 있는. 따라서, 이러한 LBBSs, 엔지니어 및 과학자에 벤딩 테스트를 수행 하려면 사용자 기계 테스트 장치 5,7,,1213에 의존 해야 합니다. 이러한 사용자 장치의 주요 장점은 그들은 힘과 변위의 큰 범위를 수용할 수 있습니다. 그러나, 건설 및이 장치의 작동은 잘 문서화 되어 있지 문학에서.

10-5 에서 101 N, 변위 10-2 m까지 10-7 에서 이르기까지 세력을 측정할 수 있는 맞춤식 기계 테스트 장치를 사용 하 여 3-포인트 벤딩 테스트 수행을 위한 프로토콜 설명 되어 있습니다. 기술 도면, 기계 테스트 장치 구성의 모든 치수를 포함 하 여 보충 자료에 나와 있습니다. 이 기계 테스트 장치의 주요 장점은 힘과 변위 범위 쉽게 다른 LBBSs에 맞게 조정 될 수 있다입니다. 소자의 동작 원리는 원자 힘 현미경 9의 유사 합니다. 이 장치에서 표본 트렌치 컷 스테인레스 스틸 접시에 걸쳐 배치 됩니다 ( 그림 1A-C참조). 트렌치의 범위 수 1278 ± 3 µ m 광학 현미경에서 측정 (평균 ± 표준 편차, n = 10). 트렌치 가장자리 벤딩 테스트 (참조 그림 1 c, D) 동안 표본을 지원합니다. 이 샘플 단계 3-축 번역 단계에 연결 되 고 쐐기는 중간 트렌치의 범위에 걸쳐 알루미늄 쐐기 아래 배치 ( 그림 1C참조). 단계를 이동 하 여는 figure-introduction-1 방향 (참조 그림 1A, C), 표본 휘게 하는 견본을 일으키는 쐐기에 푸시됩니다.

우리는 웨지 부하 포인트 팁 (LPT)와 부하 포인트 (LP)로 쐐기를 포함 하는 장치의 구성 요소를 참조 하십시오. LP는 그 변위 (FODS) 섬유 광섬유 변위 센서에 의해 측정 하는 캔틸레버의 끝에 첨부 됩니다. FODS LP의 위쪽 표면에 있는 거울에서 반영 되는 적외선 빛을 방출 한다 ( 그림 1B참조)는 FODS에 광섬유에 의해 받았다. 세련 된 실리콘 웨이퍼의 ≈5 mm 정사각형 조각을 LP 미러로 사용 되 고 에폭시를 사용 하 여 LP에 붙어. FODS 방출 및 반사 빛의 농도 비교 하 여 변위를 측정 합니다. 캔틸레버 강성과 변위 힘, 계산 하는 데 사용 됩니다 figure-introduction-2 , 쐐기는 시료와의 상호 작용 때문으로 경험. 캔틸레버 변위는 또한 쐐기, 아래 견본의 횡단면의 변위를 계산 하는 데 사용 됩니다 figure-introduction-3 . 캔틸레버 기반 힘 센서 마이크로 및 매크로 스케일 기계적 테스트 연구 10,11,12,,1314의 숫자에 사용 되었습니다. 여기에 제시 된 특정 디자인은 접착성 접촉 실험 14를 수행 하는 데 사용 되는 기계 테스트 장치에서 적응. 비슷한 디자인은 또한 상업적으로 사용할 수 있는 마이크로-tribometer 15,16에 사용 되었습니다.

figure-introduction-4
그림 1: 기계 테스트 장치를 사용자의 개요. (A) A 컴퓨터 지원 디자인 렌더링 장치. 무대 구성 요소는 녹색으로 강조 표시 됩니다. 서브 (캔틸레버, 부하 포인트 (LP))를 감지 하는 힘은 빨간색으로 강조 표시 됩니다. (B) (A)의 보기를 확대. Lp로 미러는 FODS 아래 LP의 위쪽 표면에 청색으로 표시 되 고 LPM 표시 됩니다. (C) 번역 무대의 움직임을 설명 하는 데 사용 하는 좌표계. Th 평준화로1.9 프로토콜의 단계에서 e 단계에서 figure-introduction-5 방향 LP 거울의 표면에 수직한 벡터에 맞춰 이루어집니다. (D) A 회로도 스피큘 및 측정된 변위의 변형을 보여주는 3-포인트 절곡 구성의 figure-introduction-6 , 및 figure-introduction-7 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

