在很短的时间里我需要考虑重新设计一个LAOS测试的软件。先在此整理一下思路。
为什么还要做LAOS
不是说非线性粘弹性的研究已经不重要了。而是研究非线性流变学的实验方法并不只有LAOS（large amplitude oscillatory shear），其他方法包括大应变的应力松弛、大应力的蠕变实验、阶跃应变速率实验等等，这些方法一直都被用于研究各种材料的非线性粘弹性。那为什么LAOS突然热门起来了呢？是不是仅仅是近年来几位主要研究者发表的文章比较抢眼？如果并没有认识到LAOS有什么内在优越性而只是跟风的话，就没有必要在上面花这么多精力。
原则上讲，怎样测试一个样品的流变学行为方法是无穷多的，怎么分类都不合适。在流变学研究发展历史中实际形成的几种典型的测试方法之所以被更多地采用，是因为它们：
- 比较符合当代自然科学中认识事物的习惯
- 比较有利于简化待讨论的问题
- 方便理论验证
LAOS虽然是近年来才热门，但它的历史几乎跟流变学同样久远。Weissenberg是目前所知道的最早提出采用谐波分析法来处理振荡测试结果的人，那就至少是80年前了。之所以采用振荡形变的方法测试样品是从研究橡胶轮胎性能的应用需求延伸过来的。而“线性”、“非线性”的概念则来自线性系统、线性响应理论和FDT等理论延伸过来的。谐波分析的原理在电子工程界也已经非常成熟了。这说明LAOS符合当代自然科学中认识事物的习惯。
此外，振荡形变相比于单向连续形变而言，前者可以使形变速率和形变幅度相互独立地受实验者控制。在线性粘弹性范围内，振荡实验跟应力松弛实验相等效，这种独立性不是什么突出的优势。但是在大幅形变范围，振荡实验的模量跟应力松弛实验的模量之间的对应关系不存在了。实验变化形变幅度和变化形变速率都可能有独立的理由。LAOS的优势就比较明显。
当然，这些实验上的“优势”只能属于泛泛而谈。有没有优势要具体看研究对象和研究问题。例如，LAOS的上述优势，对于研究不能无限地单向连续形变的非流体（例如交联凝胶）会有所体现。其次就是研究时间尺度比较匹配的非平衡体系（例如触变性流体）。我所在的课题组就恰好对这两类材料感兴趣。
综合以上理由，确实有必要花精力建设一个比较完善的LAOS测试平台。
现有的LAOS测试软件
到现在为止，我只在KIT的Whilhelm实验室旁观过TA ARES-G2流变仪和相应的TRIOS软件，没有新自试用过这个软件的LAOS实验程序。我们课题组也没有ARES-G2，只有一台ARES-RFS（蓝色）。在这台仪器做LAOS，常规做法是通过Orchestrator软件控制仪器，再用一个模数转换器（ADC）从仪器背板的模拟输出来采集信号。软件部分的任务就包括：
- 控制ADC的采样行为，例如oversampling、equivalent time还是real time等
- 数据处理，例如去噪、FFT、谐波分析等
- 友好的界面，流畅的workflow设计
目前的软件我用过的有两个。一个是McKinley实验室的MITLaos（作者是R. Ewoldt）,另一个是Whilhelm实验室的软件。我就这两个软件分别评论一下。
MITLaos不负责控制ADC采样行为。它只负责处理数据。它是一个MATLAB程序。它由于是Ewoldt提出的应力分解方法的衍行产物，因此它直接换算出相应的应力分解参数，不能用来做原始的谐波分析。它在处理波形数据的时候要根据用户输入的基频频率，不能自动分析信号的基频频率。
Whilhelm实验室的软件分两个可执行文件。一个负责控制采样，另一个负责谐波分析的数据处理。这两个可执行文件都是用LabView做的。它们同样需要根据用户输入的基频频率来处理数据。而且操作有Bug。
因此，以上两个软件都有不完美之处。其中最大的不完美就是不能自动分析出波形信号基频频率。为什么一定要从实际信号分析出基频频率而不能拿用户输入的频率来代替？最主要的原因是为了能自动进行coherent sampling。MITLaos是根据用户输入的基频自动进行coherent sampling，但是在取样周期数很多的情况下，实际基频和用户输入基频之间的微小差别就会累积到不可忽略的程度，导致coherent sampling失败。Whilhelm实验室的软件，则是在原始波型数据采集完之后由用户手动做coherent sampling，这使得实验受到很大限制。例如在测试结构随时间变化的样品的时候，人工部分的工作就会变得非常繁琐。最好是软件能直接地、准确地认出信号的基频，自动进行coherent sampling，以及后续的FFT。
其次就是用户界面的友好程度问题。我们课题组的研究兴趣主要材料。在研究手段上比较杂。LAOS流变仪专用的测试技术，而且比较新。对流变学了解不深的人，很可能也知道“粘度”、“G’”、“G””。在流变仪自带的软件中摸一下，很快就能上手进行普通的动态扫频或者粘度测试。LAOS技术如果要能在课题组中传递下去（至少在做流变学这一块儿的师弟师妹中传递），就应该尽可能地简化原理和实验操作。最理想的情况就是只要用户有基本的Fourier变换的概念，知道高次谐波是怎么来的，有什么意义就行了。什么oversampling、coherent sampling、信噪比之类的东西最好能隐藏在用户界面的内部（或者放在“高级设置”中）。软件的界面本身要做到用户一眼看上就明白操作流程，要明显地暗示用户先做什么后做什么。最后当然要进行仔细的debug，强大的容错能力。这更加需要软件能够尽可能自动地去控制最佳的取样行为，免去用户深入学信号处理原理的必要。因为说实话，作为材料学院的实验室，我们招生的生源很难是物理专业的人。流变学本来对任何专业背景本科毕业的大学生而言都是一个需要花时间专门学习的东西。如果实验上还要学习信号与系统、数字信号处理，对于一个只有3~5年，需发表IF>2以上的paper，写出四章以上内容的毕业论文才能毕业的科研新手而言任务有点重（至少据我个人经历就感觉很勉强）。我希望我花费的时间和精力后面的人不需要再花费。
按照波形信号分析的标准来设计LAOS软件
目前我的想法是，以IEEE Standard for Terminology and Analog-Digital Converters（IEEE Std 1241-2000）和IEEE Standard for Digitizing Waveform Recorders（IEEE Std 1057-2007）这两个标准为蓝本来建立LAOS测试软件的采样控制和谐波分析部分。开发平台方面先初步在MATLAB上实现。经过一段时间的调试，待算法和用户界面都比较完善了之后，再移植到Visual Studio 2010上，开发成为普通的Windows 7桌面应用程序，方便普通用户使用。