2-1 連續式衝擊測試平台(Continuous Impact Testing Apparatus)
連續式衝擊測試平台(以下簡稱 CITA)機構為本實驗室自行研發之多功能 材料測試機構，如圖 2-1 所示，包含有機台本體機構、手動控制面板與訊號擷取 處理系統等部分所組成。CITA 機台可依實驗需求裝設所需的感測器，可用於量 測位移、應變、載重、應力及加速度等參數。目前機台上裝有三個一維測力元、
一個線性電位計及一個線性位移計等感測器，可用來量測試樣在測試時所承受的 軸向載重與軸向形變量。藉由訊號處理系統裡的訊號處理放大器、類比/數位轉 換擷取卡等硬體，透過訊號擷取系統裡訊號擷取程式即可儲存實驗測試過程中的 各種感測器的擷取資料。
圖 2-1、連續式衝擊測試平台(CITA)
訊號放大器
訊號擷取 系統 機台本體
衝擊錘 掛勾
衝擊觸發 手控面板
線性電位計 訊號處理器 訊號連接器
本實驗使用 CITA 機台做的材料測試有以下兩種：
(一)自由落體衝擊測試，主要是藉由機台上固定架改變衝擊錘高度使其自由落 下，用來模擬生物試樣在承受不同衝擊荷載下，所產生的動態力學特性量測，本 實驗即使用此測試方法進行衝擊測試。
(二)動態循環負載測試，主要是藉由將自製的往復式衝擊負載模組裝置衝擊錘 上，產生連續之動態循環負載，用於模擬生物體日常生活承受的連續循環負載，
另外載荷大小與負載頻率皆可以依實驗所需要而調整。
2-2 衝擊錘(Impactor)
如圖 2-1 所示,其重量為 12 公斤，懸掛於固定架的掛勾上，其衝擊高度可以 隨固定架任意調動，最大的自由衝擊高度可達到 1.5 公尺，最大產生的衝擊能量 為 176.4J。而本衝擊測試實驗的自由衝擊高度為 1 公分，所產生的衝擊能量為 1.2J。
2-3 撞擊承受器(Impounder)
如圖 2-2 所示, 其重量為 9 公斤，為試樣受衝擊錘衝擊時用來傳遞衝擊力量 的機構，藉由機構上導桿的方向限制，確保試樣只承受垂直方向的軸向力且為均 佈施力，可配合試樣高度做上下位置調整，包含有兩個一維測力元與線性電位 計。撞擊承受器上方會裝有不同緩衝墊，可用來調整衝擊試樣的接觸時間及力量 大小，如圖 2-2 所示，衝擊測試實驗會使用 20ms 的緩衝墊材料；下方會利用 C 型夾來與試樣的上補土固定，主要確保線性電位計所量測的位移量為試樣上方椎 骨的位移。
2-4 往復式衝擊模組(Cyclic Loading)
往復式衝擊模組是由一顆直流馬達與兩個偏心惰輪所組成，如圖 2-3 所示，
可以固定於衝擊錘上。作動模式為由直流馬達帶動兩個偏心惰輪產生相反方向的 旋轉，此方法是為了相互抵消惰輪旋轉時產生的力矩，使試樣只受到垂直的軸向 上下週期性的循環負載。此模組也可依實驗的需要去調整載荷大小與頻率，載荷
大小可由惰輪上的砝碼孔去調整，載荷頻率可以由面板調整馬達轉速來控制。本 衝擊測試實驗時使用的載荷大小為 190~590N，平均力量為 420N，頻率為 5Hz(依 面板調整馬達轉速為 1500rpm)。
圖 2-2、撞擊承受器(Impounder)
圖 2-3、往復式衝擊模組(Cyclic Loading)
緩衝墊
線性位移計
一維測力元
一維測力元
固定器
試樣擺放位置
偏心惰輪
線性電位計
馬達 轉速面板
轉速控制盒
2-5 線性電位計(Potentiometer)
如圖 2-2 所示，本實驗所使用的線性電位計最大位移行程為 25mm，線性度 為±0.1%。線性電位計訊號由線性電位計訊號處理器(如圖所示 2-1)轉換，將訊號 由 3-pin 接頭接收轉換成 BNC 接頭輸入 CITA 訊號擷取系統，此訊號處理器可以 提供線性電位計 0~10V 電壓。線性電位計固定於固定器上，其前端頂於撞擊承 受器上，藉由撞擊承受盤移動時改變線性電位計電壓訊號，作為量測衝擊實驗時 椎間盤的形變量。其位移(y)-電壓值(x)校正公式如下所示(單位：y =mm,x=v)。
x y =−2.1867
2-6 線性位移計(Liner Variable Differential Transformer)
如圖 2-2 所示，本實驗所選用之線性位移計(以下簡稱 LVDT) 最大量測範圍 為 15mm，線性度為±0.5%。此 LVDT 為兩件式的感測器，包含一個圓筒線圈和 一根感應圓棒。首先我們會將圓筒線圈固定於固定器上，而感應圓棒固定在撞擊 承受器上，調整固定器至 LVDT 可感測範圍，再藉由撞擊承受盤移動時改變 LVDT 電壓訊號，作為量測衝擊實驗時椎間盤的形變量。其位移(y)-電壓值(x)校正公式 如下所示(單位：y =mm,x=v)。
x y=−0.9152 2-7 一維測力元(1-D Load Cell)
如圖 2-2 所示，本實驗所使用的一維測力元為 S-type Load Cell，主要利用懸 臂梁的微小變形改變裡面應變規的電壓值輸出值。本實驗主要使用的兩個一維測 力元分別固定在撞擊承受器與機台底座上，兩個測力元之間為試樣擺放處，因此 可量測出試樣的輸入與輸出軸向力。測力元的量測最大範圍為 250Kg，力量(y)-電壓值(x) 校正公式如下所示(單位：y = ,N x=v)。
上方測力元：y=−205.82x 下方測力元：y =−208.97x
2-8 訊號擷取處理及控制系統
如圖 2-1 所示，上述感測器的電壓訊號會由系統裡的訊號放大器放大訊號 後，經由訊號連接器傳送到類比數位轉換擷取卡轉換擷取訊號後，再傳送到系統 電腦裡經由程式分析後存取。訊號放大器為 3B Amplifier (Analog Device)，其具 有 32 條通道，可經由 Ranging card(AC1301)調整放大卡的增益來放大擷取訊號，
最大輸出電壓為±10V，本實驗使用三張放大卡（兩張 3B18 和一張 3B17），而 3B18 放大卡用來放大一維測力元的訊號，用 3B17 的放大卡來放大 LVDT 訊號。訊號 連接器為美商慧碁公司（National Instrument Inc.）所推出的 BNC-2090 訊號連接 器，本身除了可以執行訊號輸入的工作之外，還可以透過它來進行訊號的輸出以 達到對硬體的觸發動作。類比數位轉換擷取卡(AD/DA card)也是美商慧碁公司出 產的產品，型號為 PCI-MIO-64E-1，本實驗會使用其中三個通道，擷取頻率為 10,000Hz，時間為 0.5 杪。另外使用 1 個類比輸出訊號來觸發衝擊錘自由落下的 掛勾。最後本實驗以 LabVIEW8.0 圖控軟體撰寫出一人機介面程式，透過類比數 位轉換擷取卡送出觸發訊號，去觸發 CITA 上的掛勾，使撞擊錘落下執行衝擊測 試，接著執行訊號擷取與處理的工作。