Waiting
Processando Login

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

Engineering

샘플링 모아레 프린지에서의 마이크로 / 나노 스케일 변형률 측정

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

마이크로 / 나노 스케일에서 고정밀 변형률 분포 측정을위한 2 픽셀 및 다중 픽셀 샘플링 방법을 특징으로하는 샘플링 모아레 기법이 여기에 제시됩니다.

Abstract

이 연구는 전장 마이크로 / 나노 스케일 변형 측정을위한 샘플링 모아레 기법의 측정 절차와 원리를 설명합니다. 개발 된 기법은 두 가지 방식으로 수행 될 수 있습니다 : 재구성 된 곱셈 모아레 법 또는 공간 위상 변이 샘플링 모아레 법 사용. 표본 그리드 피치가 약 2 픽셀 인 경우, 2- 픽셀 샘플링 모아레 무늬가 생성되어 변형 측정을위한 곱셈 모아레 패턴을 재구성합니다. 변위 및 변형 감도는 동일한 넓은 시야에서 기존 스캐닝 모아레 방법보다 두 배 높습니다. 표본 그리드 피치가 3 픽셀 이상이거나 또는 그보다 크면 다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬가 생성되고 공간 위상 변이 기술이 전체 필드 변형 측정을 위해 결합됩니다. 변형률 측정 정확도가 크게 향상되고 자동 배치 측정을 쉽게 수행 할 수 있습니다.두 가지 방법 모두 기존의 모아레 기법과 같이 표본 또는 주사선을 회전시키지 않고 단일 샷 그리드 이미지에서 2 차원 (2D) 변형률 분포를 측정 할 수 있습니다. 예를 들어 두 탄소 섬유 강화 플라스틱 시험편의 전단 변형률을 포함한 2D 변위 및 변형률 분포를 3 점 굽힘 시험에서 측정했습니다. 제안 된 기술은 다양한 재료의 기계적 성질, 균열 발생 및 잔류 응력의 비파괴적인 정량 평가에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

Introduction

마이크로 / 나노 스케일 변형 측정은 기계적 특성, 불안정한 거동, 잔류 응력 및 첨단 소재의 균열 발생을 평가하는 데 필수적입니다. 광학 기술은 비접촉, 전계 및 비파괴이므로 지난 수십 년 동안 변형 측정을 위해 다양한 광학 방법이 개발되었습니다. 최근, 마이크로 / 나노 스케일 변형 측정 기술은 주로 모아레 법 1 , 2 , 3 , 4 , 기하 위상 분석 (GPA) 5 , 6 , 푸리에 변환 (FT), 디지털 이미지 상관 (DIC) 전자 스펙 클 패턴 간섭계 (ESPI). 이 기술들 중에서 GPA와 FT는 다중 주파수가 존재하기 때문에 복잡한 변형 측정에 적합하지 않습니다. DIC 방법은 sim입니다.변형 캐리어가 랜덤 스페 클 (random speckle)이기 때문에 소음에 대한 무력감. 마지막으로 ESPI는 진동에 매우 민감합니다.

마이크로 / 나노 스케일의 모아레 법 중에서 가장 일반적으로 사용되는 방법은 전자 스캐닝 모아레 7 , 8 , 9 , 레이저 스캐닝 모아레 10 , 11 및 원자 힘 현미경 (AFM) 모아레 12 와 같은 현미경 스캐닝 모아레 법입니다 , 디지털 / 겹침 모아레 13 , 14 , 15 방법 및 곱셈 / 분수 모아레 방법 16 , 17 과 같은 현미경 기반의 모아레 방법이 있습니다. 스캔 모아레 방법은 넓은 시야, 높은 해상도lution, 무작위 소음에 둔감합니다. 그러나 기존의 스캔 모아레 방법은 샘플 스테이지 또는 스캔 방향을 90 ° 회전시키고 두 방향으로 모아레 무늬를 생성하기 위해 두 번 스캔해야하기 때문에 2D 변형 측정에 불편합니다 18 . 회전 및 이중 스캐닝 프로세스는 회전 오차를 유발하고 오랜 시간이 걸리며 2D 변형의 측정 정확도, 특히 전단 응력에 심각하게 영향을 미칩니다. 시간 위상 시프트 기술 19 , 20 은 변형 측정 정확도를 향상시킬 수 있지만 동적 테스트에 부적합한 시간 및 특수 위상 시프트 장치가 필요합니다.