해양 스폰지 Euplectella aspergillum6,7. 의 골격 요소에 3 포인트 벤딩 테스트를 수행 하 여 장치의 기능 시연 이 스폰지의이 해골 spicules (참조 그림 2A) 라는 필 라 멘 트의 어셈블리입니다. spicules ≈50 µ m 두께 이며 실리 카 6주로 구성 됩니다. Biosilica 기반 spicules Demospongiae, Homoscleromorpha, 및 Hexactinellida 클래스에 속하는 스폰지에서 발견 된다. Hexactinellida 클래스에 속하는 E. aspergillum, 같은 스폰지, 또한 "유리 제 갯 솜" 이라고 유리 스폰지의 spicules 실리 카의 주로 구성 하는 동안 보였다는 실리 카 자주 중 콜라겐 17,18 또는 틴 19,20 의 구성 하는 유기 매트릭스를 포함 , 21.이 유기 매트릭스에 실리 카 biomineralization 18,20중요 한 역할. 또한, 일부 spicules에 유기 매트릭스 또한 칼슘 22의 biomineralization에 대 한 템플릿으로 제공합니다. 실리 카 내에서 배포 되 고, 뿐만 아니라 유기 매트릭스 또한 동심, 원통형 lamellae 6,23로 스피큘의 실리 카를 분할 하는 다른 레이어를 형성할 수 있습니다. 그것은 보였다이 동심, 플레이트 건축 spicules' 변형 동작 6,7,8,,2425,26 영향을 미칠 수 있습니다. . 따라서, spicules' 기계적 속성은 그들의 화학의 조합에 의해 결정 됩니다 (즉., 실리 카 단백질 합성의 화학 구조)와 그들의 건축 27. 화학 구조와 유리 스폰지 spicules의 아키텍처 조사 24,,2829에서 여전히 있습니다.

E. aspergillum 에 spicules의 대부분 양식 뻣 뻣 한 골격 감 금 소를 함께 이루어 있습니다. 그러나, 골격의 기지에서 매우 긴 (≈10 cm) spicules 앵커 spicules (참조 그림 2A)로 알려진의 술이 있다. 우리는 앵커 spicules의 작은 섹션에 3 포인트 벤딩 테스트를 수행 하기 위한 프로토콜을 설명 합니다.

프로토콜의 1 단계 조립 및 기계 테스트 장치를 사용자의 구성 요소를 정렬 하는 절차를 설명 합니다. 단계 2 와 4 프로토콜의 세력과 벤딩 테스트에서 변위를 계산 하는 데 사용 하는 생성 캘리브레이션 데이터에 대 한 지침을 제공 합니다. 3 단계에서 있는 스피큘의 섹션을 준비 하 고 테스트 장치를 탑재 하는 단계를 설명 합니다. 스피큘 섹션에 벤딩 테스트를 실시 하기 위한 절차 5 단계에 설명 되어 있습니다. 마지막으로, 대표적인 결과 섹션에서 단계 2 및 4 에서 캘리브레이션 데이터는 단계 5에서 에서 얻은 벤딩 테스트 데이터를 사용 계산 figure-introduction-8 및 figure-introduction-9 .

figure-introduction-10
그림 2: 단면 및 E. aspergillum spicules검사 절차. (A) E. aspergillum의 골격. 무료 서 앵커 spicules의 술은 골격의 베이스에 표시 됩니다. 눈금 막대는입니다 ~ 25 m m. (B) 단일 앵커 스피큘 #00000 빨강 검은 담 비 브러시를 사용 하 여 및 면도날을 사용 하 여 구분 현미경 슬라이드에 장소에서 개최 됩니다. 눈금 막대는 ~ 12 m m. (C) 샘플 단계에 트렌치에서 E. aspergillum 스피큘의 섹션 배치 트렌치 가장자리 및 트렌치 릿지 물 오리와 오렌지, 각각 강조 됩니다. 스피큘 축 트렌치 가장자리에 수직이 되도록 트렌치 릿지에 푸시됩니다. (D) A 단계 3.4 스피큘 섹션 손상 되 고 무시 해야 하는 경우 확인 하는 방법을 설명 합니다 프로토콜에서에서 설명 하는 검사 절차를 전달 스피큘의 현미경 사진. (E) A 많은 균열을 포함 하 고 실리 카 레이어 프로토콜의 3.4 단계 에서 설명 하는 검사 절차 실패 하는의 큰 부분을 누락 스피큘의 현미경 사진. 스케일 바 = 250 µ m (C), 100 µ m (D), 및 100 µ m (E). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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프로토콜

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 어셈블리 및 맞춤

  1. 외팔보의 강성은 의도 된 실험에 대 한 적절 한 선택. #4-40 소켓 헤드 캡 나사 (SHCSs) ( 그림 3 참조)를 사용 하 여 외팔보에 LP를 연결 합니다. 구부러지는 하지 LP를 연결 하는 동안 공가 팔을 변형 처리.

