Waiting
Login processing...

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

Engineering

Mikro / Nano-skala Distansmätning från provtagning Moiré Fringes

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

En provtagningsmoiréteknik med 2-pixel och flerpixelprovtagningsmetoder för mätningar med hög noggrannhet vid distansmätning på mikro / nanoskala presenteras här.

Abstract

I det här arbetet beskrivs mätproceduren och principerna för en provtagningsteknisk teknik för fullfältmätning av mikro / nanoskaladeformationer. Den utvecklade tekniken kan utföras på två sätt: med hjälp av den rekonstruerade multiplikationsmoirémetoden eller den rumsliga fasförskjutande provtagningsmoirémetoden. När provstegsbredden är cirka 2 pixlar genereras 2-pixelprovtagnings-moiréfransar för att rekonstruera ett multipliceringsmoirémönster för en deformationsmätning. Både förskjutnings- och belastningsfelheten är dubbelt så hög som i den traditionella scanning moirémetoden i samma breda synvinkel. När provstegsbredden är omkring eller större än 3 pixlar alstras flera pixelprovtagningsmoiréfransar, och en rymdfasskiftteknik kombineras för en mätning med fullfältdeformation. Mätnoggrannheten för belastningen förbättras signifikant, och det är enkelt att uppnå automatisk satsmätning.Båda metoderna kan mäta de tvådimensionella (2D) stamfördelningarna från en enstaka gallerbild utan att rotera provet eller scanningslinjerna, som i traditionella moiré-tekniker. Som exempel uppmättes 2D-förskjutnings- och stamfördelningarna, inklusive skjuvstammar av två kolfiberförstärkta plastprover, i trepunktsböjningstest. Den föreslagna tekniken förväntas spela en viktig roll i de icke-destruktiva kvantitativa utvärderingarna av mekaniska egenskaper, sprickuppträdanden och restspänningar av olika material.

Introduction

Mikro / nanoskala deformationsmätningar är avgörande för utvärdering av de mekaniska egenskaperna, instabilitetsbeteenden, restspänningar och sprickuppträdanden av avancerade material. Eftersom optiska tekniker är kontaktfria, fullfält och icke-destruktiva har olika optiska metoder utvecklats för deformationsmätning under de senaste decennierna. Under de senaste åren har mikrometano-skala-deformationsmätningsteknikerna huvudsakligen inkluderat moirémetoderna 1 , 2 , 3 , 4 , geometrisk fasanalys (GPA) 5 , 6 , Fouriertransformation (FT), digital bildkorrelation (DIC) och Elektroniskt speckmönsterinterferometri (ESPI). Bland dessa tekniker är GPA och FT inte väl lämpade för komplexa deformationsmätningar eftersom flera frekvenser existerar. DIC-metoden är simPle men maktlös mot ljud eftersom deformationsbäraren är slumpmässig speckle. Slutligen är ESPI starkt känslig för vibrationer.

Bland moirémetoder med mikro / nanoskala är de vanligaste metoderna för närvarande mikroskopscanning moiré-metoder, såsom elektroniska scanning moiré 7 , 8 , 9 , laserskanning moiré 10 , 11 och atomkraftmikroskop (AFM) moiré 12 , Och vissa mikroskopbaserade moirémetoder, såsom den digitala / överlappande moiré 13 , 14 , 15- metoden och multiplikations / fraktional moirémetoden 16 , 17 . Skanning moiré-metoden har många fördelar, såsom ett brett synfält, hög resoLution och okänslighet för slumpmässigt brus. Den traditionella avsökning moirémetoden är emellertid obekvämt för 2D-stammätningar eftersom det är nödvändigt att rotera provsteget eller avsökningsriktningen med 90 ° och skanna två gånger för att generera moiréfransar i två riktningar 18 . Rotation och dubbla skanningsprocesser introducerar rotationsfel och tar lång tid, vilket på allvar påverkar mätnoggrannheten hos 2D-stammen, speciellt för skjuvspänningen. Fastän den temporära fasförskjutningstekniken 19 , 20 kan förbättra deformationsmätningsnoggrannheten, kräver det tid och en speciell fasskiftningsanordning olämplig för dynamiska test.

