未來展望

第五章結論與未來展望

5.2 未來展望

本研究製作兩種電極間距及電極對數之 APFC，因為尚未以儀器量測 APFC 的材料性質，目前無法準確由電極間距估計激發頻率，也未探討 APFC 作為導波換能器的最佳電極對數。未來可先量測自製 APFC 的相關材料係數，使數值分析誤差減小，並進一步探討不同幾何尺寸的反對稱指叉電極對於壓電纖維複材造成的影響。

本研究未以數值分析建立 APFC 黏貼於鋁板後的頻散曲線，故無法精確指出 APFC 在鋁板上所激發的導波屬於何種型態的板波。在未來可應用雷射超音波法，量測相速度及群速度，建立 APFC 的頻散曲線。

本研究將 APFC 黏置在鋁板上，形成一發射、一接收的配置，由暫態時域訊號得知 APFC 在鋁板上可發射與接收聲導波，未來若能探討 APFC 對缺陷的辨識力，可提升 APFC 在結構健康監測的應用潛能，亦可探討 APFC 作為陣列導波換能器的可行性。

本研究僅探討 APFC 導波換能器發射板波訊號的性能，未來可探討 APFC 作為訊號感測器的頻寬及靈敏度等性能，使 APFC 成為可發可收之導波換能器。

參考文獻

[1] A. A. Bent and N. W. Hagood, “Piezoelectric fiber composites with interdigitated electrodes,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 8, 903-919, 1997.

[2] N. W. Hagood, R. Kindel, K. Ghandi, and P. Gaudenzi, “Improving transverse actuation of piezoceramics using interdigitated surface electrodes,” Proc. SPIE, 1917, 341-352, 1993.

[3] B. Z. Janos, and N. W. Hagood, “Overview of active fiber composites technologies,” Proceedings of the 6th International Conference on New Actuators , 193-197, 1998.

[4] G. A. Jr. Rossetti, A. Pizzochero, and A. A. Bent, “Recent advances in active fiber composites technology,” Proceedings of the 2000 12^th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics, 2, 753-756, 2000.

[5] S. Datta, G. R. Kirikera, M. J. Schulz, and M. J. Sundaresan, “Active fiber composite continuous sensors,” Proc. SPIE, 5062, 669, 2003.

[6] C. Huber, D. M. Spori, M. M. Melnykowycz, and M. Barbezat,

“Active fiber composites: optimization of the manufacturing process and their poling behavior,” Proc. SPIE, 5761, 542, 2005.

[7] L. J. Nelson, C. R. Bowen, R. Stevens, M. Cain, and M.

Stewart, ”Modeling and measurement of piezoelectric fibers and interdigitated electrodes for the optimization of piezoelectric fibre composites,” Proc. SPIE, 5053, 556-567, 2003.

[8] C. R. Bowen, L. J. Nelson, R. Stevens, and M. G. Cain, “Optimisation of interdigitated electrodes for piezoelectric actuators and active fibre composites,” Journal of Electroceram, 16, 263-269, 2006.

[9] M. Barbezat, A. J. Brunner, P. Flüeler, C. Huber, and X. Kornmann,

“Acoustic emission sensor properties of active fibre composite

elements compared with commercial acoustic emission sensors,”

Sensors and Actuators A: Physical, 114(1), 13-20, 2004.

[10] J. Brunner, M. Barbezat, C. Huber, and P. H. Flüeler, “The potential of active fiber composites made from piezoelectric fibers for actuating and sensing applications in structural health monitoring,” Materials and Structures, 38( 5), 561-567, 2005.

[11] D. W. Wang, Detection and verification for delamination of active fiber composites, Ph. D. Dissertation, Department of Mechanical Engineering National Chiao Tung University, 2010.

[12] M. J. Schulz, M. J. Sundaresan, A. Ghoshal, and P. F. Pai, “Active fiber composites for structural health monitoring,” Proc. SPIE, 3992, 13, 2000.