figure-protocol-1
그림 3: 캔틸레버 조립 절차 힘 센서 및 측정 그것의 뻣 뻣 함. (A) 부하 포인트 (LP) 캔틸레버 (C), 위쪽으로 지적 부하 포인트 팁 (LPT) 연결 되어. (B) 캔틸레버 LP 서브 CP로 표시 된 캔틸레버 플레이트에 첨부. 캔틸레버 판의 recessed 주머니 외팔보 팔 아래 표시 됩니다. (C) 캔틸레버 플레이트 프레임의 아래쪽에 연결 (B)에 표시 된 접시의 측면에 직면 하는 figure-protocol-2 방향. FODS 마이크로미터 변조가 (D) 와이어 후크로 표시 하며 프로토콜의 2 단계에서 사용 된 캘리브레이션 무게는 LPT에 구멍에서 거 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

  1. 보풀 무료 면봉을 2-프로 판 올의 몇 방울을 적용 하 고 LP 거울의 표면을 닦아. 긁힌 자국에 대 한 거울을 검사 하 고 손상 되 면 미러 교체.
  2. 느슨하게 접시에서 LPT 가리키는와 recessed 주머니를 포함 하는 접시의 측면에 #6-32 SHCSs를 사용 하 여 외팔보 접시에 캔틸레버를 연결 ( 그림 3 B 참조). 1/8 삽입 " 캔틸레버와 플레이트를 통해 맞춤 핀 나사, 강화 하 고 맞춤 핀을 제거 합니다.
  3. 는 FODS 마이크로미터 시계 반대 방향으로 (참조 그림 3 C)를 설정 하 여 가능한 FODS 철회. 느슨하게 외팔보 플레이트에 LPT 가리키는와 #6-32 SHCSs를 사용 하 여 프레임에 첨부는 figure-protocol-3 방향 ( 그림 1 참조). 1/8 삽입 " 프레임 및 캔틸레버 격판덮개를 통해 서 맞춤 핀 나사, 강화 하 고 다음 ( 그림 3 C 참조) 맞춤 핀 제거.
  4. 힘에 공급 하 고 12.00 V 정 전압 모드 조정 손잡이 사용 하 여 전압 설정. 다음 전압 출력 설정 하 고 현재 그리기 전원 공급 장치에 표시 되는 확인 ' s LCD 스크린은 대략 60-70 mA. 전류 전압 측정 불확실성을 줄이기 위해 정상 상태에 도달 하기 위해 1 시간 이상 기다려.
  5. 열고 실행 하는 Basic_Data 프로그램 (보충 코드 파일 참조). FODS 마이크로미터 ( 그림 4 및 그림 3 C 참조)을 lp로 향해 FODS 거울 사용자 인터페이스 그래프에 표시 되는 출력 전압 최대 값에 도달할 때까지 이동 하는 시계 방향으로 돌려.
    1. 조정 전압은 회전 대 5.0 FODS 마이크로미터는 FODS 철회를 시계 반대 방향으로 출력 되도록 설정 하 여 FODS의 이득 FODS 주택 측면 나사.
  6. 현미경 조명 기를 켜고 현미경 위치를 조정 하 고 사용 하 여 두 개의 수동 번역 단계는 LPT 중심 시야에 초점. 클릭 하 여 Basic_Data 프로그램 중지는 ' 중지 ' 단추.
  7. 모터 컨트롤러 사용자 인터페이스 소프트웨어를 엽니다. 포 텐 쇼 미터 슬라이더를 사용 하 여에 figure-protocol-4 -축 모터 컨트롤러에 최대 허용 여행 무대를 이동 하는 < img alt = "공식 6" src "/ 파일/ftp_ = upload/56571/56571eq6.jpg"/ > 방향과 설정을 클릭 하 여 홈 위치는 ' 집 ' 사용자 인터페이스에서 단추. 에
    1. 전위차계를 사용 하 여 슬라이더는 figure-protocol-5-축 모터 컨트롤러에 최대 허용 여행 무대를 이동 하는 figure-protocol-6 방향 및 홈 위치. 사용자 인터페이스 소프트웨어를 닫습니다.
  8. 무대 베이스 플레이트 (참조 그림 4 A)에 무대는 평준화에 마이크로미터 헤드의 팁 접시 무대 받침판 divots에서 나머지는 좌석. 거품 수준 절연 테이블에 놓고 테이블의 각 압력 조정 ' 밸브 선회 하 여 s 다리 팔 엄지 나사를 표면 수준.
    1. 플레이트 평준화 무대의 상단에 버블 수준을 이동 하 고 그것은 또한 레벨는 마이크로미터를 조정. 마이크로미터 위치 및 단계 기본 격판덮개에서 단계를 제거. 참고: 프로토콜 일시 중지할 수 있습니다 여기.