Provtagningsmoirémetoden 21 , 22 har en hög noggrannhet i förskjutningsmätningar och används nu huvudsakligen för avböjningsmätningar på broar när bilar pröv. För att förlänga provtagningsmoirémetoden till mätning av mikro / nanoskala 2D-stammen har en rekonstruerad multipliceringsmirémetod nyligen utvecklats 23 från 2-pixel sampling moiré fringes, där mätningarna är dubbelt så känsliga och det breda synfältet på Scanning moiré-metoden hålls. Dessutom utvecklas den rumsliga fasförskjutande provtagningsmoiré-metoden också från flera pixelprovtagningsmoiréfransar, vilket möjliggör mätningar med hög noggrannhet. Detta protokoll kommer att introducera detaljerad belastningsmätning och förväntas hjälpa forskare och ingenjörer att lära sig att mäta deformation, förbättra tillverkningsprocesser av material och produkter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Bekräftelse av Micro / Nano-skalan på provet

  1. Bearbetning av provet
    1. Klipp provet till den storlek som krävs av den specifika laddningsanordningen som används under ett mikroskop ( t.ex. 1 x 5 x 30 mm 3 ), vilket gör att ytan ska observeras 1,5 gånger större än det område som är av intresse.
    2. Polera provytan som ska observeras ( t.ex. 1 x 30 mm 2 ), använd successivt med grovt och fint sandpapper på en automatisk polermaskin (använd t.ex. SiC-folie # 320 i 3 minuter och sedan # 800 i 1 min vid 150 varv per minut Och 30 N). Rengör provet med vatten efter varje poleringsteg.
    3. Polera samma provyta, använd successivt grova och fina poleringslösningar på den automatiska polermaskinen ( t.ex. använd DP-Spray P 15 μm i 5 min, P 1 μm i 8 min och P 0,25 μm i 10 min vid 150 rpm och 30 N). Rengör provet med vatten efter varje poleringG steg.
  2. Tillverkning av Micro / Nano-skalan Om inget periodiskt mönster finns på provet
    OBS! Det här steget kan utelämnas om det finns ett naturligt periodiskt mönster på mikro / nano-skalan på provytan. Välj rutnätmetoden från följande: ultraviolett (UV) eller uppvärmningsnanoimprint litografi (NIL) 26 , elektronstrållitografi (EBL) 2 , och fräsning med fokuserad jonstråle (FIB) 6 .
    OBS: Gittertillverkningen introduceras här, med UV NIL som exempel.
    1. Släpp 2 ml UV-resist på provytan med hjälp av en pipett.
    2. Belägg resisten på provytan med hjälp av en spincoater vid 1500 rpm i 60 s.
    3. Pressa en nanoimprint-form till resistskiktet med ett tryck av 0,2 MPa. Exponera resisten mot UV med en våglängd på 375 nm i 30 s.
    4. Separera nanoimprintformen från provytan.
    5. Observation av gallret på provet med hjälp av ett mikroskop
      1. Belägga ett platina eller guldlager med en tjocklek på 3-10 nm på gallerytan med en jonbeläggare ( t.ex. beläggning i 30 s vid 3 Pa med en sputtermängd på 30 mA).
      2. Sätt provet under ett laserskanningsmikroskop (LSM) 23 .
        OBS: Andra mikroskop kan också användas, såsom ett transmissionselektronmikroskop (TEM) 5 , ett atomkraftmikroskop (AFM) 12 eller ett avsökande elektronmikroskop (SEM) 7 .
      3. Justera fokus och spara en bild med hjälp av mikroskopet genom att klicka på "Capture" och "File | Export | Image File" i mikroskopets bildinspelningsprogram.
    6. Beräkning av rutnätet (nm eller μm) av provet från rutnätet
      1. Beräkna medelvärdet på mer än 10 grId-platser i det centrala området av rutnätet för att undvika det potentiella inflytandet av avsökning eller linsförvrängning.
        OBS: Nätet på provet kan sparas i flera dagar vid rumstemperatur.

