TWI716183B

TWI716183B - 應力測量裝置和應力測量方法

Info

Publication number: TWI716183B
Application number: TW108140236A
Authority: TW
Inventors: 江奕宏; 柯宏憲; 潘正達; 葉文勇; 李正中
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-01-11
Also published as: US11048851B2; TW202021432A; TW202020412A; TWI739212B; US20200159982A1

Abstract

提供一種適用於測量物件的應力分佈的應力測量裝置和應力測量方法。應力測量方法包含：接收物件的第一維度影像；對第一維度影像的區域進行標記以產生標記區域；計算施加在標記區域而將標記區域轉換為對應於第二維度影像的應變標記區域的第一應力以產生判斷結果；以及根據判斷結果計算對應於物件的第一維度影像的應力分佈。

Description

應力測量裝置和應力測量方法

本揭露是有關於一種應力的測量技術，且是有關於一種應力測量裝置和應力測量方法。

目前，若想要測量一物件的應力分佈時，則需要先為該物件建立一立體模型，接著再利用應力模擬軟體來計算該立體模型所受的應力，從而產生該物件的應力分佈。但在一些情況下，透過上述方法所計算出的應力分佈並不符合實務上的需求。以印刷電路板（printed circuit board，PCB）的線路布局為例，當設計一印刷電路板時，布局工程師需要考慮PCB的二維應力分佈情形，藉以判斷電子元件及線路應該以何種方式布局在PCB的平面上。然而，依照現有的應力測試方法，布局工程師僅能透過操作應力模擬軟體來獲得PCB的立體模型的整體應力分佈情形（即：三維應力分佈情形）。如此，將使線路布局的工作變得更為複雜。

本揭露的實施例提供一種應力測量裝置和應力測量方法，可計算出物件在不同維度下的應力分佈。

本揭露的一實施例的應力測量裝置適用於測量物件的應力分佈。應力測量裝置包括處理器、儲存媒體以及收發器。收發器接收物件的第一維度影像。儲存媒體儲存多個模組。處理器耦接儲存媒體以及收發器，並且存取和執行多個模組，其中多個模組包括標記模組以及運算模組。標記模組對第一維度影像的區域進行標記以產生標記區域。運算模組計算施加在標記區域而將標記區域轉換為對應於第二維度影像的應變標記區域的第一應力以產生判斷結果，並且根據判斷結果計算對應於物件的第一維度影像的應力分佈。

在本揭露的一實施例中，上述的多個模組更包括：資料庫，預存分別對應於多個物件的多個彈性模量。

在本揭露的一實施例中，上述的運算模組測量受到第一應力的標記區域的應變，並且根據應變和多個彈性模量中的第一彈性模量計算施加在標記區域的第一應力。

在本揭露的一實施例中，上述的收發器接收第二物件的相關資料以計算第一彈性模量，其中相關資料包括施加在第二物件的第二應力以及受到第二應力的第二物件的應變。

在本揭露的一實施例中，上述的運算模組響應於測量條件與第一彈性模量相匹配而根據第一彈性模量計算第一應力，其中測量條件對應於物件和第一應力，並且第一彈性模量對應於第二物件。

在本揭露的一實施例中，上述的測量條件關聯於下列的至少其中之一：物件外形、物件材料、拉伸方向、拉伸頻率、拉伸速度、拉伸次數、緩和時間、溫度、濕度、氣壓、重力、磁場分佈或電場分佈。

在本揭露的一實施例中，上述的物件材料關聯於下列的至少其中之一：單一材料或複合材料；結晶性材料或非結晶性材料；分子平均等向性材料或非分子平均等向性材料；材料尺寸；或材料形狀。

在本揭露的一實施例中，上述的第一應力包括下列的至少其中之一：X軸方向的正向應力、X軸方向的剪應力、Y軸方向的正向應力、Y軸方向的剪應力、Z軸方向的正向應力或Z軸方向的剪應力。

