基于光学和探针技术的微纳米固体实验力学研究进展

本文综述了近期微纳米固体实验力学在检测技术和设备平台方面的进展,尤其是基于光学和扫描探针平台的实验技术、方法和相关应用。探讨了不同检测技术的优势以及局限性,涉及微纳米实验力学检测中夹持、加载以及微力与微变形的检测与识别。通过相关的研究事例,介绍巧妙、创新的检测技术和系统在微纳米实验中的重要性,以及微尺度检测中所特有的检测系统与检测对象间的耦合关联等特点。     

微尺度散斑制备方法研究及应用进展评价

数字图像相关法(DIC)由于具有非接触、全场、精度高、易操作等特点,已被广泛应用于宏微观尺度的变形测量。在微观尺度,DIC可以方便地与显微镜结合,实现变形测量;散斑作为变形的载体,其质量的好坏直接影响到DIC在微尺度变形测量的精度。本文重点介绍了离心甩胶法制备微尺度散斑的方法,并对其应用进展进行评价。具体包括:优化制备工艺参数,获得最优的散斑图;提出散斑膜转移方法,扩大其使用范围;研究散斑膜增韧方法,用于大变形的测量;基于超景深光学显微镜,设计双向加载测试系统;将散斑膜应用于微尺度界面、裂纹尖端等。获得了局部变形场信息,表明该微尺度散斑制备方法具有较好的可行性和应用前景。     

用于显微图像和平滑图像的梯度数字相关法

随着微观实验力学技术的发展,显微图像的相关分析与计算变得越来越重要.与以往的宏观图像和散斑图像相比,显微图像具有明显不同的特点,即团状,灰度变化平缓、大颗粒等.为了对这类图像进行稳定、较高精度的分析,本文提出了微区图像梯度数字相关方法,并通过实验探讨了所提算法的检测性能.     

探针实验力学

扫描探针显微系统的发明，使人们通过探针获得了原子级的微观结构，而近年的研究更是将探针技术应用于各种相互作用的检测和分析之中。一个以探针为检测平台的新的检测技术和系统已日益凸显并引起广泛关注。本文提出探针实验力学这一新概念，并以探针为主题介绍其在微纳尺度材料和结构的力学性能检测中的相关技术和典型应用。涉及探针检测系统及其标定、探针检测中的夹持和加栽、探针和试样表面的相互作用、探针微力传感器等。     

探针实验力学

扫描探针显微系统的发明,使人们通过探针获得了原子级的微观结构,而近年的研究更是将探针技术应用于各种相互作用的检测和分析之中.一个以探针为检测平台的新的检测技术和系统已日益凸显并引起广泛关注.本文提出探针实验力学这一新概念,并以探针为主题介绍其在微纳尺度材料和结构的力学性能检测中的相关技术和典型应用.涉及探针检测系统及其标定、探针检测中的夹持和加载、探针和试样表面的相互作用、探针微力传感器等.     

微尺度位移、形貌测量系统及应用

研制了一套可应用于MEMS器件的微尺度测量系统，可以在受载状态下实时检测MEMS器件的面内位移、离面位移和三维形貌。该系统中，面内位移测量是一个基于白光数字散斑相关方法的显微光学测量系统，与相应的力学加载系统结合，可以得到MEMS器件在受载状态下的实时面内位移；离面位移和三维形貌测量则是一个基于相移显微投影光栅方法的光学测量系统，与相应的力学加载系统结合，可以得到MEMS器件在受载状态下的实时三维形貌和离面位移。最后给出了几个典型的MEMS器件面内位移、离面位移和三维形貌的实测结果。     

微尺度位移、形貌测量系统及应用

研制了一套可应用于MEMS器件的微尺度测量系统,可以在受载状态下实时检测MEMS器件的面内位移、离面位移和三维形貌.该系统中,面内位移测量是一个基于白光数字散斑相关方法的显微光学测量系统,与相应的力学加载系统结合,可以得到MEMS器件在受载状态下的实时面内位移;离面位移和三维形貌测量则是一个基于相移显微投影光栅方法的光学测量系统,与相应的力学加载系统结合,可以得到MEMS器件在受载状态下的实时三维形貌和离面位移.最后给出了几个典型的MEMS器件面内位移、离面位移和三维形貌的实测结果.     