    2. Förvärv av gallerbilder i laddningstestet

    1. Förberedelse av laddningstestet under mikroskopet
      1. Fixera provet till en lastanordning, t.ex. en drag-, tryck-, värme- eller elektrisk laddningsanordning, under mikroskopet.
        ANMÄRKNING: Om rutnätet är mindre än 20 nm, ska en TEM eller AFM användas. Om gallernivån är 20 nm till 10 μm kan en SEM användas. Om gallernivån är större än 400 nm kan en LSM användas.
      2. Ställ in lasthastigheten ( t.ex. 0,01 mm / s) och belastnings- eller förskjutningssteget ( t.ex. 0,5 N / steg eller 0,024 mm / steg) enligt de specifika kraven. Förinställde både belastningen och förskjutningen till noll.
      3. Gör nätet surfaEss i observationsplanet. Välj ett område av intresse under låg förstoring genom att flytta eller rotera mikroskopets provsteg.
      4. Välj en lämplig förstoring genom att göra rutnätet i bilden större än 1,8 × en pixelstorlek.
        OBS! Vanligtvis är det bättre att göra rutnätet i bilden större än 2 pixlar. Ju fler pixlar en rutnivån motsvarar, ju högre noggrannhet av deformationsmätningen, desto mindre är mätningsfältet.
    2. Samling av gallerbilder i laddningstestet
      1. Spara en rutnätbild av intresseområdet före laddning genom att klicka på "Capture" och "File | Export | Image File" i mikroskopets bildinspelningsprogram.
      2. Börja ladda provet in situ på mikroskopet genom att utöva det första belastningssteget ( t.ex. 0,5 N eller 0,024 mm) med användarprogrammet för laddningsenheten.
      3. RecOrd en gridbild av intresseområdet efter det första belastningssteget ( t.ex. vid 0,5 N eller 0,024 mm) genom att klicka på "Capture" och "File | Export | Image File" i mikroskopets bildinspelningsprogram. Kontrollera att mikroskopets förstoring och arbetsavstånd förblir oförändrade.
      4. Fortsätt ladda provet genom att utöva varje laststeg med laddningsanordningen. Spela in gallerns bild efter varje laddningstakt tills provet är brutet eller tills ett visst värde uppnås ( t ex ladda 19 gånger och spela in 19 gallerbilder vid 1 N, 1,5 N, 2,0 N, ..., 10 N, med intervaller på 0,5 N, eller vid 0,048 mm, 0,072 mm, 0,096 mm, ..., 0,48 mm, med intervall på 0,024 mm). Se till att mikroskopets förstoring och arbetsavstånd förblir oförändrat.
        OBS! Nätbilderna kan sparas under godtycklig lång tid.