샘플링 모아레 법 (21 , 22) 은 변위 측정에서 높은 정확도를 가지며, 현재 자동차 p나귀. 샘플링 모아레 법을 마이크로 / 나노 스케일 2D 스트레인 측정으로 확장하기 위해 2 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 재구성 된 멀티 플라이어 모아레 법이 새로 개발되었으며이 측정법은 측정 값이 두 배로 민감하며 스캔 모아레 법이 유지된다. 또한 공간 위상 편이 샘플링 모아레 법은 다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 개발되어 고정밀 변형률 측정이 가능합니다. 이 프로토콜은 상세한 변형률 측정 절차를 소개하며 연구원 및 엔지니어가 변형 측정 방법을 배우고 재료 및 제품의 제조 프로세스를 개선하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 시편의 미세 나노 눈금 확인

  1. 시편의 가공
    1. 현미경 ( 예 : 1x5x30mm3)에서 사용되는 특정 로딩 장치에 필요한 크기로 표본을 자르고 관찰 할 표면을 관심 영역보다 1.5x 크게 만듭니다.
    2. 자동 폴리싱 기계 ( 예 : SiC 호 320 번을 3 분간, # 800을 150 rpm으로 1 분간 사용)에 거친 미세한 모래지를 사용하여 관측 할 표본 표면을 관찰합니다 ( 예 : 1 x 30mm 2 ). 30 N). 각 연마 단계 후에 물을 사용하여 시험편을 청소하십시오.
    3. 동일한 시험편 표면을 자동 연마기 ( 예 : 5 분 동안 DP- 스프레이 P 15 μm, 8 분 동안 P 1 μm, 150 rpm에서 10 분 동안 P 0.25 μm 사용)에 대해 거친 연마제 및 미세 연마제를 사용하여 연속 연마합니다. 30 N). 각 연마 후 물로 표본을 닦으십시오.g 단계.
  2. 샘플에주기적인 패턴이 없다면 Micro / Nano-scale Grid의 제작
    참고 : 자연스러운주기 패턴이 시편 표면의 마이크로 / 나노 스케일에 존재하는 경우이 단계를 생략 할 수 있습니다. 자외선 (UV) 또는 가열 나노 임프린트 리소그래피 (NIL) 26 , 전자 빔 리소그래피 (EBL) 2 및 집속 이온 빔 (FIB) 밀링 6 에서 그리드 제조 방법을 선택하십시오.
    참고 : 예를 들어 UV NIL을 사용하여 그리드 제조 프로세스를 소개합니다.
    1. 피펫을 사용하여 시료 표면에 UV 레지스트 2 mL를 떨어 뜨립니다.
    2. 스핀 코터를 사용하여 1,500 rpm에서 60 초 동안 시편 표면의 레지스트를 코팅합니다.
    3. 0.2 MPa의 압력에서 나노 임프린트 금형을 레지스트 층에 눌러 라. 30 초 동안 375 nm 파장의 UV에 레지스트를 노출 시키십시오.
    4. 나노 임프린트 금형을 시편 표면과 분리하십시오.
    5. 현미경을 이용한 시편 격자의 관찰
      1. 이온 코터를 사용하여 그리드 표면에 3-10 nm 두께의 백금 또는 금층을 코팅합니다 ( 예 : 3 Pa에서 30 초 동안 스퍼터링 전류 30 mA로 코팅).
      2. 표본을 레이저 스캐닝 현미경 (LSM) 23에 놓습니다.
        참고 : 투과 전자 현미경 (TEM) 5 , 원자력 현미경 (AFM) 12 또는 주사 전자 현미경 (SEM) 7 과 같은 다른 현미경도 사용할 수 있습니다.
      3. 현미경의 이미지 레코딩 소프트웨어에서 "Capture"및 "File | Export | Image File"을 클릭하여 현미경을 사용하여 포커스를 조정하고 하나의 격자 이미지를 저장합니다.
    6. 격자 이미지로부터 표본의 격자 피치 (nm 또는 μm) 계산
      1. 10 gr 이상의 평균값 계산ID는 주사 또는 렌즈 왜곡의 잠재적 인 영향을 피하기 위해 그리드 이미지의 중앙 영역에 투구됩니다.
        참고 : 표본의 그리드는 실온에서 며칠 동안 저장할 수 있습니다.