figure-protocol-7
그림 4: 기계 테스트 장치에 조립 단계 1.9 및 프로토콜의 3.7. (A) 샘플 단계 (SS), 번역 단계 (TS)에 연결 되어 있고 수평 단계 베이스 플레이트 (SBP)에 장착 플레이트 (SLP), 무대에는 마이크로미터를 사용 하 여 파괴는. 무대 베이스 플레이트는 절연 테이블의 광학 브레드보드에 첨부 됩니다. 캔틸레버 (C); 캔틸레버 플레이트 (CP); 그리고 섬유 광섬유 변위 센서 (FODS) 작성 시스템을 감지 하는 힘. (B)는 부하 포인트 (LP) 캔틸레버에 연결 하 고 부하 포인트 팁 (LPT) 샘플 단계에 있는 스피큘 위에 배치 됩니다. 벤딩 테스트 동안 LP의 변위는 FODS를 사용 하 여 측정 됩니다. FODS LP 거울 사이의 초기 거리 (A) 에서처럼 FODS 마이크로미터 (FM)에 의해 제어 됩니다. (C) A는 LPT 아래 배치 샘플 단계에서 트렌치에 걸쳐 누워 스피큘의 현미경 사진. 눈금 막대 250 µ m (C) =. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

2. 캔틸레버 강성 측정

  1. Basic_Data 프로그램과 FODS 마이크로미터 출력 전압까지 시계 방향으로 약 4 중지 대 회전을 클릭 하 여 프로그램 실행에 ' 중지 ' 단추.
  2. 분석 균형을 사용 하 여 와이어 후크 및 교정 무게의 질량을 측정.
  3. Cantilever_Calibration 프로그램을 열고 (보충 코드 파일 참조) 힘에 대 한 원하는 파일 이름을 입력 하 고 캘 리사용자 인터페이스의 텍스트 상자에서 bration 출력 파일.
  4. Cantilever_Calibration 프로그램을 실행 하 고 클릭 ' 확인 ' 첫 번째 교정 무게의 질량을 입력 하 라는 메시지가 나타나면. 진동 멈추고 녹색을 클릭 사용자 인터페이스 그래프에 표시 되는 출력 전압을 기다립니다 ' 전압 안정 '는 전압 측정을 버튼.
  5. 후크 현미경 목표 (참조 그림 3 D) 멀리 직면 하는 와이어를 걸어 사용 족집게는 LPT에 구멍에서 연결. 후크의 추가 의해 발생 하는 외팔보의 진동 하는 핀셋을 사용 하 여.
    1. 대화 상자에서 그램에 후크의 질량을 입력 하 고 클릭 ' 확인 '. 이전 단계에서 중지를 클릭 하기 전에 진동 출력 전압에 대 한 대기는 ' 전압 안정화 ' 버튼.
  6. 사용 족집게에 처음 체중을 연결 하 고 이전 단계에서 설명한 대로 전압 측정을가지고 가기의 과정을 반복. 이 단계를 반복 하 여 모든 교정 무게 어울리지도 또는 출력 전압은 1.8 V 미만. 이 시점에서 클릭 ' 취소 ' Cantilever_Calibration 프로그램 종료 대화 상자에.
  7. 는 FODS 마이크로미터는 FODS 철회를 시계 반대 방향으로 설정 합니다. LPT에서 후크 및 무게를 조심 스럽게 제거.
    참고: 강제로 교정 출력 파일 교정 대 중, 100 FODS 출력 전압 독서의 의미와 그 읽기의 표준 편차에 의해 적용 되는 힘의 탭으로 구분 된 목록입니다. 대표적인 결과 섹션 외팔보 강성 측정을이 데이터 파일을 처리 하는 방법에 대해 설명 합니다.

