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。     

云纹干涉法同时测定三维位移场(U_0,U_(45),U_(90),ω)

本文介绍了用云纹干涉法同时获得三维位移场——面内位移(U_0,U_(45),U_(90))和离面位移(w)的两种方法:实时观测法和加载波条纹的差载法.前者可一次加载,分别观测各个位移分量条纹图;后者可用一张底板同时记录全部三维位移信息,通过光学滤波分离出各位移分量条纹图。测试方法和计算都很简便,不仅能测静荷,同时也可测动荷,文中还介绍了实验用的仪器,给出了实验结果。     

石墨烯及其复合材料纳米力学研究进展

石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体,是目前已知最薄但却有着极高强度的纳米材料.由于在强度、导热性、电子输运和光学上显示出不同寻常的特性,石墨烯迅速成为材料科学、物理、化学和力学等学科的研究热点.与此同时,石墨烯复合材料的研究也迅速兴起.论文综述了近年来石墨烯及其复合材料的力学特性的研究进展.根据力学行为的差异,我们主要阐述了石墨烯面内力学特性、离面力学特性、原子尺度修饰和石墨烯复合材料力学特性的研究进展:石墨烯的面内拉伸力学特性通过纳米压痕等技术得到了测量,其断裂行为在微纳尺度下不能完全使用连续介质力学模型进行解释,在多层石墨烯情况下会出现超润滑现象;石墨烯的可控离面位移对于改变其物理特性有重要的意义,石墨烯上的屈曲受到手性和尺度的影响,在高频器件中存在着非连续性的离面响应;适当的原子尺度修饰可以改善石墨烯的拉伸和扭转力学特性;石墨烯可以改善复合材料的力学特性,如提高强度、韧性等,其主要强化效应是通过与基体材料的离面、面内力学行为结合产生的.最后,论文对石墨烯及其复合材料的力学研究进行了总结和展望.     

使用单彩色相机的单相机三维数字图像相关方法

介绍了一种基于单个彩色相机的新型全靶面、单相机三维数字图像相关(3D-DIC)方法。借助于设计巧妙的颜色分光光路,被测物体表面图像可以通过两条不同的光路达到相机靶面,采集的标定靶和实验件表面的彩色图像可以分离得到蓝色和红色子图像。通过使用3D-DIC分析标定靶和实验件表面分离后的蓝色和红色子图像,可以获得物体表面的三维形貌和变形。形貌测量、面内和离面平移、以及静动态三维变形实验验证了该单彩色相机3D-DIC方法的有效性和测量精准度。由于可避免双相机同步,且能实现无分辨率损失的全靶面三维形貌和变形测量,本文方法在需要实现瞬态位移和变形测量的爆炸、冲击、振动等领域中具有广阔重要的应用前景。     

基于DIC的印制线路板三维形貌高精度测量

生产过程中对产品三维形貌的高精度实时测量是有效的质量监控手段,具有迫切的需求。本文基于三维数字图像相关(DIC-3D)方法,全场测量了印制线路板上的台阶状焊点和印制线路,得到焊点大小、高度和印制线路线宽、线高等三维形貌数字图像数据;使用台阶仪采集面内和离面形貌数据,并进行比较。实验结果表明,三维数字图像相关方法在测量印制线路板形貌时,可测量出十数微米高的印刷线路台阶,精度达3μm;对500×500pixels图像,在i7 4790k CPU硬件条件,步长3pixels、子区19×19pixels的参数下,立体图像的重建速度小于1s,可满足线路板的在线实时检测。     

电子散斑干涉三维变形测量技术研究

电子散斑干涉技术是一种非接触式,高精度的变形测量方法,适用于许多工业领域。由于其位移灵敏度与光学布置密切相关,因此难以在一次加载条件下实现三个方向的变形测量。针对这一问题,本文开发出一套能够同时测量面内和离面位移的测量装置。该装置采用波长为473nm、532nm和671nm的三种激光为光源,分别构建三组测量光路,使用一台3CCD彩色相机作为感光元件,一次记录三种光路获得的散斑干涉图像。通过对彩色相机的图像进行R、G、B通道分离,结合四步相移法可以同时获取物体的三维位移场。运用光纤技术优化光路设计,研制了集成化的电子散斑三维变形测量仪。通过相关的实验验证,评估了该装置测量物体三维变形的可行性和可靠性。     

激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展

薄膜界面强度是影响多层薄膜装置性能的重要参数.激光诱导应力波技术是在可控制和非接触条件下定量测量薄膜界面强度最有效的技术之一.在采用高强度应力波短脉冲加载实现界面层裂的同时,通过光学测量薄膜自由面瞬态位移,并利用应力波理论计算得到临界界面强度.通过精确控制试样几何形状及尺寸,包括拉伸、剪切和复合型在内的各种界面加载模式都可以实现.本文对激光诱导应力波测量薄膜界面强度研究进展进行了综述,并特别强调了不同加载模式的实现方法,高强度超薄薄膜的界面测量技术,以及如何通过辨别薄膜自由面瞬态位移光学干涉信号中的某些特殊性征来实时判断和测量界面的层裂.     

光学透视测量玻璃纤维增强复合材料板离面应变场分布

本文通过激光波数扫描干涉测量系统和方法,透视测量商用玻璃纤维增强复合材料板前、后表面的离面应变场分布。实验中分别对有缺陷和无缺陷的商用玻璃纤维增强复合材料样品进行了离面位移场测量和平均轴向正应变场分布计算。无缺陷样品的离面位移场及压缩应变场分布均匀连续,随加载呈现递增压缩变化;有缺陷样品的缺陷周围的离面位移场分布变化无规则,其压缩正应变分布以缺陷孔洞为中心,加载量越大,孔洞周围其压缩正应变值较小的区域越大,压缩正应变集中在远离孔洞的边缘区域,随加载量变化压缩应变场分布无线性规律。实验结果证明,激光波数扫描干涉测量系统和方法准确可靠,它为玻璃纤维增强复合材料板的力学性能测量提供了一个新技术平台。     

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。     

二维数字图像相关测量中离面位移引起的误差分析

二维数字图像相关方法作为一种非接触全场变形测量的光学方法,在工程上有着广泛的应用.由于其假设物体只发生面内位移,而实验中往往存在离面位移,从而引起测量误差.本文针对这一问题利用了针孔模型,从理论上分析了离面位移对普通镜头测量结果的影响,通过铝块平移实验验证了理论分析的正确性.利用提出的理论模型修正橡胶材料的变形测量结果,并与远心镜头测量结果进行对比,发现修正后的普通镜头测量的结果更接近远心镜头测量的结果.最后,本文根据理论分析和实验验证,给出了减小或消除离面位移造成误差的方法.