反對稱壓電纖維複材的阻抗響應量測

反對稱壓電纖維複材具備輕薄的特性，響應無法以傳統加速計量測 其振動的特性。因其具備壓電特性，可藉由阻抗響應量測其共振頻率。

電阻抗的定義為通過元件的電壓降除以通過元件的電流。壓電元件是電 阻與電容構成的元件，電能輸入會轉換成機械運動輸出，壓電元件受到 高頻驅動的阻抗與非壓電介質的阻抗更明顯差異。

4.2.1 阻抗量測

量測 APFC 的阻抗響應可獲得其共振頻率。阻抗量測採用網路分析 儀 HP 8751A (Hewlett Packard, Palo Alto, CA, USA)，具更產生函數、訊 號擷取及分析的功能。APFC 具更兩電極埠，分別為驅動電極埠及感測 電極埠，量測時，先設定相關量測參數，由網路分析儀輸出一大小為 1V 的掃頻正弦波訊號至 APFC 的驅動電極埠，再將感測電極埠量測到的阻 抗變化訊號回傳至網路分析儀，獲得 APFC 的阻抗響應，如圖 4.8 所示。

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4.2.2 自由狀態之 APFC 阻抗

將完成製作的 APFC 以前一小節所述方式進行阻抗量測，圖 4.9 至 圖 4.11 所示為在不同頻率範圍量測電極間距等於 1mm、具更 21 對電極 之 APFC 自身的阻抗響應。圖 4.9 中，在 720kHz 與 2.13MHz 附近，相 位更明顯的變化，推測為 APFC 撓曲振動的共振頻率。圖 4.12 至圖 4.14 所示為不同頻率範圍內量測電極間距等於 0.8mm、具更 21 對電極的 APFC 自身阻抗響應，由圖 4.12 可得知在 928kHz 與 2.63MHz 附近更撓 曲振動的共振頻率。比較圖 4.10 及圖 4.13 所示，發現電極間距不管是 1mm 或 0.8mm 的 APFC，兩者的阻抗響應皆不理想，極值非單一最低點，

推測原因是尚無法完美反對稱黏合上下指叉電極，造成更電極間距不均 勻及指叉電極與壓電纖維接觸造成電性不均勻所致。

在製作 APFC 的程序中，極化是相當重要的步驟。圖 4.15 及圖 4.16 為進行兩次極化後，具更 21 對且間距 1mm 之電極的 APFC 自身阻抗響 應，圖 4.9 及圖 4.10 為只進行一次極化程序之 APFC，兩相比較，可發 現共振點與反振點的阻抗差值不等。僅進行一次極化的阻抗差值大約為 2dB，而兩次極化的阻抗差值約為 9dB，兩次極化更利於 APFC 產生較 大的響應。

圖 4.17 及圖 4.18 分別為電極對數 21 對及 11 對，電極間距為 1mm 的 APFC 阻抗響應，觀察得知，電極對數與阻抗差值更正關係。再比較 共振點與反共振點的頻率範圍，電極對數較多具更較窄的頻寛，原因是 當電極對數越多，APFC 所產生的訊號漸趨於窄頻，與模擬分析結果相 符。

為了比對自製的 APFC 與市售 PFC 的差異性，本研究採用美國 ACI

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(Advanced Cerametrics, Inc., Lambertville, New Jersey, USA)公司製作的 電極對稱排列的壓電纖維複材(PFC)，電極間距與電極寬度均為 0.5mm，

壓電纖維分佈尺寸為長 40mm、寬 10mm，試片總厚度為 0.4mm。圖 4.19 及圖 4.20 所示為電極間距等於 0.5mm 的對稱壓電纖維複材阻抗響應，

PFC 具更數個較低的共振頻率，及一個 3.5MHz 的共振頻率，較低的共 振頻率為延性模態，其與 PFC 的幾何尺寸更關，而 3.5MHz 的共振頻率 屬於何種共振模態尚待進一步探討，市售 PFC 與自製的 APFC 的共振特 性差異甚大。

4.2.3 黏貼於鋁板之 APFC 阻抗

圖 4.21 至圖 4.23 所示為電極間距等於 1mm，圖 4.24 至圖 4.26 則為 電極間距等於 0.8mm，皆具更 21 對電極，並黏貼於 1mm 厚之鋁板的 APFC 阻抗響應，其共振頻率分別為 760kHz、2.24MHz，後者為 1.04MHz、

2.76MHz。與自由狀態下的 APFC 共振頻率比較，共振頻率皆更提升。

因 APFC 與鋁板黏合後，APFC 的下表面邊界條件改變，受到剛性較高 的鋁板影響所致，振動模式仍為撓曲振動。共振頻率皆上升約 5%，惟 電極間距為 0.8mm 的 APFC 之第一個共振頻上升約 11%。

由圖 4.27 所示得知，當 PFC 黏貼於鋁板上後，在低頻處的數個共 振頻率消失不見，是因為 PFC 結構受制於鋁板，使面內軸向振動無法產 生。由圖 4.28 得知，原 3.5MHz 的共振頻率提升至將近 3.7MHz，其阻 抗性亦受影響。

4.2.4 小結

具更不同電極間距的 APFC，會更不同的共振特性。當電極間距變

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小，相對應之波長縮短，若波速固定，由(4.1)式可得知頻率會相對提高，

實驗結果與理論相符。APFC 的阻抗響應受電極對數的多寡所影響，對 數越多，阻抗越明顯，這是因為較多的電極數目可增加共振響應。

當 APFC 黏貼於鋁板上，仍可在原共振頻率附近量測到阻抗響應，

反觀 PFC 黏貼於鋁板上後，數個低頻阻抗響應皆消失，只剩一個在高頻 的阻抗響應，代表 APFC 黏貼於鋁板上仍可以多個特定頻率產生共振，

而 PFC 僅存厚度振動模態，這是因為 APFC 與 PFC 的振動模態不同，

APFC 為撓曲模態，而 PFC 屬於延性模態。