    2. 적재 시험에서 격자 이미지 획득

    1. 현미경으로 하중 시험 준비
      1. 현미경으로 인장, 압축, 가열 또는 전기 적재 장치와 같은 로딩 장치에 시편을 고정시킵니다.
        참고 : 그리드 피치가 20 nm보다 작 으면 TEM 또는 AFM을 사용해야합니다. 그리드 피치가 20nm 내지 10㎛이면, SEM이 사용될 수있다. 그리드 피치가 400 nm보다 크면 LSM을 사용할 수 있습니다.
      2. 특정 요구 사항에 따라 하중 속도 ( 예 : 0.01 mm / s)와 하중 또는 변위 증분 단계 ( 예 : 0.5 N / 단계 또는 0.024 mm / 단계)를 설정하십시오. 하중과 변위를 모두 0으로 미리 설정하십시오.
      3. 그리드 서핑 만들기관측 평면에 에이스. 현미경의 샘플 스테이지를 움직이거나 회전시켜 낮은 배율에서 관심 영역을 선택하십시오.
      4. 이미지의 격자 피치를 1.8 x 1 픽셀 크기보다 크게하여 적절한 배율을 선택하십시오.
        참고 : 일반적으로 이미지의 격자 피치를 2 픽셀 이상으로 만드는 것이 좋습니다. 하나의 격자 피치가 더 많은 픽셀에 해당할수록, 변형 측정의 정확도가 높아지지만 측정 시야가 더 작아집니다.
    2. 로딩 테스트에서 그리드 이미지 모음
      1. 현미경의 이미지 레코딩 소프트웨어에서 "Capture"및 "File | Export | Image File"을 클릭하여로드하기 전에 관심 영역의 그리드 이미지를 저장하십시오.
      2. 로드 장치의 운영 소프트웨어를 사용하여 첫 번째로드 단계 ( 예 : 0.5 N 또는 0.024 mm)를 실행하여 현미경에 시편을로드하기 시작합니다.
      3. 기록현미경의 이미지 기록 소프트웨어에서 "Capture"및 "File | Export | Image File"을 클릭하여 첫 번째로드 단계 ( 예 : 0.5 N 또는 0.024 mm) 후 관심 영역의 그리드 이미지를 정렬하십시오. 현미경의 배율과 작동 거리가 변하지 않도록하십시오.
      4. 적재 장치를 사용하여 각 적재 단계를 수행하여 시험편을 계속 적재하십시오. 시편이 깨지거나 일정 값에 도달 할 때까지 ( 예 : 1 N, 1.5 N, 2.0 N, ..., 10 N, 19 간격으로로드하고 0.5 간격으로 19 개 격자 이미지를 기록 할 때까지) N, 또는 0.048mm, 0.072mm, 0.096mm, ..., 0.48mm, 0.024mm 간격). 현미경의 배율과 작동 거리가 변하지 않았는지 확인하십시오.
        참고 : 그리드 이미지는 임의의 시간 동안 저장할 수 있습니다.