    3. Generering av provtagning Moiré Fringes före och efter Deformation

    1. Uppskattning av rutnätpunkter (pixel) i rutnätet
      1. Uppskatta rutnätet (enhet: pixel) i rutnätet innan du laddar upp det genom att mäta avståndet mellan centra av två intilliggande rutnätpunkter i en bildbehandlingsprogramvara ( t.ex. Microsoft Paint).
      2. Uppskatta rutnätet i gallerbilden vid maximal belastning.
    2. Bestämning av provtagningspunkten (pixel)
      1. Flytta till steg 3.2.2 när rutnätet före och efter deformationen ligger mellan 1,8 och 2,5 pixlar. Gå vidare till steg 3.2.3 när rutnätet före och efter deformationen ligger mellan 2,4 och 3,6 pixlar. Gå till steg 3.2.4 när gallret ställs före och efter deformation är större än 3,2 pixlar.
      2. Ställ provtagningshöjden till T = 2 pixlar. Gå vidare till steg 3.3.
      3. Ställ provtagningshöjden till T = 3 pixlar. Gå vidare till steg 3.3.
      4. Ställ provtagningshöjden T till en positivHeltal inom 0,75x och 1,25x rutnätplatserna före och efter deformation bestämd från rikliga simuleringsresultat 22 .
        OBS! Om det finns 2 positiva heltal som uppfyller kraven i steg 3.2.1 och 3.2.4 är det bättre att välja det större heltalet som provtagningshöjd. Om det finns 3 eller flera positiva heltal som uppfyller kraven är det bättre att välja mitttalet, så länge det är lite större än provtagningshöjden.
    3. Generering av provtagning Moiré Fringes före deformation
      1. Öppna gallerbilden före deformation. Om man antar att x- riktningen är horisontellt höger, är y- riktningen vertikalt nedåt och koordinaten (0, 0) ligger längst upp till vänster, beräknar bildbredden W i x- riktningen och bildhöjden H i y- riktningen .
        OBS: Y- riktningen kan också definieras somVertikalt uppåt.
      2. Flytta till steg 3.3.3 för att generera moiréfransar i y- riktningen. Gå vidare till steg 3.3.7 för att generera moiréfransar i x- riktningen.
      3. Bearbeta gallerbilden till en gallerbild med ett lågpassfilter (LPF). Använd till exempel en FT-algoritm för att undertrycka gallret med en huvudriktning av x , där huvudriktningen definieras som riktningen vinkelrätt mot gitterlinjerna. Ställ in filterstorleken nära gridhöjden.
      4. Tunna ut gallret bilden genom att bara extrahera de grå värdena i flera horisontella linjer, med avståndet mellan provtagningshöjden T ( T ≥2) från y = k pixlar ( k = 0) ( Figur 1 ) Värden i samplingslinjer av y = k pixlar, y = k + T pixlar, ..., y = k + iT pixlar, där jag är en poSiffra heltal). Gör koordinaten för den sista samplingslinjen, k + iT , mindre än bildhöjden H.
      5. Generera ett provtagnings moirémönster i y- riktningen genom att utföra fullfältintensitetsinterpolering (linjär eller B-spline) av bilden med horisontella samplingslinjer.
      6. Generera andra T -1-samplingsmoirémönster i y- riktningen genom att upprepa steg 3.3.4 och 3.3.5 T -1 gånger genom att ändra k vid stegvis steg på 1 pixel ( dvs byta utgångspunkten för utspädning till y = k Pixlar; k = 1, ..., T- 1).
      7. Använd samma procedurer i steg 3.3.3-3.3.6 för att generera T- step-rumsliga fasförskjutande samplingsmoirémönster i x- riktningen genom att ändra x till y i steg 3.3.3, ändra bildhöjd H till bildbredd W , Och ändra y till x i steg 3.3.4-3.3.6.
        OBS: Samplingshöjden i x- riktningen kan skilja sig från den i y- riktningen.
    4. Generering av provtagning Moiré Fringes efter deformation
      1. Öppna alla gallerbilder med olika belastningar. Antag att antalet gallerbilder är N.
      2. Generera N grupper av T -step-rumsfasskiftande moiréfransar i y- riktningen genom att upprepa steg 3.3.3-3.3.6 N gånger.
      3. Generera N grupper av T -step-rumsfasskiftande moiréfransar i x- riktningen genom att upprepa steg 3.3.7 N gånger.

