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.     

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。     

定量测量微区变形场的数字散斑方法

本文应用数字散斑方法,对高倍放大的扫描电镜系列照片进行定量测试分析,以解决微米或更小量级区域的变形场的定量测量问题.对源于文献[5]的疲劳裂纹扩展系列照片的初步测量结果证实了上述方法的可行性.     

变形测量中的数字散斑相关搜索方法

本文用仿射变换阐述了数字散斑相关方法的基本原理,通过分析散斑位移及其导数对物体变形前后散斑图的相关性的影响,对相关算法作了简化,提出了相关搜索方法.典型的实验证实了该方法的可行性,同时就散斑颗粒尺寸、子区大小对相关识别的影响等问题进行了讨论,初步给出了相关计算的有关最佳参数.     

激光散斑位移测量的可测范围研究

本文从实际应用的需要出发,研究了激光散斑位移测量的可测范围,探讨了各种因素的影响。     

数字剪切散斑相关条纹图的形成及其分析

本文提出了用线性相关计算形成高可见度的数字剪切散斑相关条纹图的方法，为相关条纹图的自动分析奠定了良好的基础。文中还推导了附加位相与物光反射镜转角的关系，使精确地计算附加位相成为可能。同时还介绍了任意附加位相的三步相移技术。最后给出了用线性相关计算法形成的相关条纹图及计算出的位相图。     

电子散斑干涉法在平面小振幅振动测量中的应用

用电子散斑干涉方法进行振动测量，因实验过程和条纹处理简单，已有较多应用，但迄今尚无振动测量中所形成的散斑条纹的完整解释，容易混淆条纹中所蕴含的实际物理意义，本文详细讨论了散斑测振中各种相关条纹的形成，并给出了相应的实验验证。     

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.      

应用超声散斑相关法测量水下物内层界面位移

超声散斑相关法可应用于水下物体内层界面的位移测量,在工程建设中具有广泛的应用前景。根据所建立的测量实验系统,对位于水中的有机玻璃试件内层界面的面内位移和离面位移进行了实测,测量误差一般在7%以内。进一步研究结果表明:在刚体位移情况下,一般经粗磨、粗刨和粗铣加工或砂模铸造后的粗糙外层界面对超声散斑相关法内层界面位移测量结果的影响极小;当外层界面发生应变时,其变形前后内层界面上的散斑场的相关性将随应变量的增加而减弱,但外层界面应变小于0.05ε时,内层界面上超声散斑相关系数的减小不超过4%。     

数字散斑相关测量中亚像素位移测量方法的比较

本文介绍了数字散斑相关测量中确定亚像素位移的几种方法，包括对相关系数的插值、拟合以及基于图像梯度的两种方法，文中详细比较了这几种方法，并以计算结果的相对误差为依据，给出了这几种方法在应用中的参考选择标准。     

基于光学和扫描显微平台的微尺度实验力学检测技术和装置研究

本文基于光学和扫描显微平台,介绍了本研究组在微尺度实验力学检测技术和设备方面的最新研究成果。在检测技术方面涉及显微散斑干涉技术、微标记阵列检测技术、晶粒变形分析技术、光学探针动静态变形分析技术;在检测系统和装置方面介绍了新近开发的双视场薄膜检测系统、散斑微干涉系统、微标记检测平台、AFM和SEM单轴拉伸装置、三维微定位与加载系统、微力传感器及其标定装置、微动平台驱动装置等。探讨了微尺度实验力学检测中的问题和新的检测技术,给出了一些典型的应用和相关装置。     

器件表面形貌及粗糙度检测

本文基于光学计量技术及扫描显微技术,从结构和器件的表面轮廓和粗糙度两个参数入手,介绍表面高度起伏从厘米到原子级水平的检测和分析中的一些重要方法,如适用于表面起伏从厘米到微米量级的结构光投影方法、表面起伏从毫米量级到亚微米量级的相干光形貌测试技术,以及从亚微米到亚纳米水平的光散射技术和扫描显微表面形貌与表面粗糙度测试技术等,并讨论各种尺度下表面的表征方式和检测参数。最后结合散斑统计分析技术,应用局域散斑场强度统计平均和散斑场自相关函数计算,给出了某战斗机机体蒙皮材料在环境应力腐蚀条件下表面粗糙度(范围从0.025微米到0.7微米)随腐蚀介质温度、腐蚀时间等参数的检测和分析结果。     

