彎曲元件製作要點

2.4 彎曲元件介紹

2.4.1 彎曲元件之壓電特性

彎曲元件係由壓電陶瓷晶片所組成，其壓電特性指當材料受到一 機械外力作用時，將會產生相對於機械力大小之電壓。同樣地，當材 料受到一電壓作用時，會產生相對於此電壓大小之型狀改變，由此可 知壓電現象產生的原因為壓電材料受到電壓作用所產生之膨脹或收 縮之行為，而壓電陶瓷晶片在製作時之極化方向決定了未來受一特定 電壓方向作用下之變形方向，壓電陶瓷晶片可在不同方向上表現出其 壓電特性。

壓電陶瓷晶片之特性通常由 4 個參數來描述，d 和 g 兩個壓電常 數代表著陶瓷晶片在接收品質上之力學與電能間之函數關係，k 代表 偶和係數(coupling coefficient)，為力學能與電能間轉換效率之指標，

而 Qm 常數表示力學能之損失程度，在選用彎曲元件上應儘量採用高 d,g,k 值且低 Qm 值之壓電陶瓷材料(Brignoli et al., 1996)。

2.4.2 彎曲元件製作要點

如圖 2.13 所示，彎曲元件主要是由中間一片金屬片外面包夾兩片 壓電陶瓷晶片所製成，而在壓電陶瓷之外側一端會有金屬覆蓋物做線

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路銲接使用，根據線路連接的方式又可分為串聯式(series connected，

如圖 2.13a 所示)與並聯式(parallel connected，如圖 2.13b 所示)兩種，

依據不同之連接方式會有不同之壓電特性，串聯時機械能轉換為電能 之功率是並聯的兩倍；反之，並聯時電能轉換為機械能之功率是串聯 的兩倍。故一般在利用彎曲元件量測剪力波速時，會採用激發端為並 聯式，接收端為串聯式，但是由於會產生串擾(crosstalk)的現象進而 造成分析時的困難。因此也有人採用激發端，接收端皆是並聯之型式，

藉此消除串擾的影響(Brignoli et al., 1996；Lee and Santamarina, 2005)。

圖 2. 13 彎曲元件連接型式示意圖(Leong et al., 2005)

就目前而言，對於彎曲元件法之彎曲元件裝置、量測及分析法尚 未有標準化流程。因此對於製作彎曲元件只能以幾項基本要點作為依 據 (Santamarina et al., 2001)，首先是採用的尺寸，彎曲元件之

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長度以及寬度將影響其受力或受電壓後之反應，文獻中所採用之長度 有從 6mm 至 32mm，寬度自 6mm 至 15mm，而厚度約在 0.6mm。選用適 用之尺寸後，依照需求使用並聯或串聯之接線法進行接線，採用之電 線應以較細之同軸線為佳，在銲接線路時，應盡量降低銲槍與壓電陶 瓷晶片之接觸時間，以避免壓電陶瓷片因高溫而去極化，而後，如圖 2.14 所示，將整片壓電陶瓷片及銲接線路處塗上一層聚氨酯

(polyurethane)等防水塗料進行防水，待其乾燥後，再於其表面漆上 導電漆做為屏蔽，以避免激發端之電磁波於接收端產生訊號上之耦合 (coupling)現象干擾，最後，使用環氧樹脂將完成之彎曲元件固定於 詴驗儀器上即可。

圖 2. 14 彎曲元件裝置示意圖(Santamarina et al., 2001)

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