[13] ANSYS, Release 12.0 Documentation for ANSYS: Structural Analysis Guide, Theory Reference, Damping Matrices, SAS IP, Inc., USA, actuator for structural control applications,” Proc. SPIE, 7thAnnual International Symposium on Smart Structures and Materials, 3991, 323, 2000.

[16] J. W. High and W. K. Wilkie, “Method of fabricating NASA-standard macro-fiber composite piezoelectric actuators,” NASA ARL-TR-2833, USA, 2003.

[17] D. Royer and E. Dieulesaint, Elastic Waves in Solids II, Springer, New York, pp. 72-84, 2000.

[18] 許世明(2010)，具額外阻尼之彈性板的導波波傳，國立交通大學機

械工程學系博士論文，台灣，新竹市。

[19] S. Grondel, C. Delebarre, and J. Assaad, “Modelling of Lamb wave generation for application in health monitoring of composite plates,”

IEEE Ultrasonics Symposium, 721-724, 2001.

S-Parameter Definition Test Set Description Direction S11

1 1 a 0

a _ Input reflection coefficient FWD

S21

a _ Output reflection coefficient REV

圖 1.3 反對稱壓電纖維複材極化過程示意圖

F 極

化方向

正壓電效應

逆壓電效應 (a)

(b)

圖 2.1 壓電效應示意圖

壓電纖維上層之指叉電極

環氧樹脂

圖 2.2 MFC 構造示意圖

圖 2.3 波群波傳示意圖

(a)對稱板波 (b)反對稱板波

x x

y y

圖 2.4 (a)對稱及(b)反對稱板波變位的示意圖

圖 2.5 鋁板的 A₀與 S₀板波之頻散曲線[14]

3 2

A

L C

B

發收

壓電纖維

圖 3.1 反對稱壓電纖維複材模型示意圖

圖 3.2 反對稱壓電纖維複材網格圖

圖 3.3 反對稱壓電纖維複材電極示意圖

0 200000 400000 600000 800000 1000000

Frequency (Hz)

0 200000 400000 600000 800000 1000000

Frequency (Hz)

0 200000 400000 600000 800000 1000000

Frequency (Hz) 25mm、(c) 35mm

0 200000 400000 600000 800000 1000000

Frequency (Hz)

0 200000 400000 600000 800000 1000000

Frequency (Hz)

0 200000 400000 600000 800000 1000000

Frequency (Hz)

(b) 34mm、(c) 40mm

0 200000 400000 600000 800000 1000000

Frequency (Hz)

200000 400000 600000 800000 1000000 1200000

Frequency (Hz)

400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 Frequency (Hz)

600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 1800000 Frequency (Hz) 0.75mm、(c) 0.6mm、(d) 0.5mm

200000 400000 600000 800000 1000000 1200000

Frequency (Hz) 0

20 40 60 80

Volt (dB)

圖 3.7 模擬實驗之數值分析，電極間距 1mm 之 APFC 的頻率響應

400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1600000 Frequency (Hz)

10 20 30 40 50 60 70

Volt (dB)

圖 3.8 模擬實驗之數值分析，電極間距 0.8mm 之 APFC 的頻率響應

0 200000 400000 600000 800000 1000000

Frequency (Hz) 0

500 1000 1500 2000 2500

250 750 1250 1750 2250

Volt (V)

圖 3.9 長度 40mm，電極對數 10 對之 APFC 的頻率響應計算值

圖 3.10 APFC 在交流電場作用下的靜態變形圖

圖 4.1 兩種電極間距的反對稱指叉電極佈置圖

圖 4.2 軟性印刷電路板之指叉電極成品

圖 4.3 依所需寬度及長度，將 PZT-5A 壓電纖維排列於低黏性膠布上

圖 4.4 使用熱壓製程及真空幫浦黏合壓電纖維與下指叉電極

圖 4.5 高電壓極化 APFC 的照片

圖 4.6 APFC 的成品照片

以環氧樹脂黏

合壓電纖維

上下反對稱指叉對電極

圖 4.7 APFC 製作程序示意圖

圖 4.8 阻抗響應量測實驗示意圖

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000

Frequency (Hz)