3. 견본 준비

E. aspergillum를 처리할 때
  1. 착용 니트 릴 장갑 해골 스폰지 하 고 그들은 처리 되는 때 밀폐 용기에 해골을 저장.
    주의: 이후는 spicules 실리 카의 주로 구성, 깨진된 스피큘 날카로운 조각과 피부, 자극에 지도에 포함 될 수 있습니다.
  2. 선단부 및 골격에서 그것을 제거 하는 풀 한 앵커 스피큘 파악 핀셋의 쌍을 사용 (참조 그림 2 A). 깨끗 한 현미경 슬라이드에 있는 스피큘 놓습니다.
  3. #00000 빨강 검은 담 비 브러시를 사용 하 여 그것의 길이 따라 중간점 근처 슬라이드에 대 한 있는 스피큘을 개최. 잘라는 ≈ 4 mm 섹션 슬라이드에 수직 브러시의 양쪽에 있는 스피큘에 면도날을 추진 하 여 스피큘의 표면 ( 그림 2 B 참조). 큰 원심 및 인접 스피큘 섹션을 무시 하 고 계속은 ≈ 4 m m 섹션.
  4. 검사 10 배 확대에서 편광된 빛 현미경을 사용 하 여 4 mm 스피큘 섹션 (참조 그림 2 C-E). 스피큘 섹션을 삭제 하 고 (참조 그림 2 E) 실리 카 층의 큰 영역을 누락 하는 경우 3.2 단계로 반환 합니다. 독점적으로 #00000 빨강 검은 담 비 브러시를 사용 하 여 그들의 실리 카 층을 소개 하는 어떤 새로운 손상을 방지 하는 검사 스피큘 섹션 처리.
  5. 어떤 스피큘 조각 또는 샘플 단 브러시 또는 압축 공기의 표면에서 다른 입자를 청소. 다음 보풀 무료 면봉에 2-프로 판 올의 몇 방울을 적용 하 고 샘플 단계를 닦아냅니다. 비 반사 페인트로 코팅 하는 무대의 분야와 접촉을 하지 마십시오. 참고: 페인트 벤딩 테스트 동안 촬영 한 이미지에 반사 반사의 수를 줄이기 위해 사용 됩니다
  6. 샘플 단계로 스피큘 섹션을 전송합니다. 스피큘 섹션 벤딩 테스트에 대 한 원하는 범위와 트렌치에 걸쳐 놓고 부드럽게 밀어는 figure-protocol-8 골짜기 능선에 대 한 방향. 스피큘 ( 그림 2 C 참조) 트렌치 모서리에 수직 확인.
  7. 는 마이크로미터 스핀 들의 끝 단계 베이스 플레이트 divots에 휴식을 단계 베이스 플레이트에 무대 자리. 필요한 경우 프로토콜의 1.9 단계에서 기록한 값을 플레이트 평준화 스테이지는 마이크로미터를 조정.

4. 전압 변위 보간 파일

  1. Bending_Test 프로그램을 열고 (보충 코드 파일 참조). 설정에서 ' 단계 크기 ' 2 µ m, ' 최대 변위 ' 0.5 m m, ' 낮은 전압 중지 ' 1.5 V, 및 ' 높은 전압 중지 ' 4.6 V 사용자 인터페이스에 표시 된 텍스트 상자를 사용 하 여. 사용자 인터페이스에서 텍스트를 사용 하 여
    1. 선택 원하는 이미지 및 데이터 디렉토리와 출력 파일 이름을 상자. 설정에서 ' 이미지 저장 ' 아래 위치를 사용자 인터페이스에 전환 하 고 단어 아래 녹색 사각형 버튼을 클릭 ' 전압 차이 ' 조명 된다 그래야.
  2. Bending_Test 프로그램을 실행 하 고 모터 컨트롤러와 카메라 인터페이스 초기화를 기다립니다.
  3. 설정에서 조명 밝기를 조정 하는 LPT 표시 되 고. FODS 마이크로미터 사용자 인터페이스 그래프에 표시 되는 출력 전압 대 ~1.7 때까지 시계 방향으로 돌려 에
    1. 전위차계를 사용 하 여 슬라이더는 figure-protocol-9-축 모터 컨트롤러에서 단계를 이동 하는 figure-protocol-10까지 방향 그것은 설정 하 고 LPT 아래 ~ 1 ㎝는 figure-protocol-11-클릭 하 여 축 집 위치는 " 홈 " 버튼.
  4. 포 텐 쇼 미터 슬라이더를 사용 하 여에 figure-protocol-12-및 figure-protocol-13-위치는 LPT 축 모터 컨트롤러 에 샘플 단계에 있는 얇은 강철 스트립의 중심에는 figure-protocol-14 골짜기에서 방향. 포 텐 쇼 미터 슬라이더를 사용 하 여에 figure-protocol-15-축 모터 컨트롤러에서 단계를 이동 하는 figure-protocol-16 방향 무대까지 현미경은 ' s 시야.
  5. 포 텐 쇼 미터 슬라이더를 사용 하 여에 figure-protocol-17-축 모터 컨트롤러에서 단계를 이동 하는 figure-protocol-18 동안 방향 사용자 인터페이스에서 출력 전압 그래프를 보고. 대략적인 위치는는 LPT 연결 하는 단계를 결정 ' s 표면에 전압 변화에 대 한 보고 더 스테이지의 운동입니다. 철회 단계 약 10 µ m.
  6. 표시 버튼을 클릭 " 테스트 시작 ". 0.003 V와 0.001 m m의 값을 입력 하는 프롬프트가 표시 되 면, ' 터치 감도 ' 및 ' 단계 크기에서 터치 ', 각각. 테스트 완료를 기다립니다.
    참고:이 시점 후 제거 하지 마십시오 무대에서 무대 베이스 플레이트 벤딩 테스트 정확한 변위 측정을 보장 하기 위해 완료 될 때까지. 전압 변위 보간 출력 파일은 탭으로 구분 된 목록이 FODS 출력 전압 신호는 100의 평균 및 표준 편차와 함께 그 독서의는 figure-protocol-19- 모든 단계 진지 변환 증가에 축 단계 위치입니다. 대표적인 결과 섹션 파일이 데이터를 사용 하 여 LP 변위 측정된 FODS 출력 전압으로 변환 하는 방법을 설명 합니다.

