TWI460424B - 材料扭轉測試方法及系統 - Google Patents

Description

材料扭轉測試方法及系統

本案係關於材料力學特性測試，尤指一種全方位影像取像裝置之扭轉試驗的方法與系統。

任何一種材料受力後都有變形產生，變形到一定程度材料就會降低或失去承載能力，即發生破壞，各種材料受力、變形及破壞的過程是有一定規律的。材料的力學性能(亦稱為機械性能)，是指材料在外力作用下表現出的變形和破壞等方面的性能，如強度、塑性、彈性和韌性等。為保證工程構件在各種負荷條件下正常工作，必須通過試驗測定材料在不同負荷下的力學性能，並規定具體的力學性能指標，以便為構件的強度設計提供可靠的依據。材料的主要力學性能指標有屈服強度、抗拉強度、材料剛度、延伸率、截面收縮率、衝擊韌性、疲勞極限、斷裂韌性和裂紋擴展特性等。金屬材料的力學性能取決於材料的化學成分、金相結構、表面和內部缺陷等，此外，測試的方法、環境溫度、周圍介質及試樣形狀、尺寸、加工精度等因素對測試結果也有一定的影響。

複合材料的性質與特性一直是被研究的重點，近年來已被應用在各種工程上，且纖維加強型複合材料的特性之一，即是可依不同角度而有不同的材料性質。而複合材料在應用方面有不同的幾何形狀，不同的幾何形狀會有不同的力學特性，其中複合材料的圓柱的幾何形狀在許多工程、交通工具及運動器材應用方面甚為廣泛，例如作為機車、飛機、直升機、船、潛水艇的結構、或轉軸、或軸承、以及高爾夫球桿、或羽毛球拍等等，皆常會使用到複合材料圓柱。因此對於複合材料圓柱的受力情形、疊層角度、疊層數量的研究即為重要。

由扭轉理論的發展過程中可以發現，剛開始時材料多為單相均質的柱體，同時柱體的截面形狀亦多為特殊的幾何形狀；其後則多為複合材料之柱體，而其幾何形狀亦多有變化。不過，以往的研究多是僅在研究產品的應力與應變而已，亦即，扭轉角度與複合材料圓柱應變之間的關係，如該圓柱彈性變形的角度範圍、塑性變形的角度範圍、以及抵達臨界/降服點時的角度，至於在扭轉時複合材料圓柱的外觀實際變形的狀態則少有研究，然而外觀實際變形對於材料的應用卻是至關重大，因為例如將該材料應用為傳動軸，則負載的變化就會改變傳動軸本身的扭轉角度，在缺乏對扭轉角度的變化所導致的外觀形變缺乏研究的情形下，會造成複合材料圓柱在應用時具有某些不確定性，譬如一種情形是過於保守因而使用的過於昂貴的圓柱，另一情形則是過於大膽而使用了強度不足的圓柱。以下就針對幾個習用技術來作說明。

以中華民國專利申請第96142501號而言，其內容主要是在描述以旋轉的方式測試螺絲螺帽鬆脫時所受的扭力，並說明其測試機的結構，故而對於其螺絲螺帽於受扭轉時的扭曲變形是無法觀察的。又，若以中華民國專利申請第096141002號而言，則是利用機構將拉伸測試機的直線運動改變為旋轉運動來用作扭轉測試，因此實際上仍只是傳統的破壞測試的力學測量而已，對於受扭轉時的扭曲變形是無法觀察的。

爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，發明出本案「材料扭轉測試方法及系統」，用以改善上述習用手段之缺失。

本發明之目的是研究層狀纖維複合材料，如複合材料三明治圓柱，探討圓柱受純扭力作用之量測方法。本發明利用反射鏡以多個角度反射出圓柱其他位置的影像，並利用三維影像技術來重建圓柱進行扭力分析，圓柱被放置於至少一片的平面鏡前，利用攝影機拍攝影像，得到五個不同姿態之圓柱影像。