在本揭露的一實施例中，上述的第一彈性模量包含於對應於測量條件的彈性模量矩陣，其中彈性模量矩陣的列對應於X軸方向的正向應力、X軸方向的剪應力、Y軸方向的正向應力、Y軸方向的剪應力、Z軸方向的正向應力或Z軸方向的剪應力的其中之一。

在本揭露的一實施例中，上述的彈性模量矩陣為對稱矩陣。

本揭露的一實施例的應力測量方法適用於測量物件的應力分佈。應力測量方法包括：接收物件的第一維度影像；對第一維度影像的區域進行標記以產生標記區域；計算施加在標記區域而將標記區域轉換為對應於第二維度影像的應變標記區域的第一應力以產生判斷結果；以及根據判斷結果計算對應於物件的第一維度影像的應力分佈。

在本揭露的一實施例中，上述的應力測量方法更包括：預存分別對應於多個物件的多個彈性模量。

在本揭露的一實施例中，上述的計算施加在標記區域而將標記區域轉換為對應於第二維度影像的應變標記區域的第一應力以產生判斷結果的步驟，包括：測量受到第一應力的標記區域的應變；以及根據應變和多個彈性模量中的第一彈性模量計算施加在標記區域的第一應力。

在本揭露的一實施例中，上述的應力測量方法更包括：接收第二物件的相關資料以計算第一彈性模量，其中相關資料包括施加在第二物件的第二應力以及受到第二應力的第二物件的應變。

在本揭露的一實施例中，上述的根據應變和多個彈性模量中的第一彈性模量計算施加在標記區域的第一應力的步驟，包括：響應於測量條件與第一彈性模量相匹配而根據第一彈性模量計算第一應力，其中測量條件對應於物件和第一應力，並且第一彈性模量對應於第二物件。

在本揭露的一實施例中，上述的彈性模量矩陣為對稱矩陣。

基於上述，本揭露實施例的應力測量裝置和應力測量方法，可計算出物件在不同維度下的應力分佈。

為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例作為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。

圖1根據本揭露的實施例繪示一種應力測量裝置100的示意圖，其中應力測量裝置100適用於測量一物件的應力分佈。應力測量裝置100可包括處理器110、儲存媒體120以及收發器130。

處理器110例如是中央處理單元（central processing unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微控制單元（micro control unit，MCU）、微處理器（microprocessor）、數位信號處理器（digital signal processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（application specific integrated circuit，ASIC）、圖形處理器（graphics processing unit，GPU）、算數邏輯單元（arithmetic logic unit，ALU）、複雜可程式邏輯裝置（complex programmable logic device，CPLD）、現場可程式化邏輯閘陣列（field programmable gate array，FPGA）或其他類似元件或上述元件的組合。處理器110可耦接至儲存媒體120以及收發器130，並且存取和執行儲存於儲存媒體120中的多個模組和各種應用程式。

儲存媒體120例如是任何型態的固定式或可移動式的隨機存取記憶體（random access memory，RAM）、唯讀記憶體（read-only memory，ROM）、快閃記憶體（flash memory）、硬碟（hard disk drive，HDD）、固態硬碟（solid state drive，SSD）或類似元件或上述元件的組合，而用於儲存可由處理器110執行的多個模組或各種應用程式。在本實施例中，儲存媒體120可儲存包括標記模組121、運算模組122以及資料庫123等多個模組，其功能將於後續說明。

收發器130以無線或有線的方式傳送及接收訊號。收發器130還可以執行例如低噪聲放大、阻抗匹配、混頻、向上或向下頻率轉換、濾波、放大以及類似的操作。收發器130用以接收一物件的第一維度影像，其中第一維度影像例如是一二維影像，但本揭露不限於此。舉例來說，當想要計算物件20（如圖2A所示）的應力分佈時，可通過例如攝影機將物件20的二維影像拍攝下來並傳送給收發器130。

