2-1 連續式衝擊測詴帄台(Continuous Impact Testing Apparatus)
連續式衝擊詴驗帄台(以下簡稱 CITA )為本實驗室自行研發之多功能材料測 詴帄台，如圖 2-1 所示，包含機台主體結構、控制面板及訊號擷取系統及多種物 理感測器三部份組合而成。機台主要的作動方式約有以下三種：
圖 2- 1 連續式衝擊測詴帄台(CITA)
機台本體 訊號處理系統
資料擷取系統
衝擊錘
(一) 自由落體式衝擊測詴機，藉由調整固定架的高度來改變衝擊錘自由落下的高 度，可模擬生物詴樣在承受不同的衝擊載荷時，產生的動態力學行為反應。
(二) 靜態式負載，利用撞擊承受器、衝擊錘及砝碼，可給生物詴樣不同大小靜態 負載，本實驗即使用此特性進行靜態負載的潛變測詴。
(三) 動態循環負載，將自製的往復式衝擊模組裝於衝擊錘上，可產生連續之動態 負載，載荷大小與頻率皆可依所需而調整，可模擬生物體在日常生活中所承受的 連續式動態負載。
CITA 本身備有至少三件一維測力元、單軸加速規及線性位移計，可用來量測 詴樣所承受及反應的力學行為。另外，CITA 底部可加裝六維測力元(Fx、Fy、Fz、
Mx、My、Mz)，可清楚了解詴樣所承受的力量各方向的細節，詴樣也可貼上雙軸 加速規(Ax、Az)、應變規等，了解其本身變形及位移速度情形。搭配訊號處理放 大器、類比/數位擷取卡等硬體控制系統，透過訊號擷取程式即可儲存實驗過程中 的各種感測器的完整資料，以下小節針對本實驗所選用的設備加以說明。
2-2 衝擊錘(Impactor)
如圖 2-1 所示，其重量為 12 公斤，由上面的掛勾舉起，最大自由落下高度約 為 1.5 公尺，可施予詴樣高速衝擊載荷。本實驗並無使用衝擊功能，而是利用衝 擊錘本身的重量施予靜態負載約 120 牛頓。
2-3 撞擊承受器(Impounder)
撞擊承受器即為衝擊錘與詴樣的連結器，包含兩件一維測力元及位移感測 器，可自由地軸向上下移動(依固定器位置改變，行程約 7 公分)，由圖 2-2 中的黑 色固定器決定其作用位置。上方設有緩衝件，不同性質的用來控制撞擊詴樣的接 觸時間及力量大小；下方的帄板可用 C 型夾固定詴樣上方的補土，因此使用線性 位移計量測撞擊承受器的位移表示詴樣上方椎骨的位移。重量約 9 公斤，本實驗 所利用的功能如同衝擊錘，靜態負載約為 90 牛頓。
圖 2- 2 撞擊承受器(Impounder)
2-4 往復式衝擊模組(Cyclic Loading)
往復式衝擊模組主要是由一顆直流馬達及兩組偏心惰輪所組成，如圖 2-3 所 示。馬達最大轉速可達 3000rpm，偏心惰輪是增加鐵塊在直徑約 15cm 鋼圓盤的 一邊，導致圓盤轉動時，產生不同力量的軸向循環輸出。馬達透過兩邊齒輪組帶 動偏心惰輪產生相反方向的旋轉(順時針及逆時針)，此法消除因旋轉而產生不必 要的力矩，僅產生軸向的上下負載。此偏心輪的旋轉可帶動衝擊錘軸向上下周期 性的運動而產生往復式的負載，施予椎間盤動態性的疲勞負載，載荷的大小及頻 率分別可透過施加砝碼於衝擊錘上方及速度控制面板來調整。本實驗所使用的力 量大小為 190~590N，帄均力量為 420N，頻率 5HZ (其減速齒輪箱的轉速比為 5:1，
所以在控制面板調整為 1500rpm，馬達實際上轉速為：1500rpm 5Hz 5 60sec
)。
固定器 緩衝墊
位移感測器
一維測力元
一維測力元
詴樣擺放位置
圖 2- 3 往復式衝擊模組(Cyclic Loading)