5. 벤딩 테스트

  1. 오픈 및 실행 Basic_Data 프로그램에 놓일 때까지 사용자 인터페이스 그래프에 표시 되는 출력 전압 포 텐 쇼 미터 슬라이더 사용 하 여 대 약 3 FODS 마이크로미터를 시계 반대 방향으로 돌려는 < img alt = "방정식 7" src="/files/ftp_upload/56571/56571eq7.jpg" / > -스피큘 ( 4 그림 C 참조) 위에 트렌치 모서리 사이 LPT를 축 모터 컨트롤러. 에
    1. 전위차계를 사용 하 여 슬라이더는 figure-protocol-20-축 모터 컨트롤러에서 단계를 이동 하는 figure-protocol-21까지 방향 트렌치 릿지의 위쪽 표면 아래는 LPT는 ( 그림 5 참조). 마지막으로, 포 텐 쇼 미터 슬라이더를 사용 하 여에 figure-protocol-22-축 모터 컨트롤러는 LP의 완전 한 폭의 가장자리 사이 트렌치 릿지의 정면 표면에 초점 려는 트렌치 릿지입니다. 클릭 하 여 Basic_Data 프로그램 중지는 ' 중지 ' 단추.
  2. 오픈 및 Center_LoadPoint 프로그램 실행 (보충 코드 파일 참조). 사용 된 figure-protocol-23-축 모터 컨트롤러는 LPT 거의 오른쪽 트렌치 가장자리 접촉 될 때까지 무대를 이동. 클릭에 " 찾을 지 " 버튼.
  3. 프롬프트가 표시 되 면, 사용 된 figure-protocol-24-축 모터 컨트롤러는 LPT 거의 왼쪽된 트렌치 가장자리 접촉 될 때까지 무대를 이동. 클릭에 " 찾을 지 " 버튼. 기다리는 트렌치 스팬에 걸쳐 LPT 중간쯤 위치 프로그램 ( 그림 5 B 참조).
    참고:이 시점 이후 그것은 중요 하지 않습니다 조정는 figure-protocol-25-이 축 모터 컨트롤러는 LPT의 부정합 발생 합니다.
  4. Bending_Test 프로그램을 엽니다. 단계 크기를 2 µ m, 0.5 m m, 1.5 V, 낮은 전압 중지 및 4.5 V 사용자 인터페이스의 텍스트 상자를 사용 하 여 높은 전압 중지 최대 변위 설정. 사용자 인터페이스에서 텍스트를 사용 하 여
    1. 선택 원하는 이미지 및 데이터 디렉토리와 출력 파일 이름을 상자. 설정에 ' 이미지 저장 ' 위쪽으로 사용자 인터페이스에 전환 하 고 단어 아래 녹색 사각형 버튼을 클릭 ' 전압 차이 ' 조명 하지 있도록.
  5. Bending_Test 프로그램을 실행 하 고 모터 컨트롤러와 카메라 인터페이스 초기화를 기다립니다.
  6. 이동 무대는 figure-protocol-26 방향까지 있는 스피큘은 현미경 내 모터 컨트롤러에 포 텐 쇼 미터 슬라이더를 사용 하 여 ' s 필드의 보기. 포 텐 쇼 미터 슬라이더를 사용 하 여에 figure-protocol-27 -축 모터 컨트롤러는 스피큘은 LPT 아래 때까지 무대를 이동.
      는 스피큘 사용자에 초점에 되도록
    1. 현미경 초점 손잡이 조정 인터페이스 ( 그림 4 C 참조). 출력 전압은 약 1.8 대까지 FODS 마이크로미터를 시계 반대 방향으로 돌려
  7. Z 축 모터 컨트롤러에 포 텐 쇼 미터 슬라이더를 사용 하 여 스테이지에서 이동 하는 figure-protocol-28 사용자 인터페이스에서 출력 전압 그래프를 보면서 방향. 스테이지의 추가 운동으로 전압에서 변화에 대 한 보고는 스피큘 연락처는 LPT 대략적인 위치를 확인 합니다. 철회 단계 약 50 µ m.
  8. 클릭 " 테스트 시작 " 벤딩 테스트 완료 되 고 단계에 반환 될 때까지 기다립니다는 figure-protocol-29-축 홈 위치.
    참고: 단계 것입니다 이동 2 µ m 단위로 (프로토콜의 단계 5.4에서에서 처방)는 figure-protocol-30 방향, 절곡은 스피큘 (참조 그림 5 C) 여러 중지 조건 중 하나가 충족 될 때까지. 중지 조건:는) 0.5 m m의 최대 단계 변위에 도달; b) 스피큘 휴식 및 프로그램 감지 큰 드롭 FODS 출력 전압; 또는 c) 4.5 V의 높은 전압 제한에 도달 하면. 조건 (a)를 중지, 그들은 시험 종료 또는 이전 값을 재정의 하려는 경우 사용자를 자극 것 이다. 때 ' 재정의 '은 선택 사용자 무대 변위 제한 증가 하거나 계속은 스피큘 로드 되지 않습니다 데이터를 수집 하기 위해 무대 변위의 방향을 반전 기회를 갖게 됩니다. 무대 변위 증분 방향을 클릭 하 여 변경할 수 있습니다에서 " 로드 역 " 테스트 기간 동안 언제 든 지 버튼. 벤딩 테스트 출력 파일 프로토콜의 단계 4.6에서에서 생성 된 전압 변위 보간 출력 파일 같은 구조를가지고 있습니다. 즉, 그것은 100 FODS 출력 전압 읽기의 평균 및 표준 편차와 함께 그 판독의의 탭으로 구분 된 목록에서 figure-protocol-31-모든 단계에서 축 단계 위치 변위 증가입니다. 대표적인 결과 섹션 벤딩 테스트 중 캔틸레버 변위와 무대 변위를 계산 하기 위해 전압 변위 보간 파일 함께이 데이터 파일은 사용 하는 방법에 대해 설명 합니다. 그 후, 외팔보 강성 LPT는 스피큘에 의해 적용 되는 힘을 계산 하기 위해 사용 됩니다.
  9. 테스트가 완료 된 후는 FODS LPT 거울에서 적어도 5 mm까지 FODS 마이크로미터를 시계 반대 방향으로 설정. 다음, 조심 스럽게 무대 베이스 플레이트에서 무대 제거.