為了達到上述之目的，本發明提供一種材料扭轉測試方法，包括下列步驟：提供一圓柱材料；設置一標記於該圓柱材料上；於一第一時間擷取該標記的一第一畫面；以該圓柱材料為旋轉軸，旋轉該圓柱材料；於一第二時間，擷取該標記的一第二畫面；以及比較該第一畫面與該第二畫面，並計算出一測試結果。

為了達到上述之目的，本發明再提供一種材料扭轉測試系統，包括：一測試台，具有一固定端與一轉動端，用以分別固定一待測物的長軸方向的兩端；至少二反射鏡，相互呈一角度並設置於該測試台上，各該反射鏡的法向量垂直於該待測物的長軸方向；一攝影機，用以擷取該待測物本身及其在各該反射鏡上的影像；以及一運算單元，將該攝影基於該待測物扭轉時所拍攝到的待測物影像予以計算，並得到一測試結果。

以下針對本案之「材料扭轉測試方法及系統」的各實施例進行描述，請參考附圖，但實際之配置及所採行的方法並不必須完全符合所描述的內容，熟習本技藝者當能在不脫離本案之實際精神及範圍的情況下，做出種種變化及修改。

圓軸，作為一種受扭轉的圓杆，其受力特點是：在圓杆兩端作用大小相等、方向相反、且作用面垂直於圓杆軸線的力偶。在這樣一對力偶的作用下，圓杆的變形特點是：圓杆的任意兩個橫截面圍繞其軸線作相對轉動，圓杆的這種變形形式稱為扭轉。扭轉時圓杆兩個橫截面相對轉動的角度，稱為扭轉角，一般用表示ψ。以扭轉變形為主的圓杆通常稱為軸。截面形狀為圓形的軸稱為圓軸，圓軸在工程上是常見的一種受扭轉的圓杆。

請參閱圖1(a)至圖1(d)，為扭轉理論示意圖。如圖1(a)所示，係一懸臂樑的圓軸，今於自由端施加一扭力荷重T，此圓軸將會由於該扭力荷重T的作用，在自由端產生一ψ值的扭轉角(angle of twist)。而且經觀察得悉，T值在一範圍內，扭轉角ψ 與T成一定比例關係。圖1(b)亦顯示出ψ 值也與圓軸長度成正比；換言之，兩由同一材料製造，具相同斷面的圓軸，若長度是另一根的兩倍，且受同一扭矩T作用時，其形成的扭轉角，較長的亦為短的兩倍。圖1(d)所示之方形斷面軸受扭矩作用時，會產生使斷面形狀改變之翹曲(warpping)現象，此一現象在圖1(c)中之圓形軸就不會出現。

茲將一長度為L，半徑為c的圓軸，在受到扭矩作用產生一扭轉角後，從圓軸中分離出一半徑為c的圓柱，並考慮載重施加前後，一由兩鄰接圓截面與該圓柱表面上兩相鄰直線所形成的小元素(參考圖2(b)所示)。當圓軸受一扭矩載重作用時，該一微小元素會變形成一菱形(參考圖2(c)所示)，元素中的剪應變γ 乃是該元素各邊所夾角度的變化。此處所考慮的微小元素中，因圓保持不變，故剪應變γ 必預等於AB及A’B線間的夾角。

圖3，為扭轉角及最大剪應變γ _max 間的關係圖。圖2，圓柱表面上兩相鄰直線所形成扭轉角區域。

請參閱圖2(a)至(c)，為本發明待測物表面上兩相鄰直線所形成扭轉角區域的示意圖。其中，在小變形之情形下，γ的值很小，故可將弧長AA’表示為AA’=Lγ。但就另一方面而言，則有AA’=ρψ ，因此得Lγ=ρψ ，亦即 式中γ及ψ的單位，兩者均為弧度。若令θ=ψ/L(表示單位長度的扭轉角)，則式(1)可改寫為

γ =ρΦ 　(2)

