Измерение распределения микро / наномасштабных деформаций по выборке Муаровые обводки

Краткое содержание

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

Аннотация

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.

Введение

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.

Протокол

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.
3. 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.
4. 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 :
      (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.
2. 1. Восстановите муаровые полосы умножения из мультипликативной интерференции между двухступенчатыми интенсивностями муара ( рис. 1a ) перед деформацией, используя следующее уравнение ²³
      (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
      (3)
      (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 .
      (5)
      (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
      (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}
      (8)
      (9)
      (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.

Результаты

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 ...

Обсуждение

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...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Автоматический полировальный станок	Marumoto Struers K.K.	LaboPol-30, Рабочая сила-100
Углепластик	Mitsubishi Plastics, Inc.
Компьютер	DELL Japan	VOSTRO	Может быть заменен на другой компьютер с языком программирования C++
Программное обеспечение для записи изображений	Lasertec Corporation	LMEYE7	Установлен в лазерный сканирующий микроскоп
Ion Coater	Japan Electron Optics Laboratory Ltd.
Лазерный сканирующий микроскоп	Lasertec Corporation	OPTELICS HYBRID
Nanoimprint Device	Japan Laser Corporation	EUN-4200	Может быть заменен на устройство электронно-лучевой литографии или фрезерное устройство с сфокусированным ионным пучком
Nanoimprint Mold	SCIVAX Corporation	3.0μ Индивидуальный
наноимпринт Resist	Toyo Gosei Co., Ltd	Полировальный раствор PAK01
	Marumoto Struers K.K.	DP-Spray P 15μ m, 1μ m, 0,25μ m	Используйте от крупной до мелкой
пипетки	AS ONE Corporation	10 мл
наждачной бумаги	Marumoto Struers K.K.	Фольга SiC #320, #800	Использование от грубого до мелкого
Spin Coater	MIKASA Corporation	MS-A100