figure-protocol-32
그림 5: 트렌치와 LPT를 정렬 하기 위한 절차 ' 범위 중순 s와 벤딩 테스트 수행 (A)는 LPT 단계 5.1 프로토콜의 끝에서 골짜기 능선의 위쪽 표면 아래 위치 하지만 중반 범위에서 아직 배치 하지. (B)는 중심 후 LPT의 위치 단계 5.2 및 5.3 프로토콜에서 설명 하는 절차는 완료 됩니다. (C) 벤딩 테스트 동안 스피큘의 현미경 사진. 아래는 LPT 스피큘 횡단면의 변위 figure-protocol-33, 개요로 표시 됩니다. 스케일 바 250 µ m = (A-C). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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결과

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어떤 기계적인 테스트의 가장 기본적인 출력은 표본과 힘이 적용 되는 위치의 변위에 적용 되는 힘의 크기 이다. 3-포인트 벤딩 테스트의 경우 목표는 LPT에 의해 적용 되는 힘의 크기를 얻을 것입니다 figure-results-1 , 및에서 LPT 아래 견본의 횡단면의 변위는 figure-results-2 방향, figure-results-3 . 그러나, 여기에 설명 된 기계 테스트 장치에 대 한 몇 가지 후 처리 단계 수행 해야 합니다 2, 4 단계와 5 단계 프로토콜의 원하는이에서 얻은 출력 데이터

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토론

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프로토콜의 여러 단계는 힘과 변위는 정확 하 게 측정 하는 보장에 대 한 특히 중요 하다. 이러한 중요 한 단계 중 일부는 모든 3-포인트 벤딩 테스트 유니버설, 동안 다른이 기계 테스트 장치에 독특합니다.

Lp로 거울 청소 하 고 긁힌 자국이 들어, 검사 프로토콜의 단계 1.2 및 프로토콜의 단계 1.6 FODS 이득 설정 됩니다. 그것은 이득 및 단계 2, 4및 5 의 프로토콜에 대 한 상수로 LP 거울 반사율에 대 한 중요 하다. 이러한 이유로, 두 교정 단계 (단계 2와 4 는 프로토콜) 벤딩 테스트 (5 단계/프로토콜) 직전 수행 되어야 한다.

1.9 단계

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공개 사항

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저자는 공개 없다.