圖2A根據本揭露的實施例繪示未受力時的物件20的示意圖。在取得物件20在X-Y平面上的二維影像後，標記模組121可對物件20的二維影像上的區域進行標記以產生標記區域。以圖2A為例，標記模組121對物件20在X-Y平面上的二維影像的區域進行標記而產生九個標記區域，其中所述九個標記區域包括標記區域210。

接著，使用者可對物件20施加一試驗應力，以計算施加在每個標記區域上的應力。例如，使用者可使用拉伸儀（tensile testing machine）等裝置將固定的試驗應力施加在物件20上。或者，運算模組122可模擬出試驗應力，並加試驗應力施加在物件20上。

圖2B根據本揭露的實施例繪示受力時的物件20的示意圖。在試驗應力施加在物件20後，如圖2A所示的物件20的二維影像將被轉換為如圖2B所示的第二維度影像，其中該第二維度影像例如是物件20的三維影像，但本揭露不限於此。相較於物件20的二維影像，物件20的三維影像更包括對應於Z軸的相關資訊，其中該Z軸代表垂直於X-Y平面的試驗應力施加在物件20後，物件20的應變程度。換言之，在物件20被施加了試驗應力後，物件20的二維影像可被轉換為包括物件20之應變資訊的三維影像。

當物件20的二維影像被轉換包括物件20之應變資訊的三維影像時，標記區域210的形狀會產生變化而轉變為對應於三維影像的應變標記區域220。運算模組122可根據標記區域210和應變標記區域220測量試驗應力施加在物件20後，標記區域210的應變。運算模組122並可根據所計算出的應變以及對應於物件20（或對應於標記區域210）的第一彈性模量（Elastic modulus）計算出施加在標記區域210的應力為第一應力並產生相應的判斷結果，其中判斷結果可例如是物件20受到的應力。舉例來說，運算模組122可根據第一彈性模量繪示出對應於物件20的應力-應變曲線（stress-strain curve），並且根據所計算出的應變以及應力-應變曲線推算出物件20受到的應力。

接著，運算模組122可根據判斷結果計算對應於物件20的二維影像的應力分佈。具體來說，運算模組122可根據標記區域210和應變標記區域220判斷標記區域210受到第一應力後的應變，從而根據應變計算出施加在標記區域210的應力為第一應力。運算模組122可據以判斷應變標記區域220上的任意一點都被施加了第一應力。基於相似的方式，運算模組122可計算出施加在物件20的二維影像中的每一點上的應力。

舉例來說，假設物件20為一PCB，則布局工程師可利用應力測量裝置100以通過PCB的外觀影像記算出PCB在二維平面上的應力分佈，藉以輔助布局工程師設置在PCB的平面上的元件。

在一實施例中，為了能更快速地計算出物件20的應力分佈，資料庫123可預存分別對應於多種不同物件的多個彈性模量。所述多個彈性模量的來源例如是由運算模組122計算而產生。舉例來說，運算模組122可通過收發器130接收對應於一第二物件的相關資料，並且根據相關資料計算對應於第二物件的彈性模量，其中相關資料包括施加在第二物件上的第二應力以及第二應力施加在第二物件後第二物件的應變。

當運算模組122要計算施加在標記區域210的應力（即：第一應力）時，運算模組122可響應於對應於物件20以及第一應力的測量條件與多個彈性模量的其中之一（以下稱之為「第一彈性模量」）相匹配而根據第一彈性模量計算出第一應力。測量條件可關聯於下列的至少其中之一（但不限於此）：物件外形、物件材料、拉伸方向、拉伸頻率、拉伸速度、拉伸次數、緩和時間、溫度、濕度、氣壓、重力、磁場分佈或電場分佈，其中物件材料可關聯於下列的至少其中之一（但不限於此）：單一材料或複合材料、結晶性材料或非結晶性材料、分子平均等向性材料或非分子平均等向性材料、材料尺寸或材料形狀。