    4. Deformationsmätning av provet i laddningstestet

    1. Bestämning av intensiteten hos Moiré Fringes före och efter deformation
      1. Extract intensiteterna av T- steg moiré fransarna före deformation i tHan riktar sig i steg 3.3.5 och 3.3.6; Bestämma dessa moiréintensiteter i x- riktningen i steg 3.3.7. Beskriv T- stegen ( T ≥2) moiréintensiteter före deformation i j ( j = x , y ) riktningen med hjälp av följande ekvation 23 :
        Ekvation 1 (1)
        Där pj är gridtonen före deformation i j ( j = x , y ) riktningen, A är den modulerade amplituden och D inkluderar bakgrunden och högre frekvensintensiteterna.
      2. Extract intensiteterna av T- steg moiré-fransarna efter deformation i y- riktningen i steg 3.4.2 och bestämma dessa moiréintensiteter i x- riktningen i steg 3.4.3. Beskriv T- stegen ( T ≥ 2) moiréintensiteter efter deformationI j ( j = x , y ) riktningen med samma ekvation som ovan (ekvation 1) genom att ändra I m, j ( k ), pj , A och D till I ' m, j ( k ), p ' J , A 'respektive D ', där det superskriptiva citatet betyder efter deformation.
        OBS! Om provtagningshöjden är T ≥ 3 pixlar, ignorera detta steg och hoppa över till steg 4.3.
      1. Rekonstruera multiplikation moiré fringes från multiplikativ interferens mellan de tvåstegs provtagning moiré intensiteterna ( Figur la ) före deformation med användning av följande ekvation 23
        Ekvation 2 (2)
        Där jag multi, j står för intensiteten oF de rekonstruerade multiplikationsmoiréfransarna i j ( j = x , y ) riktningen före deformation.
      2. Bearbeta de rekonstruerade multipliceringsmoiréfransarna före deformation med hjälp av franscentreringsmetoden 24 . Tilldela sammanhängande heltal och halva heltal f j = [1, 1,5, 2, 2,5, ...] till frynsordrarna vid de centrala linjerna i den rekonstruerade multiplikationsmoiréen.
        ANMÄRKNING: Om multiplikationsmoiréfransarna är för täta kan frynsordrarna för tvåstegs provtagnings moiré bestämmas först ( dvs f j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] och Fj (1) = [O, 1,5, O, 2,5, O, 3,5, ...]). Frynsordningen av multipliceringsmoiréfransarna kommer att vara f j = f j (0) + f j (1) = [1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, ...]. Styvförskjutningen påverkar inte belastningsresultatet.
      3. Mät provets relativa belastning före deformation i förhållande till provtagningshöjden med hjälp av följande ekvationer 23
        Ekvation 3 (3)
        Ekvation 4 (4)
        Där u j _rela och ε j _rela representerar relativ förskjutning och relativ belastning av provet före deformation i respektive j ( j = x , y ) riktningen och yyy _rela uttrycker den relativa skjuvstammen före deformation.
      4. Upprepa steg 4.2.1-4.2.3 för att bestämma provets relativa stammar efter deformation i x- och y-riktningarna för N- gånger, ändra I- m, j , Im , j (0), I m, j pj , A , D, uj _rela ( j = x , y ), e j _rela och y xy _rela i ekvationerna (2) - (4) till I ' multi, j , I ' M, j (0), I ' m, j (1), p ' j , A ', D ', u ' j _rela (j = x, y), e ' j _rela och y ' xy _rela , Där det superskriptiva citatet betyder efter deformation.
      5. Bestäm den faktiska normala spänningen ε j i j ( j = x , y ) riktningen, vilket är den relativa förändringen av rutnivån och skjuvspänningen, y xy , vilket är absolutE variation av provets vinkelvinkel orsakad av belastningen från de relativa stammarna före och efter deformationen 20 .
        Ekvation 5 (5)
        Ekvation 6 (6)
    3. Deformationsmätning När samplingsplatsen är T ≥ 3 pixlar
      1. Beräkna fasen av provtagningsmoiréfransarna i j ( j = x , y ) riktningen före deformation när k = 0 ( Figur 1b ) med hjälp av rums-fasskifttekniken 21
        Ekvation 7 (7)
      2. Hämta fasen av provtagningsmoiréfransarna i j ( j = x , y ) riktningen efter deformation när k = 0 genom att ersätta φ m, j och I m, j ( k ) i ekvation (7) med φ ' m, j och I ' m, j ( k ), där det superskriptiva citatet betyder efter deformation. Upprepa N gånger för N belastningar.
        OBS! Om det finns för mycket slumpmässigt brus i fasfördelningarna i steg 4.3.1 och 4.3.2 kan ett sin / cos-filter 25 användas för att släta faserna.
      3. Bestäm fasfrekvensen för provtagningsmoiréfransarna i j ( j = x , y ) riktningen före och efter deformation ( dvs Δφ m, j = φ ' m, j - φ m, j ).
      4. Mät fördelningen av förskjutning u j , normal stam ε j i j = x , y ) riktningen och skjuvstammen yxy av provet som orsakas av lasten. Använd följande ekvationer 6 , 21
        Ekvation 8 (8)
        Ekvation 9 (9)
        Ekvation 10 (10)
        OBS! Om det finns för mycket ljud i stamfördelningen, kan ett genomsnittligt utjämningsfilter användas, med en filterstorlek mindre än 2 rutnätplatser.
    4. Resultatförvaring
      1. Spara data från moiré-franserna, faser (när provtagningshöjden är T ≥3 pixlar), förskjutningar och stammar i bildformat, t.ex. .tif- eller .bmp-filer och text, till exempel .txt eller .csv filer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

2D-förskjutningen och stamfördelningen av två kolfiberförstärkta plastföremål (CFRP) (# 1 och # 2) mättes enligt moirébildningsprincipen 23 och mätprocessen ( Figur 1 ). CFRP-proverna var gjorda av K13D-kolfibrer med 10-11 um diameter och epoxihartser. Deformationen av CFRP # 1 bestämdes med användning av den rekonstruerade multiplikationsmoirémetoden från tvåstegs sampling moiré fringes, och den för CFRP # 2 mättes med användning av den rumsliga fasförskjutande samplingsmoirémetoden från trestegs sampling moiré fringes.