감사의 글

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이 작품은 [재료 역학과 구조 프로그램, 번호 1562656를 부여]; 국립 과학 재단에 의해 지원 되었다 그리고 [Haythornthwaite 영 조사 상] 기계 엔지니어의 미국 사회.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
TMC 36" x 48" 격리 테이블(4인치 포함) CleanTop 브레드보드TMC63-563격리 테이블
다양한 나사 조절기ThorlabsDAS110무대 레벨링 플레이트용
1" 트래블 마이크로미터 헤드 0.001" 눈금Thorlabs150-801ME무대 레벨링 플레이트용
PT 시리즈 번역 스테이지용 직각 브래킷, 1/4"- 20개의 장착 구멍ThorlabsPT102현미경 마운트용
1" Dovetail Translation Stage, 1/4"-20 TapsThorlabsDT25현미경 마운트용
1" Translation Stage with 1/4"-170 Adjustment Screw, 1/4"-20 TapsThorlabsPT1BFor microscope mount
12" Length, Dovetail Optical RailEdmund Optics54-401For 현미경 마운트
2.5" 너비, Dovetail CarrierEdmund Optics54-404현미경 마운트
0.5" 너비, Dovetail CarrierEdmund Optics54-403현미경 마운트
InfiniTube Mounting C-Clamp with ¼-20Edmund Optics57-788Microscope component
Standard (with No In-Line Attachment), InfiniTubeEdmund Optics56-125현미경 구성 요소
표준 인라인 어태치먼트 (2X-10X에서 최적화), InfiniTube,Edmund Optics56-126현미경 구성 요소
, Mitutoyo/Achrovid 대물렌즈 어댑터(M26 - M27)Edmund Optics53-787현미경 구성 요소
5X Infinity Achrovid Microscope 대물렌즈, Edmund Optics55-790현미경 구성
요소0.316" ID, 광섬유 어댑터 SX-6Edmund Optics38-944현미경 구성 요소
¼ "x 36", 유연한 광섬유 광 가이드Edmund Optics42-347현미경 구성 요소
115V, MI-150 광섬유 조명기 w/IR 필터 및 홀더Edmund Optics55-718현미경 구성 요소
Allied Vision Manta G-223 2/3" 컬러 CMOS 카메라Edmund Optics88-452
Manta/ Guppy Pro/ Stingray/ PikeEdmund Optics용 현미경 구성 요소 전원 공급 장치68-586현미경 구성 요소
1/4" 여행 단일 축 변환 스테이지ThorlabsMS1SFODS 마이크로미터
아날로그 반사율 종속 광섬유 변위 센서PhiltecD20FODS
30V, 3A DC 전원 공급 장치AgilentU8001ADAQ 및 FODS용 전원 공급 장치
14비트, 48kS/s 저비용 다기능 DAQNational 인스트루먼트FODS용USB-6009
3축 전동 변환 스테이지ThorlabsThorlabs T25 XYZ-E/M 번역 스테이지
T-Cube DC 서보 모터 컨트롤러ThorlabsTDC001스테이지용 모터 컨트롤러
T-Cube 전원 공급 장치ThorlabsTPS001모터 컨트롤러용 전원 공급 장치
National Instruments LabVIEW (2013 SP1)소프트웨어실행에 사용되는
National Instruments LabVIEW Vision Acquisition Software (2016)실행에 사용되는National Instruments
Nikon Eclipse Ci-POL Main BodyMVIMDA96000편광 현미경
Nikon Pi 분석기가있는 중간 튜브 슬라이더MVIMDB45305편광 현미경
Nikon Dia-PolarizerMVIMDN11920편광 현미경
전원 코드 - 7'6"MVI79035편광 현미경
Nikon P-Amh 기계식 스테이지MVIMDC45000편광 현미경
Nikon Lwd Achromat 콘덴서MVIMBL16100편광 현미경
Nikon LV-NBD5BD-CH 수동 Quint Nosepiece ESDMVIMBP60125편광 현미경
Nikon C-TF 삼안 튜브 FMVIMBB93100편광 현미경
Nikon CFI 10X 접안 렌즈 FN 22mm NCMVIMAK10110편광 현미경
Nikon TU Plan Flour BD 10x ObjectiveMVIMUE42100편광 현미경
Venus Flower Basket SpongeDenis BrandN/A스폰지 스켈레톤
3.5X 헤드밴드 플립업 확대경McMaster Carr1490T5스피큘 절편
Ø에 사용됨; 1" 실리콘 웨이퍼, 타입 P / < 100>Ted Pella16011로드 포인트 미러에 사용
낮은 린트 테이퍼 팁 면봉McMaster Carr71035T31LP 미러 청소에 사용
고무 그립 정밀 나이프McMaster Carr35575A68스피큘 절단에 사용
현미경 슬라이드, 젖빛 끝, 75 x 25 x 1mmTed Pella260409스피큘
절단에 사용세이블 브러시, #00000, 0.08mm W x 4.0mm LTed Pella11806스피큘 처리에 사용
PELCO Pro 고정밀 핀셋, 초미세 팁, 우수한 마감Ted Pella5367-5NM스피큘 처리에 사용
Dual Axis Linear Scale MicrometerEdmund Optics58-608현미경 보정에 사용
FLEX-A-TOP FT-38 CASESD 플라스틱 용기FT-38-CAS스피큘 보관에 사용
플라스틱 바이알 Bullseye LevelMcMaster Carr2147A11스테이지 레벨링에 사용
분석 저울Mettler ToledoMS105DU분동을 대량 교정하는 데 사용됩니다.
, , , DAQNational Instruments 소프트웨어

참고문헌

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