空泡外形测量与分析方法研究

空泡外形及其特征参数是超空化试验研究的一个重要方面,它的测量和分析是一个耗时而又存在较大误差的过程。本文研究了空泡外形记录、测量、分析的全过程,提出了空泡外形的数字化测量、处理方法,采用椭圆拟合法进行了空泡外形特征参数的识别,研制了空泡图像的测量和分析处理系统,实现了空泡图像测量和处理的自动化、数字化与标准化,同时也提高了空泡图像测量的精度与可信度。     

激光多光束闸墩位移测量研究

根据实际大型工建筑测试的需要，研究激光多光束的全变位测试方法，提出了相应的计算公式，研究了制造了实用的测试装置，并对大型闸墩进行了实地测量，分析了闸体的损伤程度，作了安全评估。     

Nano-Pattern Recognition and Correlation Technique for Sub-Nanometer In-Plane Displacement Measurement

An experimental technique to measure sub-nanometer scale in-plane deformations on a micron scale region of interest is proposed. The proposed Nano-Pattern Recognition and Correlation Technique (N-PRCT) utilizes regularly oriented patterns. Displacements are obtained by tracking the movement of each pattern on the images before and after loading through pattern recognition and correlation. The regularity offers a special benefit, relative to the random markings used in the existing techniques, which makes the proposed technique less sensitive to the random noise inherent in digital images at extreme magnifications (a region of interest less than 10 μm). The method is implemented to document thermally-induced deformations of a microelectronics circuit. E-beam lithography is implemented using a standard SEM to fabricate regularly oriented patterns required for N-PRCT. The patterns are produced on a polished cross-section of a flip-chip package, and the package is subsequently subjected to a temperature excursion inside the SEM chamber. Thermal deformations are obtained in a region of interest of approximately 7 × 6 μm.     

面内和离面位移场的电子散斑（ESPI）自动检测技术研究

本文采用频域同态滤波技术，减少了电子散斑的噪声，得到高质量的条纹图，并介绍一种自行设计的新型相移器，它结构简单，性能稳定，测试精度高和操作方便，此外，应用以上两种技术，以承受均布载荷周边固定的圆板为例，实现了电子散斑三维位移场的自动测量，实验与理论值吻合良好。     

Measurement of Automotive-Suspension Displacement Using Rotary Variable Differential Transformers

Experimental Techniques -     

Depth-resolved Imaging and Displacement Measurement Techniques Viewed as Linear Filtering Operations

The last 5 years have seen the emergence of a family of optical interferometric techniques that provide deformation measurements throughout three-dimensional (3-D) weakly scattering materials. They include wavelength scanning interferometry (WSI), tilt scanning interferometry (TSI), phase contrast spectral optical coherence tomography (PC SOCT) and hyperspectral interferometry (HSI) and can be thought of as a marriage between the phase sensing capabilities of Phase Shifting Interferometry and the depth-sensing capabilities of Optical Coherence Tomography. It was recently shown that some closely related 3-D optical imaging techniques can be treated as shift-invariant linear filtering operations. In this paper, we extend that work to include WSI, TSI, PC SOCT and HSI as spatial filtering operations and also relate the properties of their transfer functions in the spatial frequency domain to their spatial resolution and phase sensitivity, for depth-resolved displacement measurements.     

On the Measurement and Prediction of the Out-of-Plane Displacement Surrounding Cold-Expanded Holes

Experimental measurements of the out-of-plane displacement surrounding cold-expanded holes in a 6082-T6 aluminum alloy were made with a 3D optical scanner using the technique of the encoded light-pattern projection in white light. The measured surface profiles have shown the thickness discontinuity along the hole edge due to the effect of the split in the sleeve. An analytical–numerical solution of the out-of-plane displacement is presented based on existing analytical models. Thus, the results given by the analytical model were then compared with the experimental data and with a finite element (FE) model that simulates the cold-expansion process. The location of the elastic–plastic boundary was estimated as the point at which no change in thickness was observed; a good agreement was found in the comparison of measured, FE and analytical results. The measured surface profiles agreed with those predicted by the FE model and analytical solution. The proposed experimental approach can be used together with FE analysis for predicting the radial and circumferential residual stresses in cold-expanded hole. It is quite versatile and can also be used as quality-control technique in the manufacturing processes of cold-expanded holes.     

基于Haar小波变换的位移场测量方法

本文提出了一种应用小波变换对固体表面位移场进行测量的新方法，在图像分析时，用各点属于不同尺度的小波变换系数来表征该点周围的子区。将试件表面位移前后的两幅数字图像进行小波变换，通过变形前后两幅图像小波变换系数之间的相互匹配，使位移前后两幅图中的子区对应起来，从而确定图像的位移场。本文应用Haar小波变换进行了计算机模拟实验和实物位移实验。引入亚像素技术，获得了0．02的位移测量精度。