其中，在圓軸長度L及扭力荷重T固定時，該　值為一常數。

由式(1)得知剪應變在ρ=c，亦即在圓軸表面時為最大：

將式(1)及(3)消去ψ，我們即可將與圓軸軸心線距離為ρ處的剪應變表出為：

一懸臂式圓軸長度為L，半徑為c，如圖3所示，扭轉角及最大剪應變γ _max 間的關係為。在彈性範圍以內時，虎克定律得以應用，因此得

比較式(3)與(5)得

推導上式(6)時，均假設A為固定端(Φ _A =0)，而若A並非固定端時，這些式子僅表示B點相對於A點的扭轉角，亦即

絕對扭轉角與相對扭轉角間的關係，可以寫成

Φ _B =Φ _A +Φ _{B / A} 　(8)

所以，A點若為固定端(Φ _A =0)時，則B點的絕對扭轉角Φ _B 為

材料扭轉試驗方法與系統，由扭轉機構及全方位影像取像裝置構成，可進行應力與強度計算。扭轉機構為在圓柱材料上作用著大小相等、轉向相反、作用平面垂直於圓杆軸線的兩組平行力學。當圓柱材料發生扭轉變形時，任意兩個橫截面將繞杆軸線作相對轉動而產生相對角位移。全方位影像取像裝置為一攝影機藉由二片反射鏡同時擷取5個不同角度之圓柱材料，重建全方位影像並計算待測物體受扭轉時的應力和變形，做為材料測試。在圓柱材料表面標示縱向線和圓周線，當物體受外力作用，可以觀察到圓柱材料扭轉破壞產生的裂紋垂直於圓柱材料縱向，沿圓柱材料橫截面斷裂。圓柱材料的兩端受到大小相等、轉向相反且作用平面直垂於柱材料軸線的力偶的作用，致使圓柱材料各橫截面都繞柱材料軸線發生相對轉動，圓柱材料表面的縱向線將變成螺旋線，可繪製成剪應力與角度之關係圖。

請參閱圖4，為本發明材料扭轉測試系統的示意圖。其中揭露了本發明材料扭轉測試系統，包括一測試台1，其中一端是固定端10，而另一端是轉動端11。固定端10是固定而不轉動的，且依一待測物2的長軸固定該待測物2的一端，而該待測物2的另一端則固定於該轉動端11，轉動端11則是用來扭轉該待測物2之用。測試台1上更設有一第一反射鏡31與一第二反射鏡32，二者互呈一角度，且各該反射鏡的法向量垂直於該待測物2的長軸方向，亦即，各反射鏡的平面是與待測物2的長軸方向平行，以獲得沒有變形的待測物2表面影像。此外還包括一攝影機4，用以擷取該待測物2本身及其在各該反射鏡上的影像，為了達到最佳效果，攝影機4的鏡頭軸向與該待測物2的徑向重合，在該二反射鏡之間呈適當角度且攝影機4的視角與距離適當的情形下，攝影機4可以拍攝到待測物2五個角度的影像，除了本身的影像外，還包括待測物2直接透過各反射鏡(31、32)一次反射到攝影機4的影像，稱為一次反射影像；以及例如先透過第一反射鏡31一次反射到第二反射鏡32，再由第二反射鏡32反射到攝影機4的影像，稱為二次反射影像。為了將攝影機4所拍攝到的影像進行處理，本發明的系統還包括一運算單元5將該攝影機4於該待測物2扭轉時所拍攝到的待測物影像予以計算，並得到一測試結果。

請繼續參閱圖4，例如待測物2是一複合材料三明治圓柱材料試樣安裝在測試台1上，透過轉動端11對試樣施加扭力矩，可得到扭轉曲線(扭轉角-最大剪應變)，一般情形之下，試樣變形先是彈性的，在彈性階段，扭矩與扭轉角成線性關係。彈性變形到一定程度試樣會出現屈服。扭轉曲線扭矩首次下降前的最大扭矩為上屈服扭矩T_su ；屈服段中最小扭矩為下屈服扭矩T_sl ，通常把下屈服扭矩對應的應力值作為材料的屈服極限τ_s ，即：τ_s =τ_sl =T_sl /W。當試樣扭斷時，得到最大扭矩T_b ，則其抗扭強度為τ_b =T_b /W。由於複合材料三明治圓柱材料為脆性材料，無屈服現象，故當其扭轉試樣破斷時，測得最大扭矩T_b ，則其抗扭強度為：τ_b =T_b /W。