    3. Def 전후 모아레 무늬 샘플링 생성정사

    1. 격자 이미지의 격자 피치 (픽셀) 추정
      1. 이미지 처리 소프트웨어 ( 예 : Microsoft 그림판)에서 인접한 두 격자 점의 중심 사이의 거리를 측정하여로드하기 전에 격자 이미지의 격자 피치 (단위 : 픽셀)를 계산합니다.
      2. 최대 부하에서 그리드 이미지의 그리드 피치를 추정합니다.
    2. 샘플링 피치 (픽셀)의 결정
      1. 변형 전후의 그리드 피치가 1.8 ~ 2.5 픽셀 일 때 3.2.2 단계로 이동합니다. 변형 전후의 그리드 피치가 2.4 ~ 3.6 픽셀 인 경우 3.2.3 단계로 건너 뜁니다. 변형 전후의 그리드 피치가 3.2 픽셀보다 큰 경우 3.2.4 단계로 건너 뜁니다.
      2. 샘플링 피치를 T = 2 픽셀로 설정하십시오. 3.3 단계로 건너 뜁니다.
      3. 샘플링 피치를 T = 3 픽셀로 설정하십시오. 3.3 단계로 건너 뜁니다.
      4. 샘플링 피치 T 를 양수로 설정하십시오.풍부한 시뮬레이션 결과로 결정된, 변형 전후의 그리드 피치의 0.75 배와 1.25 배의 정수.
        참고 : 3.2.1 및 3.2.4 단계의 요구 사항을 충족하는 2 개의 양의 정수가있는 경우 큰 정수를 샘플링 피치로 선택하는 것이 좋습니다. 요구 사항을 충족시키는 3 개 이상의 양의 정수가있는 경우 샘플링 피치보다 약간 큰 중간 정수를 선택하는 것이 좋습니다.
    3. 변형 전 샘플링 모아레 줄무늬 생성
      1. 변형되기 전에 그리드 이미지를 엽니 다. x 방향을 우측으로, y 방향을 수직 방향으로하고, 좌표 (0, 0)를 좌상 구석으로하고, x 방향의 화상 폭 W 및 y 방향의 상 높이 H 를 산출한다 .
        참고 : y 방향은 다음과 같이 정의 할 수도 있습니다.수직 상향으로.
      2. 3.3.3 단계로 이동하여 모아레 무늬를 y 방향으로 생성합니다. x 방향으로 모아레 무늬를 생성하려면 3.3.7 단계로 건너 뜁니다.
      3. 저역 통과 필터 (LPF)를 사용하여 그리드 이미지를 격자 이미지로 처리합니다. 예를 들어 FT 알고리즘을 사용하여 주 방향이 x 인 격자를 억제합니다. 주 방향은 격자 선에 수직 인 방향으로 정의됩니다. 필터 크기를 그리드 피치에 가깝게 설정하십시오.
      4. y = k 픽셀 ( k = 0) ( 그림 1 )에서 샘플링 피치 T ( T ≥2)의 간격을 사용하여 여러 가로선의 회색 값만 추출하여 그리드 이미지를 엷게 만듭니다. y = k 픽셀, y = k + T 픽셀, ..., y = k + iT 픽셀의 샘플링 라인에서의 값, 여기서 i 는 a양의 정수). 마지막 샘플링 라인 k + iT 의 좌표를 이미지 높이 H 보다 작게 만듭니다.
      5. 수평 샘플링 라인으로 이미지의 전계 강도 보간 (선형 또는 B 스플라인)을 수행하여 y 방향으로 샘플링 모아레 패턴을 생성합니다.
      6. 1 픽셀의 증분 단계에서 k 를 변경하여 3.3.4 및 3.3.5 T -1 번 단계를 반복하여 y 방향으로 다른 T -1 샘플링 모아레 패턴을 생성합니다 ( 예 : 시닝의 시작점을 y = k로 이동). k = 1, ..., T -1)을 생성한다.
      7. 단계 3.3.3에서 x 를 y 로 변경하고, 이미지 높이 H 를 이미지 너비 W 로 변경하여 3.3.3-3.3.6 단계와 동일한 절차를 사용하여 x 방향으로 T- 스텝 공간 위상 이동 샘플링 모아레 패턴을 생성합니다 단계 3.3에서 y 를 x 로 변경합니다.4-3.3.6.
        참고 : x 방향의 샘플링 피치는 y 방향의 샘플링 피치와 다를 수 있습니다.
    4. 변형 후 샘플링 모아레 줄무늬의 생성
      1. 다른로드에서 모든 그리드 이미지를 엽니 다. 격자 이미지의 수가 N 이라고 가정합니다.
      2. 3.3.3-3.3.6 단계를 반복하여 Y 방향으로 T- 스텝 공간 위상 이동 모아레 무늬의 N 그룹을 생성합니다.
      3. 3.3.7 N 단계를 반복하여 x 방향으로 T- 스텝 공간 위상 이동 모아레 무늬의 N 그룹을 생성합니다.