显微拉曼光谱力学实验方法与应用研究进展

显微拉曼光谱是近十余年来实验力学领域迅速发展的一种实验应力分析新方法.相比于大多数的光测力学方法,显微拉曼能够实现对应力/应变相对直接的表征,具有高空间分辨、高测试效率、无损非接触等特点,适合于原位、在线、活体测量.其对本征和非本征应力均敏感,并能够开展多物理参量的协同表征,是当前实验力学领域新方法研究的国际前沿之一,也是微纳米力学实验分析的重要手段.本文首先介绍了显微拉曼力学表征的实验原理,随后论述了拉曼光谱用于力学研究的若干关键技术,然后综述了基于显微拉曼实验的力学前沿研究进展,最后讨论了显微拉曼光谱在实验固体力学领域的发展前景与方向.本文通过对显微拉曼光谱力学实验方法最新理论、技术与应用进展的综述,为从事微尺度、多尺度力学实验领域的科研工作者提供较为系统的信息参考,同时为那些对微尺度光谱力学感兴趣的青年科研人员提供本领域系统全面的知识.     

基于全场位移测量技术的微悬臂梁面内弯曲性能测试

基于自制的微力试验机和全场位移光学测量仪,建立了微尺度力学性能原位测试系统。其中微力试验机基于电磁驱动兼载荷计量原理设计,载荷量程和噪音分别为±1N和50μN。全场位移光学测量仪基于白光数字散斑相关方法研制。采用该系统对MEMS单晶硅(001)微悬臂梁进行了面内弯曲力学性能原位测试,获得了微悬臂梁末梢施力点的力-位移关系曲线,以及全场变形情况。结果显示,微悬臂梁表现出很好的弹性弯曲行为,最后在根部发生脆性断裂。根据弹性弯曲理论计算出单晶硅弹性模量为123.8GPa(±3.2%)。该技术为研究MEMS微构件的力学性能提供了一种有效的手段。     

微梁与基底间的毛细粘附作用

在表面微型机械结构的制造过程中,强的毛细相互作用常常使得组成这些结构的微桥、微梁与基底粘附而导致失效。而在微尺度实验中,微桥与微梁又是微尺度材料常数和性能检测的常用的试件样式,如果实验中加载端与被检测的微尺度试件发生毛细粘附,将直接影响检测数据的准确性。本文应用微悬臂梁试件,讨论微梁与基底间的毛细粘附作用,并通过能量原理计算其粘附力的大小和试件几何尺寸、粘附面距离、粘附液体特性之间的关系。最后应用微散斑干涉,检测粘附平衡态时微桥和微梁的粘附力以及由毛细粘附所导致的弯曲变形,并与理论计算结果进行比较。     

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提出了用超声散斑干涉法来测量物体的位移,并且基于数字干涉和相移-频移技术对超 声散斑数字干涉测量法进行了初步的理论推导. 为了验证理论分析的结果,对一铝试件进行 了离面位移和面内位移的试验测量. 试验结果显示理论分析是正确的,在测量位移和变形时 此方法是有效可行的.     

双参考光全息—散斑干涉术的原理和实验

本文用统计光学方法对双参考光全息——散斑干涉术进行了详尽的理论分析,给出了全息和散斑干涉场区域平均光强分布与光学系统主要参数及三维变形场各分量之间关系的解析表达式,进而讨论了离面位移和面内位移测量的上、下限,最后还给出了有关的实验结果。     

利用光学干涉条纹图相位分析测量纳米位移

Optical methods such as Twyman-Green interferometry, moiré interferometry, holographic interferometry and speckle interferometry are useful to measure displacement and strain in the full-field of structures. Recently phase analysis method of fringe patterns obtained by these optical methods becomes popular, and it provides accurate quantitative results in the full-field. In this paper, in order to measure displacement and strain, real-time or high-speed nano-meter displacement measurement methods developed by the authors are introduced. That is, (1) out-of-plane displacement analysis by Twyman-Green interferometry using integrated phase-shifting method using Fourier transform phase-shifting method, (2) simultaneous two-dimensional in-plane displacement analysis by moiré interferometry and (3) out-of-plane displacement analysis by phase-shifting digital holographic interferometry. The theories and applications are shown.     