舉例來說，資料庫123可預存銅製（即：物件材料）的圓柱體（即：物件外形）在溫度為60℃（即：溫度）時受到Y軸方向的拉伸（即：拉伸方向）時的彈性模量以作為第一彈性模量。當物件20為一在溫度為60℃受到Y軸方向的拉伸的銅製圓柱體時，則運算模組122可響應於物件20及其所受之第一應力的測量條件與第一彈性模量相匹配而根據第一彈性模量計算出施加在物件20上的試驗應力，從而計算出使標記區域210轉變為應變標記區域220的第一應力。

另一方面，資料庫123還可預存分別對應於多個物件的多個蒲松比或多個密度等與物件的材料特性相關的資料。運算模組122可根據與物件的材料特性相關的資料以更精準地計算物件20的應力分佈。舉例來說，運算模組122可響應於物件20與第一彈性模量、第一蒲松比或第一密度的至少其中之一相匹配而根據第一彈性模量、第一蒲松比或第一密度的所述至少其中之一計算出施加在物件20上的試驗應力。

在一實施例中，運算模組122可響應於測量條件與多個彈性模量矩陣的其中之一（以下稱之為「第一彈性模量矩陣」）相匹配而根據第一彈性模量矩陣計算出第一應力，其中所述測量條件對應於物件20以及第一應力，並且所述第一彈性模量矩陣可包括如上所述的第一彈性模量。第一彈性模量矩陣可由分別對應於不同方向或不同種類的力的多個彈性模量所組成。舉例來說，第一彈性模量矩陣可包括對應於X軸方向的正向應力之彈性模量的列、對應於X軸方向的剪應力之彈性模量的列、對應於Y軸方向的正向應力之彈性模量的列、對應於Y軸方向的剪應力之彈性模量的列、對應於Z軸方向的正向應力之彈性模量的列以及對應於Z軸方向的剪應力之彈性模量的列，但本揭露不限於此。

運算模組122可根據第一彈性模量矩陣以及物件20的應變計算出標記區域210所受到的第一應力，如下述的公式（1）所示。第一應力可包括σx、σy、σz、τxy、τyz以及τzx（但不限於此），其中σx為對應於X軸方向的正向應力、σy為對應於Y軸方向的正向應力、σz為對應於Z軸方向的正向應力、τxy為對應於X軸方向的剪應力（x軸為應力軸且y軸為剪力軸）、τyz為對應於Y軸方向的剪應力（y軸為應力軸且z軸為剪力軸）、τzx為對應於Z軸方向的剪應力（z軸為應力軸且x軸為剪力軸）、εx為對應於X軸方向的正向應力的應變、εy為對應於y軸方向的正向應力的應變、εz為對應於Z軸方向的正向應力的應變、γxy為對應於X軸方向的剪應力（x軸為應力軸且y軸為剪力軸）的應變、γyz為對應於Y軸方向的剪應力（y軸為應力軸且z軸為剪力軸）的應變並且γzx為對應於Z軸方向的剪應力（z軸為應力軸且x軸為剪力軸）的應變並且D為第一彈性模量矩陣。在本實施例中，D為尺寸為6x6的彈性模量矩陣（如公式（2）所示），其中a ij代表i方向的應力對j方向的彈性模量的權重，而數字1、2、3、4、5和6分別代表對應於X、Y和Z軸的正應力的方向與對應於X、Y和Z軸的剪應力的方向。

…公式（1）

第一彈性模量矩陣D例如是一對稱矩陣，如公式（2）所示。因此，儲存媒體120僅需儲存第一彈性模量矩陣D的對角線元素並且從各對對稱元素中選擇其中之一個元素進行儲存即可。例如，儲存媒體120僅需儲存如公式（3）所示的矩陣D’。待需要使用第一彈性模量矩陣D進行運算時，運算模組122可利用矩陣D’還原出第一彈性模量矩陣D。如此，可節省儲存媒體120的儲存空間。