    4. 하중 시험시 시편의 변형 측정

    1. 변형 전후의 모아레 무늬의 강도 측정
      1. t에서 변형되기 전에 T- step 모아레 무늬의 강도를 추출합니다.3.3.5 및 3.3.6 단계에서 y 방향; 단계 3.3.7에서 x 방향의 므와 르 강도를 결정한다. 다음 방정식 23을 사용하여 j ( j = x , y ) 방향으로 변형하기 전의 T- 스텝 (T≥2) 모아레 강도를 기술하십시오.
        방정식 1 (1)
        여기서 p j 는 j ( j = x , y ) 방향에서 변형되기 전의 그리드 피치, A 는 변조 된 진폭, D 는 배경 및 고주파 강도를 포함합니다.
      2. 단계 3.4.2에서 y 방향 변형 후 T- 스텝 모아레 무늬의 강도를 추출하고 3.4.3 단계에서 x 방향의 모아레 강도를 결정합니다. 변형 후 T- step (T≥2) 모아레 강도를 기술하십시오.J ( k ), pj, A 및 D 를 I 'm, j ( k ), p '로 변경함으로써 상기 식 (식 1)과 동일한 방정식을 사용하여 j ( j = x , y ) j , A ', D '와 같이 나타낼 수있다.
        참고 : 샘플링 피치가 3 픽셀 이상인 경우이 단계를 무시하고 4.3 단계로 건너 뜁니다.
      1. 다음의 식 23을 사용하여 변형 이전에 2 단계 샘플링 모아레 강도 ( 그림 1a ) 간의 곱셈 간섭으로부터 곱셈 모아레 무늬를 재구성합니다
        등식 2 (2)
        여기서 나는 멀티, j 는 강도 o를 의미한다.f : 변형 전의 j ( j = x , y ) 방향으로 재구성 된 곱셈 모아레 줄무늬.
      2. 프린지 센터링 기술을 사용하여 변형하기 전에 재구성 된 다중화 모아레 줄무늬를 처리합니다 24 . 연속 된 정수와 반 정수 fj = [1, 1.5, 2, 2.5, ...]를 재구성 된 곱셈 모아레의 중심선에서 프린지 순서에 할당하십시오.
        참고 : 곱셈 모아레 무늬가 너무 조밀하면 두 단계 샘플링 모아레의 프린지 순서가 먼저 결정될 수 있습니다 ( 즉, f j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] 및 fj (1) = [0, 1.5, 0, 2.5, 0, 3.5, ...]). 곱셈 모아레 줄무늬의 프린지 순서는 fj = fj (0) + fj (1) = [1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, ...]가 될 것이다. 강체 변위는 변형률 결과에 영향을 미치지 않습니다.
      3. 다음 식 23을 사용하여 샘플링 피치에 대한 변형 이전의 시험편의 상대 변형률을 측정합니다
        등식 3 (삼)
        등식 4 (4)
        여기서 u j _rela 와 ε j _rela 는 각각 j ( j = x , y ) 방향에서의 변형 전의 시편의 상대 변위와 상대 변형률을 나타내고, γ xy _rela는 변형 전의 상대 전단 변형률을 나타낸다.
      4. I multi, j , I m, j (0), I m, j를 변화시켜 N 회 동안 x 및 y 방향으로 변형시킨 후 시험편의 상대 변형을 결정하기 위해 4.2.1-4.2.3 단계를 반복 한다. I ' multi, j , I ' , j ' , j ' , j ' y '), ε'j_rela , 및 γ ' xy_rela 를 각각 사용하여, 각각 m, j (0), I 'm, j (1), p'j , A ', D ' 여기서 위 첨자 단일 인용 부호는 변형 이후를 의미합니다.
      5. j ( j = x , y ) 방향의 실제 수직 변형량 ε j 를 결정합니다.이 방향은 격자 피치와 전단 변형률 γ xy 의 상대 변화입니다.e 변형 전후의 상대 변형률에 의한 하중에 의한 시험편의 그리드 각도 변화 20 .
        등식 5 (5)
        등식 6 (6)
    3. 변형 측정 샘플링 피치가 T ≥ 3 픽셀 인 경우
      1. 공간 위상 이동 기술을 사용하여 k = 0 일 때 변형 이전에 j ( j = x , y ) 방향으로 샘플링 모아레 무늬의 위상을 계산합니다 ( 그림 1b ).
        등식 7 (7)
      2. φ = m 을 대입하여 k = 0 일 때 변형 후 j ( j = x , y ) 방향으로 샘플링 모아레 무늬의 위상을 얻는다 . φ ' m, j 및 I 'm, j ( k )로 각각 식 (7)에서 I m, j 및 I m, j ( k ) N 개의 로드에 대해 N 번 반복합니다.
        참고 : 4.3.1 및 4.3.2 단계의 위상 분포에 너무 많은 무작위 노이즈가있는 경우 sin / cos 필터 25 를 사용하여 위상을 평활화 할 수 있습니다.
      3. 변형 전후의 j ( j = x , y ) 방향 ( 즉, Δ φ m, j = φ m, j - φ m, j )에서의 샘플링 모아레 무늬의 위상차를 결정한다.
      4. 변위의 분포 u j , 정상 변형 ε j 를 j = x , y ) 방향과 하중에 의한 시편의 전단 변형률 γ xy 를 구한다. 다음 방정식 6 , 21을 사용하십시오.
        등식 8 (8)
        등식 9 (9)
        등식 10 (10)
        참고 : 변형률 분포에 너무 많은 노이즈가있는 경우 필터 크기가 2 그리드 피치보다 작은 평균 평활화 필터를 사용할 수 있습니다.
    4. 결과 저장소
      1. .tif 또는 .bmp 파일과 같은 이미지 형식 및 .txt 또는 .csv와 같은 텍스트의 모아레 무늬, 위상 (샘플링 피치가 T ≥3 픽셀 일 때), 변위 및 변형을 저장합니다. 파일.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

2 개의 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP) 시편 (# 1 및 # 2)의 2D 변위 및 변형률 분포는 모아레 형성 원리 23 및 측정 프로세스 ( 그림 1 )에 따라 측정되었습니다. CFRP 시험편은 직경이 10-11 μm 인 K13D 탄소 섬유와 에폭시 수지로 만들어졌다. CFRP # 1의 변형은 2 단계 샘플링 모아레 무늬에서 재구성 된 곱셈 모아레 법을 사용하여 결정되었고, CFRP # 2의 것은 3 단계 샘플링 모아레 무늬로부터 공간 위상 변이 샘플링 모아레 법을 사용하여 측정되었다.