請繼續參閱圖4，本發明的材料扭轉測試方法，首先是提供一圓柱材料2，即之前所述的待測物2，之後，設置一標記6(請配合圖5於該圓柱材料2上，接著於一第一時間擷取該標記6的一第一畫面，此處的第一時間通常就是轉動端11呈靜止狀態的時點，亦即，圖5左下附圖的實心黑點。再以該圓柱材料2為旋轉軸，透過轉動端11旋轉該圓柱材料2，並於一第二時間，擷取該標記的一第二畫面，即圖5右下附圖的空心圓點，對照此二附圖可以清楚的看到點的位置有所移動。此第二時間，通常可以是開始轉動後的任一時點，例如在圓柱材料2的彈性變形階段內的某一個時點，或是在上屈服扭矩T_su 出現之時亦可作為此處所述的第二時間，當然，本發明更可以是動態攝影，從靜止狀態開始拍攝，直到圓柱材料2發生破壞、破斷為止。最後，再比較該第一畫面與該第二畫面，並計算出一測試結果。此處所謂的比較兩個畫面，其是就是在比較標記6在兩個畫面中產生的變形現象，透過數位攝影技術予以比對並進行計算。

請參閱圖5，為本發明的標記的實施例示意圖。並請同時配合圖4。由於本發明在扭轉圓柱材料2時是依據其軸向作為轉軸而轉動之，因此，標記6也最好依照圓柱材料2的固有方向來設置，亦即圓柱材料2的軸向與圓周，因此，標記6是由一經線61與一緯線62(圓周線)組成，該經線61平行於圓柱材料2的軸向，緯線62是沿圓柱材料2的圓周。此外，通常標記6是延伸至整個圓柱材料2的表面，這樣就可以將標記6在圓柱材料2上其他位置的部分作為一個觀察組，以觀察圓柱材料2的各個部位的標記6的變形狀況是否相同，即可得知此圓柱材料2於製造時是否有瑕疵，因為若有瑕疵存在則各個部位的標記6的變形狀況極有可能不同。

如圖4，為了便於觀察更多的角度的待測物2，本發明方法更可以多一步驟，即在測試台1上設置一反射鏡，或甚至一第一反射鏡31與一第二反射鏡32，諸反射鏡須鄰近於待測物2。其餘關於各反射鏡的設置及其能達到的效果一如之前關於圖4的相關說明，於此不再贅述。

請配合圖4，至於在測試步驟的細節則如後所述：首先要測量圓柱原始尺寸直徑，用最小直徑計算抗扭截面模量；接著則是安裝待測物2即圓柱材料，並保持待測物軸線與測試台2的轉動端11的轉動中心一致；攝影機4在拍攝包含由二反射鏡(31、32)所擷取二個一次反射影像與二個二次反射影像，以及待測物2直接面對攝影機4的直接影像，總共拍攝到了五個不同角度之待測物2，以運算單元5重建全方位影像並計算待測物2扭轉時的應力和變形，做為材料測試。在進行複合材料三明治的待測物2的扭轉破壞試驗時，觀察線彈性階段、屈服階段的力學現象，記錄上、下屈服點扭矩值，圓柱扭斷後，記錄最大扭矩值，觀察斷口特徵，以及各個階段標記6的現象，均可透過攝影機4加以記錄。

請參閱圖5，其中，為了觀察圓柱的扭轉變形，在待測物2表面上做標記6。在扭轉力作用下，得到與薄壁圓筒受扭時相似的現象。各圓周線繞軸線相對地旋轉了一個角度，但大小、形狀和相鄰圓周線間的距離不變。在小變形的情況下，縱向線仍近似地是一條直線，只是傾斜了一個微小的角度。變形前表面上的方格，變形後錯動成菱形。