A) Deformationsmätning av CFRP # 1

Tjockleken, längden och bredden av CFRP # 1 var 1 mm, 22 mm respektive 4 mm ( figur 2a ). Längden dUpprättandet av alla fibrer var vinkelrätt mot ytan 1 × 22 mm 2 , vilken polerades med användning av sandpapper och polerlösningar. Ett galler med en höjd av 3,0 μm tillverkades på den polerade ytan med användning av UV nanoimprint litografi ( Figur 2b ). En spännmätare klistrades på botten 4 × 22 mm 2 yta för att övervaka den största dragspänningen.

Ett trepunkts böjningsprov utfördes på CFRP # 1 med användning av en laddningsjig med en stödspänning på 16 mm under ett laserskanningsmikroskop. Spänningsförhållandet var 16 enligt American Society for Testing and Materials (ASTM) standarder. Gridbilderna när spänningsmåttvärdena var 0 och 0,00533 ( Figur 2b ) registrerades. Förstoringen av mikroskopets objektivlins var 5 ×, och avsökningsupplösningen var 1,024 x 1024. X- riktningen är horisontelltHöger och y- riktningen är vertikalt uppåt.

Eftersom raderna på CFRP # 1 i både x- och y- riktningarna var omkring 2 pixlar i den inspelade bilden, sattes nedproveringsstegen i de två riktningarna till T = 2 pixlar för deformationsmätningen. För att undvika det potentiella inflytandet av skanningsförvrängning valdes ett centralt område med en storlek av 1,26 x 0,53 mm 2 som intresseområde. Från 2-pixel nedprovtagning och ekvation (2) genererades 2-stegs provtagnings moirémönster och det rekonstruerade multipliceringsmirémönstret efter deformation ( Figur 2c ). Med användning av ekvationerna (3) och (4) beräknades deformationen i förhållande till provtagningshöjden när belastningsmåttet var 0,00533. På liknande sätt erhölls även den relativa deformationen när spänningsmätvärdet var 0. Slutligen, de faktiska deformationsfördelningarna, inklLuding av 2D-förskjutningarna ( Figur 2d ), 2D-normala stammar och skjuvstammen ( Figur 2e ) mättes med användning av ekvationerna (5) och (6).

Från förskjutningsfördelningarna ( Figur 2d ) är x- riktningsförskjutningen positiv i övre vänstra och nedre högra hörnen, men negativa i de andra två hörnen. Y -riktningsförskjutningen är negativ i hela området och åtminstone i det centrala området. Detta överensstämmer väl med deformationsegenskaperna hos ett böjprov. Från stamfördelningarna ( Figur 2e ) bär det övre området kompressionsstammen i x- riktningen men dragspänningen i y- riktningen och den nedre ytan bär dragspänning i x- riktningen men kompressionsspänningen i y- riktningen, vilket visar en intressant deformation characteristic. Skjuvstammen är negativ i det vänstra området och positiv i det rätta området, vilket överensstämmer med böjningsegenskapen.

B) Deformationsmätning av CFRP # 2

Tjockleken, längden och bredden av den laminerade CFRP # 2 var 1 mm, 30 mm respektive 5 mm ( figur 3a ). Det fanns 8 lager och tjockleken på varje lager var 0,13 mm. Längderetningen för alla fibrer var vinkelrätt mot 1 x 30 mm 2 ytan, vilken polerades med användning av sandpapper och poleringslösningar. Ett galler med en höjd av 3,7 μm tillverkades sedan på den polerade ytan med användning av UV nanoimprint litografi ( Figur 3b ).

Ett trepunkts böjningsprov utfördes med användning av en laddningsjigg med en stödspänning på 16 mm under ett laserskanningsmikroskop. Span-to-dEpth-förhållandet var också 16. Gridbilden vid 0,2 N förspänningen registrerades först. När belastningen var 10,8 N och avböjningen var -200 pm, registrerades också den deformerade rutnätbilden ( Figur 3b ). Förstoringen av objektivlinsen hos mikroskopet var 5x, bildningszoom var 120% och avsökningsupplösningen var 1,024 x 1024 pixlar. X- riktningen är horisontellt höger och y- riktningen är vertikalt uppåt.