A) CFRP # 1의 변형 측정

CFRP # 1의 두께, 길이 및 폭은 각각 1 mm, 22 mm 및 4 mm입니다 ( 그림 2a ). 길이 d모든 섬유의 방향은 1x22mm2 표면에 수직이었으며, 이는 샌드 페이퍼 및 연마 용액을 사용하여 연마되었다. 3.0μm 피치의 그리드는 UV 나노 임프린트 리소그래피를 사용하여 연마 된 표면 상에 제조되었다 ( 그림 2b ). 가장 큰 인장 변형을 모니터링하기 위해 스트레인 게이지를 바닥 4x22mm 2 표면에 붙여 넣었다.

3 점 굽힘 시험은 레이저 스캐닝 현미경 하에서 16 mm의지지 간격을 갖는 하중 지그를 사용하여 CFRP # 1에서 수행되었다. 스팬 - 심도 비율은 미국 재료 시험 협회 (ASTM) 표준에 따라 16이었다. 스트레인 게이지 값이 0과 0.00533 일 때 그리드 이미지 ( 그림 2b )가 기록되었습니다. 현미경의 대물 렌즈의 배율은 5 배이고, 스캐닝 해상도는 1,024 x 1,024이다. x 방향은 가로 방향입니다.y 방향은 수직 상향이다.

x 와 y 방향 모두에서 CFRP # 1의 그리드 피치는 기록 된 이미지에서 약 2 픽셀 이었기 때문에 두 방향의 다운 샘플링 피치는 변형 측정을 위해 T = 2 픽셀로 설정됩니다. 스캐닝 왜곡의 잠재적 영향을 피하기 위해 1.26 x 0.53 mm 2 크기의 중앙 영역이 관심 영역으로 선택되었습니다. 2- 픽셀 다운 샘플링과 식 (2)에서 2 단계 샘플링 모아레 패턴과 재구성 된 곱셈 모아레 패턴이 변형 후 생성되었습니다 ( 그림 2c ). 방정식 (3) 및 (4)를 사용하여, 변형 게이지 값이 0.00533 일 때 샘플링 피치에 대한 변형이 계산되었다. 유사하게, 변형 게이지 값이 0 일 때의 상대적 변형이 또한 얻어졌다. 마지막으로, 실제 변형 분포, inc방정식 (5)와 (6)을 사용하여 2D 변위 ( 그림 2d ), 2D 법선 변형률 및 전단 변형률 ( 그림 2e )을 측정했습니다.

변위 분포 ( 그림 2d )에서 x- 방향 변위는 왼쪽 위와 오른쪽 아래 모서리에서는 양의 값이지만 다른 두 모서리에서는 음수 값입니다. y- 방향 변위는 전체 영역에서 음이며 중앙 영역에서 최소이다. 이것은 굽힘 시험편의 변형 특성과 잘 일치합니다. 변형률 분포 ( 그림 2e )로부터 상부 영역은 x 방향으로 압축 변형을 가지지 만 y 방향으로는 인장 변형을 지니고 하부 영역은 x 방향에서 인장 변형을 가지지 만 y 방향에서 압축 변형을 가지며, 이는 흥미로운 변형을 나타낸다 기음독 특성. 전단 변형률은 굽힘 특성에 따라 왼쪽 영역에서는 음이며 오른쪽 영역에서는 양수입니다.

B) CFRP # 2의 변형 측정

적층 CFRP # 2의 두께, 길이 및 폭은 각각 1 mm, 30 mm 및 5 mm이다 ( 그림 3a ). 8 층이 있고, 각 층의 두께는 0.13mm이다. 모든 섬유의 길이 방향은 1 x 30 mm 2 표면에 직각이었으며,이 표면은 모래 종이와 연마 용액을 사용하여 연마되었습니다. 3.7μm 피치의 그리드는 UV 나노 임프린트 리소그래피 ( 그림 3b )를 사용하여 연마 된 표면에 가공되었습니다.

3 점 굽힘 시험은 레이저 스캐닝 현미경 하에서 16 mm의지지 간격을 갖는 하중 지그를 사용하여 수행되었다. span-to-d깊이의 비율은 또한 16이었다. 0.2 N 예압에서 그리드 이미지가 처음으로 기록되었다. 하중이 10.8 N이고 처짐이 -200 μm 일 때 변형 된 격자 이미지도 기록되었습니다 ( 그림 3b ). 현미경의 대물 렌즈의 배율은 5 배이고, 결상 줌은 120 %이고, 스캐닝 해상도는 1,024 x 1,024 픽셀이다. x 방향은 수평 방향 오른쪽이고 y 방향은 수직 방향 상향입니다.