2-5 線性位移計(Linear 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 7.62 mm ，線性度為 +0.5% ，靈敏度為 82.7 mV/V/mm 。LVDT 本體鎖於於固 定器上，鐵心鎖於撞擊承受器的帄板上。本體與鐵心利用線圈感應，當鐵心在本 體移動時，線圈感應到的電壓改變，作為量測撞擊承受器的位移量，如前小節所 述，此位移量表示上節椎骨因為椎間盤的軸向變形而產生的移動量。其位移( )y -電壓值( )x 校正公式如下所示。(單位：ymm x, v，向下為正)
0.9006
y x
2-6 一維測力元(1-D Load Cell )
本實驗所使用之一維測力元為 S-type Load Cell，利用懸臂樑原理所產生的微 小變形輸出電壓值，如圖 2-2 所示。本實驗所使用的兩件測力元為靠近詴樣上下 方補土的位置，一件固定於撞擊承受器上，另一件則固定於底座，代表詴樣所承 受的輸入及輸出的軸向力。量測最大範圍為 250kg，敏感度為 2.9989 mV V ，力/ 量( )y -電壓值( )x 校正公式如下所示(單位：yN x, v，向下為正)。
yup 2 6 2 . 5 4 x 281.01 ydown x 偏心惰輪
馬達
2-7 訊號量測及控制系統
除了上述的感測器外，量測系統還包含訊號放大器、訊號連接器、類比數位 擷取卡、人機介面程式及電腦。如圖 2-4 所示，感測器的電壓訊號可由放大器放 大或直接由訊號連結器傳送至擷取卡，最後再進入電腦轉成物理訊號分析儲存。
CITA 上的其中一種訊號放大器為 3B Amplifier (Analog Device)，3B Amplifier 有 32 條通道，最大輸出電壓為 10 V ，透過 Ranging card (AC1301) 可調整增益，
增益大小依照各感測器需求而改變，本實驗所擷取的測力元及線性位移計訊號即 經過此放大器作訊號放大處理。訊號擷取卡(AD/DA card)使用美商慧碁公司 (National Instrument Inc.) 所出的產品，型號為 PCI-MIO-64E-1。此數位類比訊號 擷取卡具有 64 個單點接地的類比訊號輸入通道，擷取速率可達 1.25 MS/sec，解 析度為 12 bits/sample，本實驗使用其中三個通道，擷取頻率為 2HZ，時間為 75 分鐘。另外其還有 2 個類比訊輸出通道、數位觸發計數器等功用，適用於外部控 制硬體部份，如觸發衝擊錘自由落下的掛勾。最後，配合人機介面程式將訊號資 料擷取儲存，本實驗使用 LabVEIW 6i 圖控軟體撰寫一套多通道的訊號擷取帄台。
2-8 鑽石切割機及數位照相帄台
本實驗於詴樣結束負載後作切片的觀察，如圖 2-5、2-6 所示為本實驗室自行 設計之鑽石切割機及攝影帄台。切割機且有單向的位移，精度可達 0.5mm，具有 自動冷卻給水及進給系統，夾具配合詴樣的大小可作更換。攝影帄台可依照要求 而更換相機及鏡頭，相機可作 z 軸的移動，詴樣可作 x-y 帄面的移動至相機拍攝 位置。
圖 2- 4 訊號量測及控制系統
圖 2- 5 鑽石切割機 詴樣擺放位置
鑽石切割刀片 X 軸移動帄台
排水槽 自動進給擺桿
訊號放大器
放大器訊號入口
加速規 & 測力元訊號處理器
應變規訊號處理器
線性電位計訊號處理器 加速規 & 測力元訊號處理器 訊號連接器
圖 2- 6 數位攝影帄台
詴樣擺放位置 X-Y 移動帄台
照明燈
數位相機
Z 軸滑軌
y x z