請參閱圖5，本發命透過數位影像關係法計算圓柱的扭轉角及變形，比較試驗前後之扭轉及變形情形。兩端固定的圓截面等直杆(待測物2)，在截面積受外力偶矩m作用下。根據圓柱表面的各圓周線的形狀、大小和間距之矩形網格，計算其特徵斑點63之扭轉及變形情形。

數位影像關係法(Digital Image Correlation,DIC)為一具備全域、非接觸式的應變量測方法，取得試片變形前及變形後影像的表面影像，以數值分析方式找出變形後影像中特定區域像素點的相對位移，進一步換算出目標試片所產生的應變、位移與旋轉等資訊。在假設線性變形前提下，各個方向多個應變因子，來描述變形後影像的形狀，一組變數代表著一種變形的情形。因此，變形後影像中相對應的幾何座標位置可取得一組光學成像感應器響應值，以交相關函式計算兩影像間關聯程度可得到一組相關係數，以各種最佳化方式如基因演算法或疊代法對各子影像應變因子計算結果進行最佳化，理論上當應變因子最接近實際變形情形時相關係數將為極值，此時收斂條件即成立，代表應變因子組就是所欲求變形各項參數，子影像的位移及應變整核後即可獲得以子影像區域為全區域的變形和位移量測結果。

對於分別代表變形前後所取得相同大小之灰階影像特徵向量I ₁ 與I ₂ 陣列來說，變形前物空間中任一點之座標點(i ,j )變形後成為(i' ,j' )，DIC法常用於求取變形前後子影像位置之數值方法。

利用攝影機觀測圓柱表面的圓周線影像，應用影像處理技術，得到扭轉前後直線位置所形成扭轉橫截面相對轉動的扭轉角θ。圓柱表面受扭轉前後兩直線偵測方式，可採用ρ-θ轉換進行直線偵測。首先，將灰階影像經濾波器得到邊緣影像。對於邊緣影像中的某一條直線，其直線方程式可表示成：

ρ=x cosθ+y sinθ　(11)

請配合圖6，為本發明數位影像關係法所使用到的Hough直線轉換示意圖。其中，ρ代表直線至原點的距離，θ代表法線與x軸所交的夾角，如圖6的左側小圖所示。通常直線方程式是以ρ、θ作為參數，在x-y空間中畫直線，而Hough直線轉換的原理，是反將x,y作為參數，在ρ-θ空間中(也稱作參數空間)畫曲線，如圖6的中央小圖。此弦形曲線代表的意義，是該點所對應所有可能的(ρ,θ)組合。為了求得此直線真正的(ρ,θ)解，將ρ-θ空間切割成許多的累積單元(accumulator cells)，如圖6的右側小圖，並將上一步在參數空間畫曲線的(ρ,θ)座標，利用類似「投票」的方式，在各種(ρ,θ)組合累積票數。ρ的範圍是-DρD，θ的範圍是0°θ180°，其中D代表影像的對角線長度。理論上正確(ρ,θ)值附近會累積到最多的票數，若將(11)式改寫成：

即可用(12)式的x-y平面點斜式將原本的直線重建出來。

請參閱圖7，為本發明的扭轉角計算方法示意圖。找到圓柱及矩形網格線在影像中的位置之後，需先找到圓柱的中心線，再由圓柱及圓柱中心與矩形網格線的相關幾何條件，來求得圓柱扭轉點精確的距離以及扭轉角的角度。如圖7所示，分別於x =c 處由(c ,N )至(c ,0)及x =d 處由(d ,N )至(d ,0)由下而上搜尋像素值為零的像素位置，得到如圖7中像素點C (x ₃ ,y ₃ )和像素點D (x ₄ ,y ₄ )的位置，由點C 和點D 便可得到圓柱矩形網格線的直線方程式L ：

及扭轉角角度θ：

矩形網格線分佈於圓柱中心線上方及下方，如圖9所示，為了求出正確的圓柱扭轉線位置，故將圓柱扭轉線的比對位置A(x ₁ ,y ₁ )對L作垂直線L ₁ ，L ₁ 可表示為：