CFRP # 2의 x 방향 과 y 방향의 그리드 피치는 기록 된 이미지에서 약 3 픽셀 이었으므로 두 방향의 다운 샘플링 피치는 변형 측정을 위해 T = 3 픽셀로 설정됩니다. 스캐닝 왜곡의 잠재적 영향을 피하기 위해 1.15 x 0.49 mm 2 크기의 중앙 영역을 관심 영역으로 선택했습니다. 단계 4.3에 설명 된 방법을 사용하여 모아레 위상 차이x 방향 과 y 방향으로 0.2N과 10.8N의 번짐이 얻어졌다 ( 그림 3c ). 2D 평면 내 변위 ( 그림 3D ), 2D 법선 변형 및 전단 변형 ( 그림 3e )의 분포가 결정되었습니다.

CFRP # 2의 변위 분포 ( 그림 3d )는 y 방향 변위가 약간 다르다는 점을 제외하면 CFRP # 1 ( 그림 2d )과 유사합니다. x- 방향 변형과 CFRP # 2의 전단 변형 ( 그림 3e )의 특징은 CFRP # 1 ( 그림 2e )의 것과 유사하며 굽힘 시험편의 변형 형상과 일치합니다. 그러나, CFRP # 2의 y- 방향 변형 ( 그림 3e )은 다르다CFRP # 1은 CFRP # 2가 라미네이트 된 시험편이기 때문에 CFRP # 1의 것보다 빠르다. y- 방향 변형의 분포로부터 여러 층이 관찰 될 수 있는데, 이는 전체 영역에서 거의 음의 값을 갖는다.

그림 1
그림 1 : 모아레 형성 원리 및 측정 과정 샘플링. ( a ) 샘플링 피치가 T = 2 픽셀 인 경우 2 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 재구성 된 모아레의 생성 원리. ( b ) 샘플링 피치가 T ≥3 픽셀 일 때 다단계 위상 시프트 샘플링 모아레 프린지의 형성 원리 및 모아레 위상에 대한 측정 프로세스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

p-together.within-page = "1"> 그림 2
그림 2 : CFRP # 1의 변형 측정 결과. ( a ) 레이저 현미경 및 시편 다이어그램에서의 3 점 굽힘 시험의 실험 설정. ( b ) 마이크로 그리드가있는 CFRP # 1의 표면 관찰. ( c ) 스트레인 게이지 값이 0.00533 일 때 2 단계 샘플링 모아레 패턴과 재구성 된 곱셈 모아레 패턴. ( d ) x 와 y 방향으로 측정 된 변위 분포. ( e ) CFRP # 1의 x 방향, y 방향 및 전단 변형의 측정 된 분포. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3 "class ="xfigimg "src ="/ files / ftp_upload / 55739 / 55739fig3.jpg "/>
그림 3 : 적층 CFRP # 2의 변형 측정 결과. ( a ) 레이저 현미경을 이용한 3 점 굽힘 시험도. ( b ) 마이크로 그리드가있는 CFRP # 2의 표면 관찰. ( c ) x 및 y 방향으로 0.2 N 예압 및 10.8 N 하중에서 샘플링 모아레 무늬의 래핑 된 위상 (범위 : -π ~ π) 분포. ( d ) x 방향 과 y 방향으로 측정 된 변위 분포. y 방향의 처짐 (-200 μm)이 표시되지 않았습니다. ( e ) CFRP # 2의 x 방향, y 방향 및 전단 변형의 측정 된 분포. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

설명 된 기술에서 표본에 주기적 패턴이없는 경우 도전 과제 중 하나는 도전 과제 인 마이크로 / 나노 스케일 그리드 또는 격자 (그리드로 약칭 ) 입니다. 그리드 피치는 변형 측정에 중요한 매개 변수이기 때문에 변형 전에 일정해야합니다. 재료가 금속, 금속 합금 또는 세라믹 인 경우, UV 또는 가열 나노 임프린트 리소그래피 (NIL) ( 27) , 전자빔 리소그래피 (EBL) 2 , 집속 이온빔 (FIB) 밀링 ( 6 ) 또는 그리드 복제 법 (26) 익숙한. 재료에 약한 폴리머가 포함되어 있으면 EBL 및 FIB 밀링이 제안되지 않습니다. 재료의 구성 요소가 내열성이 아닌 경우 NIL을 사용할 수 없습니다. 시험편이 박막 인 경우, 시험편을 분리하는 것이 쉽지 않기 때문에 그리드 복제 방법을 적용하기 어렵다.