Nano-meter Displacement Measurement by Phase Analysis of Fringe Patterns Obtained by Optical Methods

0Introduction Inordertomonitorthehealthofstructures,straingagesanddisplacementtransducersare usuallyused.Thereasonisthatmanyrulesorcodesforinspectionofstructuresrequiretousestrain gagesanddisplacementtransducers,anditiseasytousethem.However,thesemethodsarebasically one pointmeasurementmethods.Theyareexpensiveandtime consumingfordistributionanalysis.Opticalmethodssuchasgrating projection,geometricmoir啨,moir啨interferometry,holographic interferometryandspeckleinterferometryareusefultomeasuredi…     

多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用

将基于双目视觉的三维数字图像相关方法 (Three-dimension digital image correlation,3D-DIC)与多相机同步采集系统相结合,形成基于多相机的3D-DIC系统。依据三维空间误差(Three-dimensional residual,3Dresidual)最小原则,确定各点对应的最佳双目视觉系统,获得物体全场三维变形。以四相机3D-DIC系统为例,与测量精度达10~20nm的电子散斑干涉测量系统同时对平板的离面位移进行测量,并对测量得到的离面位移最大值进行了对比分析。结果显示,荷载较小时,四相机3D-DIC与电子散斑干涉测量系统误差稍大,最大达到2.7%;荷载增大,物体变形增大时,两种测量系统结果基本相同。文中讨论了四相机测量系统的不稳定对实验结果的影响。利用该四相机3D-DIC系统对镍合金不锈钢材料在高温场中的变形进行测量,获得了物体的三维变形场,并分析了材料的膨胀系数,得到了试件的热应变-温度曲线和膨胀系数随温度变化的关系式。     

An Experimental Technique for the Dynamic Characterization of Soft Complex Materials

We describe an experimental technique to study the dynamic behavior of complex soft materials, based on high-speed microscopic imaging and direct measurements of dynamic forces and deformations. The setup includes high sensitivity dynamic displacement measurements based on geometric moiré interferometry and high-speed imaging for in-situ, full-field visualization of the complex micro-scale dynamic deformations. The method allows extracting dynamic stress-strain profiles both from the moiré interferometry and from the high-speed microscopic imaging. We discuss the advantages of using these two complementing components concurrently. We use this technique to study the dynamic response of vertically aligned carbon nanotube foams subjected to impact loadings at variable deformation rates. The same technique can be used to study other micro-structured materials and complex hierarchical structures.     

数字散斑相关方法与应用研究进展

数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)作为固体实验力学领域材料表面变形场测量的一种非接触式方法与其它技术相比具有一些独到的优点,其有效性已经在近20年中被众多的应用实例所证明.近年来该方法在理论上逐步完善,一些现代的数学理论和数学方法(例如:小波变换、遗传算法、神经网络等)逐渐被引入到该方法中;在实验中的各个技术环节上正在逐步的改进,其结果的精度逐步的提高,结果收敛的速度也逐渐的加快;其应用的领域正逐渐从常规材料的测试向一些新型材料测试、从宏观场逐渐向细微观尺度、从常规环境向比较恶劣的环境、从实验室测试逐步向工程现场应用、从静态准静态向动态准动态等方面发展.本文简要介绍了DSCM的基本原理和数学模型,在相关搜索的改进、相关系数的选择、灰度级的重建和图像识别方面的进展以及在材料力学性能测试,微尺度变形场测量等方面的应用.最后就这一实验测量技术的几个可能的发展趋势进行了预测.      

Nondestructive testing using temporal phase evaluation in speckle interferometry

A novel nondestructive testing (NDT) method is reported in which temporal evolution of the speckles in speckle interferometry is used to measure large object deformations. The basic principle of the method is that continuous object movement introduces fluctuations in the phase of the speckle and is recorded as intensity modulation. Acquiring a large number of frames of the object motion, the phase data for the whole object deformation are then retrieved by the Fourier transformation technique. The method is capable of measuring more than 100 μm in-plane and out-of-plane deformation with speckle interferometry and more than 500 μm for speckle shearing interferometry. The authors discuss the NDT results obtained with the three methods and make some relative comparisons of each.