直線L 和直線L ₁ 相交於點E。同理，圓柱中心點的比對B(x ₂ ,y ₂ )對L 作垂直線L ₂ 表示為：

直線L 和直線L ₂ 相交於點F。線段即為圓柱扭轉線位置x 。

根據圓柱表面的各圓周線的形狀、大小和間距之矩形網格，配合數位影像關係法，得到圓柱的扭轉角及變形。

圖8(a)至(c)，為扭轉角實驗結果示意圖。並請配合圖4與圖5。當圓柱2受扭轉後的外觀顯示於圖8(a)，其中圓周線即緯線62，而經線61則平行於圓柱2的軸向方向，而扭轉線64則是依待測物2的破裂線為準。圖8(b)為設定一感興趣區域(ROI)影像，是自圖8(a)上擷取一特定範圍作為感興趣區域影像。之後，經由二值化處理分別得到待測物2的緯線62及扭轉線64的二值化示意圖，如圖8(c)所示，其中網格處即代表破裂處與背景。最後，計算扭轉前後待測物2的緯線62及扭轉線64的直線位置，亦即比對前述的第一影像與第二影像並加以計算，可得到扭轉橫截面相對轉動的扭轉角θ=3.1467，交叉於特徵計算點63’，作標為(367.5818,395.7434)。

請參閱圖9，為本發明同時擷取五個不同角度的示意圖。重建全方位影像並計算圓杆扭轉時的應力和變形，做為材料測試。其中，#3影像為攝影機正面拍攝影像，亦即直接拍攝到待測物(即圖4所示元件2)的影像，其餘#1、#2、#4及#5分別為鏡面反射影像畫面，並以白色點線繪製，而其中更可分辨出#1與#5為一次反射影像、而#2與#4則為二次反射影像，如此即可以盡可能的將整個圓周的擷取待測物的影像。

請參閱圖10(a)至(b)，為本發明的全方位影像示意圖，圖10(a)為3D整體圓杆示意圖，圖10(b)為5張不同角度之圓杆影像畫面。

請繼續參閱圖10(a)至(b)，並請一同配合圖4與圖5，當架設圓杆於扭力機台，受扭前在其表面上設置標記。經由實際圓杆扭轉，計算扭轉變形後由於截面對截面的相對轉動，使得圓周線(緯線62)和縱向線(經線61)所形成的方格的左、右兩邊發生相對錯動，但待測物2的軸線及周線的長度都沒有變化。

當圓柱扭轉變形後，橫截面保持為形狀、大小均無改變的平面，相鄰兩橫截面只是繞待測物2的軸線發生相對轉動。因此，圓柱橫截面和包含軸的縱向截面上都沒有正應力，橫截面上各點只有切應力，且切應力的方向必與圓周相切。圓柱兩端截面之間相對轉動的角度，稱為相對扭轉角。

然而，圓柱表面上每個格子的直角都改變了相同的角度，這種直角的改變量稱為切應變。由相鄰兩圓周線間每個格子的直角改變量相等的現象，並根據材料是均勻連續的假設，可以推知，沿圓周各點處切應力的方向與圓周相切，且數值相等，同時，由於圓柱壁的厚度很小，可以認為沿筒壁厚度切應力不變。

請參閱圖11(a)至(b)。其中，圖11(a)，為本發明的實際全方位影像示意圖；而圖11(b)，為本發明的感興趣區域影像二值化示意圖。攝影機藉由二片反射鏡同時擷取5個不同角度之圓柱，得到圖11(a)的實際全方位影像，並在圖15(a)上揀選了五個感興趣區域影像畫面(ROI)，即區域#1、區域#2、區域#3、區域#4、以及區域#5，而這五個區域則表示了五個不同的角度所觀察到的待測物2的破壞位置。圖11(b)為圖11(a)二值化後的結果，其中各感興趣區域影像畫面中的網格處在實際二值化的圖則是黑色，並針對區域#1~區域#5進行最大剪應變計算。