…公式（2）

…公式（3）

圖3根據本揭露的實施例繪示一種應力測量方法的流程圖，其中所述應力測量方法適用於測量物件的應力分佈，且所述應力測量方法可由如圖1所示的應力測量裝置實施。在步驟S301中，接收物件的第一維度影像。在步驟S302中，對第一維度影像的區域進行標記以產生標記區域。在步驟S303中，計算施加在標記區域而將標記區域轉換為對應於第二維度影像的應變標記區域的第一應力以產生判斷結果。在步驟S304中，根據判斷結果計算對應於所述物件的第一維度影像的應力分佈。

本揭露實施例的應力測量裝置或應力測量方法所產生的應力分佈資訊可被用以進行相關產品的設計。舉例來說，不同的PCB基板可能具有不同的結構特徵，例如不同的基板可具有不同的狹縫大小、狹縫形狀、狹縫密度或基板開口率等特徵。布局工程師可根據PCB的二維應力分佈設計包括如線寬、線距、線高或密度等參數。舉另一例來說，不同的織物可對應於不同的應力分佈。因此，成衣廠可根據由本揭露實施例的應力測量裝置或應力測量方法所產生的應力分佈資訊來設計織物。

綜上所述，本揭露的應力測量裝置和應力測量方法，可計算出物件在不同維度下的應力分佈，藉以根據設計需求來提供適合的應力分佈資訊以設計產品。透過預存許多物件的彈性模量，應力測量裝置可以在特定物件的測量條件與預存之物件的彈性模量相匹配的情況下，根據預存的彈性模量快速地計算出該特定物件的應力分佈，而不需特地為該特定物件建立立體模型。

100:應力測量裝置 110:處理器 120:儲存媒體 121:標記模組 122:運算模組 123:資料庫 130:收發器 20:物件 210:標記區域 220:應變標記區域 S301、S302、S303、S304:步驟

圖1根據本揭露的實施例繪示一種應力測量裝置的示意圖。圖2A根據本揭露的實施例繪示未受力時的物件的示意圖。圖2B根據本揭露的實施例繪示受力時的物件的示意圖。圖3根據本揭露的實施例繪示一種應力測量方法的流程圖。