의 중요한 단계는제안 된 기법을 사용하여 변형 전후의 그리드 이미지의 변형률 측정은 종래의 간섭 모아레 무늬의 형성 원리와 다른 원리 인 샘플링 모아레 무늬 (22 )의 생성이다. 명료 한 샘플링 모아레 무늬를 생성하기 위해 FT 알고리즘과 같은 저역 통과 필터를 사용하여 원하지 않는 선이나 점을 억제 할 수 있습니다. 샘플링 모아레 줄무늬가 다운 샘플링 ( 예 : 격자 이미지 thin아 내기) 및 선형 강도 보간 후에 불규칙한 경우 평균 필터와 같은 평활화 필터를 다운 샘플링 전에 채택 할 수 있습니다. 두 번째 또는 세 번째 B- 스플라인 보간 알고리즘을 사용하여 뚜렷한 샘플링 모아레 무늬를 생성하는 강도 보간에 사용할 수 있습니다.

전통적인 모아레 법과 비교할 때, 스트레인 분포 측정을 위해 제안 된 샘플링 모아레 기법은간단한 2D 변형 측정 및 간단한 가공, 고속, 높은 변형 민감도 및 높은 측정 정확도 23 . 2D 스트레인 측정은 종래의 방법에서 필요로하는 현미경의 샘플 스테이지 또는 스캐닝 라인을 회전시키지 않고도 용이하게 수행 될 수있다. 또한 필요한 정보가 각 하중에서 단일 샷 그리드 이미지이기 때문에 동적 변형을 측정 할 수 있습니다. 이것은 시간상 위상 변이 모아레 방법으로는 수행 할 수 없으며, 각 그리드 또는 모아레 이미지는 각 부하에서의 시간과 함께 필요하기 때문입니다.

설명 된 기술로 마이크로 / 나노 저울에서 2D 변형 측정을 쉽게 할 수 있지만 다른 기술과 마찬가지로 한계가 있습니다. 기록 된 이미지의 격자 피치는 2 픽셀 또는 다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬를 생성하기 위해 1.8 픽셀보다 커야합니다. 이미지의 격자 피치가 약 2 pi 인 경우2 픽셀 샘플링 모아레 줄무늬는 같은 배율에서 동일한 시야로 현미경 스캐닝 모아레 줄무늬 대신 사용할 수 있습니다. 그러나 이미지의 격자 피치가 고유 한 스캐닝 모아레 경계를 직접 관찰 할 수있는 경우 현미경의 최고 스캐닝 해상도에서 약 1 픽셀 인 경우 샘플링 모아레 무늬가 동일한 배율로 형성 될 수 없습니다. 현미경 배율을 높이면 모아레 무늬 샘플링이 생성 될 수 있지만 변형 측정을위한 시야가 감소합니다. 다행히 상업용 현미경의 스캐닝 해상도가 향상되고 있으며 대부분의 경우 모아레 무늬를 샘플링 할 수 있습니다. 스캐닝 해상도가 높을수록 그리드 피치 하나의 픽셀 수가 커지고 변형 측정 정확도가 높아집니다.

2 픽셀 샘플링 모아레 fri에서 재구성 된 곱셈 모아레 방법과 반대되는 점다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 공간 위상 시프트 샘플링 모아레 방법은 처리 속도가 빨라지고 측정 정확도는 더 높지만 시야는 더 작아진다. 방법 선택은 표본 그리드 피치의 픽셀 수 또는 표본 그리드 피치의 픽셀 수를 제어 할 수있는 경우 필요한 측정 정확도 및 시야각에 따라 달라집니다. 두 가지 방법 모두 비파괴 변형 측정을하고 기계적 특성, 균열 발생 및 성장, 잔류 응력, 결함 탐지, 구조적 특성 등을 정량적으로 평가하는 데 유용합니다 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgments

이 작업은 JSPS KAKENHI, 교부금 번호 JP16K17988 및 JP16K05996 및 내각부가 운영하는 구조적 재료 (SIP-IMASM)에 대한 혁신적인 측정 및 분석의 D66 부서 간 전략적 혁신 진흥 프로그램에 의해 지원되었습니다. 저자는 또한 Drs에게 감사하고 있습니다. NIMS의 Kishimoto Satoshi와 Naito Kimiyoshi의 CFRP 자료.

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

공학 문제 123 변형 분포 변형률 측정 샘플링 모아레 이미지 처리 광학적 방법 마이크로 / 나노 스케일 복합 재료
샘플링 모아레 프린지에서의 마이크로 / 나노 스케일 변형률 측정
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