請參閱圖12(a)至(b)。其中，圖12(a)，為本發明的區域#5的二值化示意圖；而圖12(b)，為圖12(a)的最大剪應變計算示意圖。圖12(a)是以圖11(b)的區域#5為例，設定一感興趣區域(ROI)影像二值化影像，可以分析邊緣其最大剪應變計算如圖12(b)所示。

綜上所述，本發明「材料扭轉測試方法及系統」就是利用了數位影像在全方位影像合成與處理的優勢，讓原本難以分析、測量的材料扭轉的現象，可以透過本發明的方法與系統，更即時且更精確的得到結果，大幅的縮短了材料試驗的時間。再者，透過更具即時性的動態或靜態影像拍攝，可以更詳細的分析材料在扭轉時的每個轉動角度時或每個時段時，材料上面的標記的變化，且透過電腦化的快速計算就可即時的知道結果，所以本發明不但可以應用在材料試驗上，更可以用於負載監控，亦即透過監控材料表面的標記的變化，來警示材料可能已接近屈服點。可見本發明對於材料科學與應用，均具有莫大的貢獻。

實施例：

1.　一種材料扭轉測試方法，包括下列步驟：提供一圓柱材料；設置一標記於該圓柱材料上；於一第一時間擷取該標記的一第一畫面；以該圓柱材料為旋轉軸，旋轉該圓柱材料；於一第二時間，擷取該標記的一第二畫面；以及比較該第一畫面與該第二畫面，並計算出一測試結果。

2.　如實施例1所述的方法，其中該標記是由一經線與一緯線組成，該經線平行該圓柱材料的軸向而設置，該緯線是沿該圓柱材料的圓周設置。

3.　如實施例1所述的方法，其中更設置一反射鏡鄰近該圓柱材料，該反射鏡的法向量平行於該圓柱材料的徑向，而在該反射鏡上更形成一個一次反射影像以供擷取。

4.　如實施例1所述的方法，其中更設置相互呈一夾角的第一反射鏡與第二反射鏡，並鄰近該圓柱材料，各該反射鏡的法向量均平行於該圓柱材料的徑向，而在各該反射鏡上均形成一個一次反射影像及一個二次反射影像以供擷取。

5.　如實施例1所述的方法，其中該標記的擷取，是自旋轉開始時連續不斷的攝影。

6.　一種材料扭轉測試系統，包括：一測試台，具有一固定端與一轉動端，用以分別固定一待測物的長軸方向的兩端；至少二反射鏡，相互呈一角度並設置於該測試台上，各該反射鏡的法向量垂直於該待測物的長軸方向；一攝影機，用以擷取該待測物本身及其在各該反射鏡上的影像；以及一運算單元，將該攝影基於該待測物扭轉時所拍攝到的待測物影像予以計算，並得到一測試結果。

7.　如實施例6所述的系統，其中該轉動端更受一驅動機構而轉動，該驅動機構是選自步進馬達與伺服馬達中的一種。

8.　如實施例6所述的系統，更包括一設置在該待測物上的標記，是由一經線與一緯線組成，該經線平行該待測物的軸向而設置，該緯線是沿該待測物的圓周設置。

9.　如實施例6所述的系統，其中該測試結果包括彈性變型階段、塑性變型階段、以及降伏點的應變量、以及待測物全景圖中的一種。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例，雖遭熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1．．．測試台