S301、S302、S303、S304:步驟

Claims

一種應力測量裝置，適用於測量物件的應力分佈，包括：收發器，接收所述物件的第一維度影像；儲存媒體，儲存多個模組；以及處理器，耦接所述儲存媒體以及所述收發器，並且存取和執行所述多個模組，其中所述多個模組包括：標記模組，對所述第一維度影像的區域進行標記以產生標記區域；以及運算模組，計算施加在所述標記區域而將所述標記區域轉換為對應於第二維度影像的應變標記區域的第一應力以產生判斷結果，並且根據所述判斷結果計算對應於所述物件的所述第一維度影像的所述應力分佈。
如申請專利範圍第1項所述的應力測量裝置，其中所述多個模組更包括：資料庫，預存分別對應於多個物件的多個彈性模量。
如申請專利範圍第2項所述的應力測量裝置，其中所述運算模組測量受到所述第一應力的所述標記區域的應變，並且根據所述應變和所述多個彈性模量中的第一彈性模量計算施加在所述標記區域的所述第一應力。
如申請專利範圍第3項所述的應力測量裝置，其中所述收發器接收第二物件的相關資料以計算所述第一彈性模量，其中所述相關資料包括施加在所述第二物件的第二應力以及受到所述第二應力的所述第二物件的應變。
如申請專利範圍第4項所述的應力測量裝置，其中所述運算模組響應於測量條件與所述第一彈性模量相匹配而根據所述第一彈性模量計算所述第一應力，其中所述測量條件對應於所述物件和所述第一應力，並且所述第一彈性模量對應於所述第二物件。
如申請專利範圍第5項所述的應力測量裝置，其中所述測量條件關聯於下列的至少其中之一：物件外形、物件材料、拉伸方向、拉伸頻率、拉伸速度、拉伸次數、緩和時間、溫度、濕度、氣壓、重力、磁場分佈或電場分佈。
如申請專利範圍第6項所述的應力測量裝置，其中所述物件材料關聯於下列的至少其中之一：單一材料或複合材料；結晶性材料或非結晶性材料；分子平均等向性材料或非分子平均等向性材料；材料尺寸；或材料形狀。
如申請專利範圍第1項所述的應力測量裝置，其中所述第一應力包括下列的至少其中之一： X軸方向的正向應力、X軸方向的剪應力、Y軸方向的正向應力、Y軸方向的剪應力、Z軸方向的正向應力或Z軸方向的剪應力。
如申請專利範圍第8項所述的應力測量裝置，其中所述第一彈性模量包含於對應於所述測量條件的彈性模量矩陣，其中所述彈性模量矩陣的列對應於所述X軸方向的正向應力、所述X軸方向的剪應力、所述Y軸方向的正向應力、所述Y軸方向的剪應力、所述Z軸方向的正向應力或所述Z軸方向的剪應力的其中之一。
如申請專利範圍第9項所述的應力測量裝置，其中所述彈性模量矩陣為對稱矩陣。
一種應力測量方法，適用於測量物件的應力分佈，包括：接收所述物件的第一維度影像；對所述第一維度影像的區域進行標記以產生標記區域；計算施加在所述標記區域而將所述標記區域轉換為對應於第二維度影像的應變標記區域的第一應力以產生判斷結果；以及根據所述判斷結果計算對應於所述物件的所述第一維度影像的所述應力分佈。
如申請專利範圍第11項所述的應力測量方法，更包括：預存分別對應於多個物件的多個彈性模量。
如申請專利範圍第12項所述的應力測量方法，其中計算施加在所述標記區域而將所述標記區域轉換為對應於所述第二維度影像的所述應變標記區域的所述第一應力以產生所述判斷結果的步驟，包括：測量受到所述第一應力的所述標記區域的應變；以及根據所述應變和所述多個彈性模量中的第一彈性模量計算施加在所述標記區域的所述第一應力。
如申請專利範圍第13項所述的應力測量方法，更包括：接收第二物件的相關資料以計算所述第一彈性模量，其中所述相關資料包括施加在所述第二物件的第二應力以及受到所述第二應力的所述第二物件的應變。
如申請專利範圍第14項所述的應力測量方法，其中根據所述應變和所述多個彈性模量中的所述第一彈性模量計算施加在所述標記區域的所述第一應力的步驟，包括：響應於測量條件與所述第一彈性模量相匹配而根據所述第一彈性模量計算所述第一應力，其中所述測量條件對應於所述物件和所述第一應力，並且所述第一彈性模量對應於所述第二物件。
如申請專利範圍第15項所述的應力測量方法，其中所述測量條件關聯於下列的至少其中之一：物件外形、物件材料、拉伸方向、拉伸頻率、拉伸速度、拉伸次數、緩和時間、溫度、濕度、氣壓、重力、磁場分佈或電場分佈。
如申請專利範圍第16項所述的應力測量方法，其中所述物件材料關聯於下列的至少其中之一：單一材料或複合材料；結晶性材料或非結晶性材料；分子平均等向性材料或非分子平均等向性材料；材料尺寸；或材料形狀。
如申請專利範圍第11項所述的應力測量方法，其中所述第一應力包括下列的至少其中之一： X軸方向的正向應力、X軸方向的剪應力、Y軸方向的正向應力、Y軸方向的剪應力、Z軸方向的正向應力或Z軸方向的剪應力。
如申請專利範圍第18項所述的應力測量方法，其中所述第一彈性模量包含於對應於所述測量條件的彈性模量矩陣，其中所述彈性模量矩陣的列對應於所述X軸方向的正向應力、所述X軸方向的剪應力、所述Y軸方向的正向應力、所述Y軸方向的剪應力、所述Z軸方向的正向應力或所述Z軸方向的剪應力的其中之一。
如申請專利範圍第19項所述的應力測量方法，其中所述彈性模量矩陣為對稱矩陣。