Eftersom rutnätplatserna på CFRP # 2 i både x- och y- riktningarna var omkring 3 pixlar i den inspelade bilden, sattes nedsamplingstegen i de två riktningarna till T = 3 pixlar för deformationsmätningen. För att undvika det potentiella inflytandet av avsökningsförvrängningen valdes ett centralt område med en storlek av 1,15 x 0,49 mm 2 som intresseområde. Med användning av metoden beskriven i steg 4.3 dispergerar moiréfasenFördelningar vid 0,2 N och 10,8 N i både x- och y- riktningarna erhölls ( Figur 3c ). Fördelningarna av 2D-i-planet-förskjutningarna ( Figur 3d ), 2D-normala stammar och skjuvstammen ( Figur 3e ) bestämdes.

Förskjutningsfördelningen ( Figur 3d ) hos CFRP # 2 är liknande de för CFRP # 1 ( Figur 2d ), förutom att y- riktningsförskjutningen är något annorlunda. Egenskaperna hos x- riktningsstammen och skjuvstammen av CFRP # 2 ( Figur 3e ) liknar också de för CFRP # 1 ( Figur 2e ), vilket överensstämmer med deformationsegenskaperna hos ett böjprov. Emellertid är y- riktningsstammen av CFRP # 2 ( Figur 3e ) diffErent än CFRP # 1 eftersom CFRP # 2 är ett laminerat prov. Flera lager kan observeras från fördelningen av y- riktningsstammen, vilket är nästan negativ i hela området.

Figur 1
Figur 1: Prövning av moirébildningsprincipen och mätprocessen. ( A ) Generationsprincipen för rekonstruerad moiré från 2-pixel sampling moiré fringes när provtagningshöjden är T = 2 pixlar. ( B ) Formationsprincipen för flerstegs fasförskjutande provtagningsmoiréfransar och mätprocessen för moiréfasen när provtagningshöjden är T ≥3 pixlar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

p-together.within-sida = "1"> Figur 2
Figur 2: Deformationsmätningsresultat från CFRP # 1. ( A ) Experimentell inställning av trepunktsböjningstestet under ett lasermikroskop och provdiagrammet. ( B ) Den observerade ytan av CFRP # 1 med ett mikrogrid. ( C ) Tvåstegs provtagnings moirémönster och det rekonstruerade multiplikationsmoirémönstret när spänningsmåttet var 0,00533. ( D ) De uppmätta fördelningsfördelningarna i x- och y- riktningarna. ( E ) De uppmätta fördelningarna av x- riktningen, y- riktningen och skjuvstammen av CFRP # 1. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 3 "class =" xfigimg "src =" / files / ftp_upload / 55739 / 55739fig3.jpg "/>
Figur 3: Deformationsmätningsresultat av laminerad CFRP # 2. ( A ) Diagram över trepunktsböjningstestet under ett lasermikroskop. ( B ) Den observerade ytan av CFRP # 2 med ett mikrogrid. ( C ) Fördelad fas (intervall: -π ~ π) fördelningar av provtagningsmoiréfransarna vid belastningen 0,2 N och 10,8 N i x- och y- riktningarna. ( D ) De uppmätta fördelningsfördelningarna i x- och y- riktningarna, där avböjningen (-200 μm) i y- riktningen inte visades. ( E ) De uppmätta fördelningarna av x- riktningen, y- riktningen och skjuvstammen av CFRP # 2. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I den beskrivna tekniken är ett utmanande steg mikro / nano-skalan eller gitteret (förkortat som gallret) tillverkning 26 om inget periodiskt mönster existerar på provet. Gridhöjden bör vara likformig före deformation eftersom den är en viktig parameter för deformationsmätningen. Om materialet är en metall, en metalllegering eller en keramisk, UV- eller uppvärmningsnanoimprint-litografi (NIL) 27 , elektronstrållitografi (EBL) 2 , fokuserad jonstråle (FIB) -fräsning 6 eller nätduplikatmetoden 26 kan vara Begagnade. Om materialet innehåller en svag polymer, rekommenderas inte EBL- och FIB-fräsning. När en komponent i materialet inte är värmebeständig kan värme NIL inte användas. Om provet är en tunn film är det svårt att använda grid-duplikatmetoden eftersom det inte är lätt att skilja provet.