10．．．固定端

11．．．轉動端

2．．．待測物、圓柱材料

31．．．第一反射鏡

32．．．第二反射鏡

4．．．攝影機

5．．．運算單元

6．．．標記

61．．．經線

62．．．緯線

63．．．特徵斑點

63’．．．特徵計算點

m．．．外力偶矩

圖1(a)至圖1(d)，為扭轉理論示意圖；

圖2(a)至(c)，為本發明待測物表面上兩相鄰直線所形成扭轉角區域的示意圖；

圖3，為扭轉角及最大剪應變γ _max 間的關係圖；

圖4，為本發明材料扭轉測試系統的示意圖；

圖5，為本發明的標記的實施例示意圖；

圖6，為本發明數位影像關係法所使用到的Hough直線轉換示意圖；

圖7，為本發明的扭轉角計算方法示意圖；

圖8(a)至(c)，為扭轉角實驗結果示意圖；

圖9，為本發明同時擷取五個不同角度的示意圖；

圖10(a)至(b)，為本發明的全方位影像示意圖；

圖11(a)，為本發明的實際全方位影像示意圖；

圖11(b)，為本發明的感興趣區域影像二值化示意圖；

圖12(a)，為本發明的區域#5的二值化示意圖；以及

圖12(b)，為圖12(a)的最大剪應變計算示意圖。

【附件簡單說明】

附件1(a)-(c)，為圖8(a)-(c)的原始影像；

附件1(d)，為在附件1(a)上，標記了扭轉角度數值與特徵計算點座標，且其中藍線指出圓周線，而綠線則指出扭轉線；

附件2(a)，為圖11(a)的原始影像；

附件2(b)，為附件2(a)的二值化影像；

附件2(c)，為區域#1感興趣區域影像畫面；

附件2(d)，為附件2(c)的二值化影像；

附件2(e)，為區域#2感興趣區域影像畫面；

附件2(f)，為附件2(e)的二值化影像

附件2(g)，為區域#3感興趣區域影像畫面

附件2(h)，為附件2(g)的二值化影像；

附件2(i)，為區域#4感興趣區域影像畫面；

附件2(j)，為附件2(i)的二值化影像；

附件2(k)，為區域#5感興趣區域影像畫面；

附件2(l)，為附件2(k)的二值化影像；

附件3(a)，為圖12(a)的原始影像；

附件3(b)，為附件3(a)的最大剪應變計算結果、亦為圖12(b)的原始影像。

1．．．測試台

10．．．固定端

11．．．轉動端

2．．．待測物

31．．．第一反射鏡

32．．．第二反射鏡

4．．．攝影機

5．．．運算單元

Claims (9)

1. 一種材料扭轉測試方法，包括下列步驟：提供一圓柱材料；設置一標記於該圓柱材料上；於一第一時間擷取該標記的一第一畫面；以該圓柱材料為旋轉軸，旋轉該圓柱材料；於一第二時間，擷取該標記的一第二畫面；以及比較該第一畫面與該第二畫面，並計算出一測試結果。
2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該標記是由一經線與一緯線組成，該經線平行該圓柱材料的軸向而設置，該緯線是沿該圓柱材料的圓周設置。
3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中更設置一反射鏡鄰近該圓柱材料，該反射鏡的法向量平行於該圓柱材料的徑向，而在該反射鏡上更形成一個一次反射影像以供擷取。
4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中更設置相互呈一夾角的第一反射鏡與第二反射鏡，並鄰近該圓柱材料，各該反射鏡的法向量均平行於該圓柱材料的徑向，而在各該反射鏡上均形成一個一次反射影像及一個二次反射影像以供擷取。
5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該標記的擷取，是自旋轉開始時連續不斷的攝影。
6. 一種材料扭轉測試系統，包括：一測試台，具有一固定端與一轉動端，用以分別固定一待測物的長軸方向的兩端；至少二反射鏡，相互呈一角度並設置於該測試台上，各該反射鏡的法向量垂直於該待測物的長軸方向；一攝影機，用以擷取該待測物本身及其在各該反射鏡上的影像；以及一運算單元，將該攝影基於該待測物扭轉時所拍攝到的待測物影像予以計算，並得到一測試結果。
7. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中該轉動端更受一驅動機構而轉動，該驅動機構是選自步進馬達與伺服馬達中的一種。
8. 如申請專利範圍第6項所述的系統，更包括一設置在該待測物上的標記，是由一經線與一緯線組成，該經線平行該待測物的軸向而設置，該緯線是沿該待測物的圓周設置。
9. 如申請專利範圍第6項所述的系統，其中該測試結果包括彈性變型階段、塑性變型階段、以及降伏點的應變量、以及待測物全景圖中的一種。