Det kritiska steget förBelastningsmätning av gallerbilden före och efter deformation med användning av den föreslagna tekniken är alstring av provtagningsmoiréfransar 22 , vars princip skiljer sig från formningsprincipen för konventionella interferensmiréfransar. För att generera distinkta moiréfransar, föreslås ett lågpassfilter, såsom en FT-algoritm, för att undertrycka oönskade linjer eller prickar. Om provtagningsmoiréfransarna är otydliga efter nedprovtagning ( dvs gallring av gallerbilden) och linjärintensitetsinterpolering kan ett utjämningsfilter, såsom ett medelfilter, antas före nedprovtagning. En andra eller till och med tredje ordningens B-spline interpoleringsalgoritm kan användas för intensitetsinterpolering för att generera distinkta moiréfransar.

Jämfört med de traditionella moirémetoderna har den föreslagna provtagningsmoirétekniken för mätning av stamfördelning fördelen att varaMed en enkel 2D-stammätning och med enkel bearbetning, hög hastighet, hög deformationskänslighet och hög mätnoggrannhet 23 . 2D-stammätningen kan enkelt utföras utan att rotera provsteget eller skanningslinjerna i mikroskopet, vilket är nödvändigt vid konventionella metoder. Dessutom kan dynamisk deformation mätas, eftersom den erforderliga informationen bara är en bild med en enda bild i varje belastning. Detta kan inte göras med den tidsmässiga fasskiftande moirémetoden eftersom flera galler eller moirébilder behövs, tillsammans med tiden vid varje belastning.

Även om den beskrivna tekniken möjliggör enkla 2D-stammätningar vid mikro / nanoskalorna, har den sina egna begränsningar 23 , liksom någon annan teknik. Rutnätet i en inspelad bild ska vara större än 1,8 pixlar för att generera 2 pixlar eller flera pixelprovtagnings moiréfransar. Om gallernivån i bilden är cirka 2 piXels kan de 2-pixelprovtagande moiréfransarna fungera som substitut för mikroskopskanning moiréfransar, med samma synfält vid samma förstoring. Om gallernivån i en bild är ungefär 1 pixel vid mikroskopets högsta skanningsupplösning, när skilda moiréfransar är direkt observerbara, kommer provtagningsmoiréfransarna emellertid inte att kunna bildas vid samma förstoring. Även om provtagningsmoiré fringes kan genereras när mikroskopförstoringen ökar kommer synfältet för deformationsmätningen att minska. Lyckligtvis förbättras skanningsupplösningarna av kommersiella mikroskop, och sampling moiré fringes kan genereras i de flesta fall. Ju högre skanningsupplösningen desto större är pixelnumret för ett rutnät och desto högre är mätnoggrannheten för belastningen.

I motsats till den rekonstruerade multiplikationsmoirémetoden från 2-pixelprovtagning moiré friNges, den rumsliga fasförskjutande samplingsmoirémetoden från flera pixelprovtagning moiré fringes har en högre bearbetningshastighet och en högre mätnoggrannhet men ett mindre synfält. Metodvalet beror på pixelnumret för provruten eller på den önskade mätnoggrannheten och synfältet om pixelnumret för provruten är kontrollerbar. Båda metoderna är användbara för att ta icke-destruktiva deformationsmätningar och göra kvantitativa utvärderingar av mekaniska egenskaper, sprickbildning och tillväxt, restspänningar, defektdetektering, strukturell karakterisering etc.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av JSPS KAKENHI, bidragsnummer JP16K17988 och JP16K05996, och genom det korsministeriella strategiska innovationsprogrammet, enhet D66, innovativ mätning och analys för strukturmaterial (SIP-IMASM), som drivs av skåpkontoret. Författarna är också tacksamma för Drs. Satoshi Kishimoto och Kimiyoshi Naito vid NIMS för deras CFRP material.

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 Deformation distribution stammätning provtagning moiré bildbehandling optisk metod mikro / nano-skala kompositmaterial
Mikro / Nano-skala Distansmätning från provtagning Moiré Fringes
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