500000 600000 700000 800000 900000 1000000

Frequency (Hz)

1800000 1900000 2000000 2100000 2200000 2300000 2400000 2500000 Frequency (Hz)

800000 1600000 2400000 3200000

Frequency (Hz)

720000 800000 880000 960000 1040000 1120000 1200000 Frequency (Hz)

2300000 2400000 2500000 2600000 2700000 2800000 2900000 3000000 Frequency (Hz)

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000

Frequency (Hz)

400000 600000 800000 1000000 1200000

Frequency (Hz)

400000 600000 800000 1000000 1200000

Frequency (Hz)

400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000 Frequency (Hz)

0 40000 80000 120000 160000 200000

Frequency (Hz)

2500000 3000000 3500000 4000000 4500000

Frequency (Hz)

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 Frequency (Hz)

600000 650000 700000 750000 800000 850000 900000 Frequency (Hz)

2100000 2150000 2200000 2250000 2300000 2350000 2400000 Frequency (Hz)

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 3500000 Frequency (Hz)

900000 950000 1000000 1050000 1100000 1150000 1200000 Frequency (Hz)

2600000 2700000 2800000 2900000 3000000

Frequency (Hz)

40000 80000 120000 160000 200000

Frequency (Hz)

2500000 3000000 3500000 4000000 4500000 5000000 Frequency (Hz)

a 1 _S

Reflected

S

Reflected

a 2

b 1

b 2

S

Transmitted

S

Transmitted

DUT

圖 4.29 散射參數量測示意圖

圖 4.30 反射及傳輸功率比值量測的示意圖

圖 4.31 由指叉電極換能器所激發之聲導波頻率響應[17]

500000 1000000 1500000 2000000 2500000

Frequency (Hz) -90

-80 -70 -60 -50

S21 (dB)

圖 4.32 電極間距 1mm 之 APFC 於自由狀態的插入損失 S₂₁之頻率響應

500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 Frequency (Hz)

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40

S21 (dB)

圖 4.33 電極間距 0.8mm 之 APFC 於自由狀態的插入損失 S₂₁之頻率響應

圖 4.34 黏貼於鋁板之 APFC 的插入損失 S₂₁頻率響應量測實驗示意圖

500000 1000000 1500000 2000000 2500000

Frequency (Hz) -55

-50 -45 -40 -35 -30

S21 (dB)

圖 4.35 電極間距 1mm 之 APFC 黏貼於鋁板的插入損失 S₂₁之寬頻響應

240000 280000 320000 360000 400000 440000 480000 Frequency (Hz)

-52 -51 -50 -49 -48 -47 -46

Insertion loss (dB)

圖 4.36 電極間距 1mm 之 APFC 黏貼於鋁板的插入損失 S₂₁之低頻響應

700000 725000 750000 775000 800000 825000 850000 875000 900000 Frequency (Hz)

-43.5 -43 -42.5 -42 -41.5 -41 -40.5

S21 (dB)

圖 4.37 電極間距 1mm 之 APFC 黏貼於鋁板的插入損失 S₂₁之低頻響應

1800000 1900000 2000000 2100000 2200000

Frequency (Hz) -34

-33.5 -33 -32.5 -32 -31.5

S21 (dB)

圖 4.38 電極間距 1mm 之 APFC 黏貼於鋁板的插入損失 S₂₁之高頻響應

500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 Frequency (Hz)

-60 -50 -40 -30 -20

S21 (dB)

圖 4.39 電極間距 0.8mm 之 APFC 黏貼於鋁板的插入損失 S₂₁之寬頻響應

320000 360000 400000 440000 480000 520000 560000 Frequency (Hz)

-51 -50 -49 -48 -47 -46

Insertion loss (dB)

圖 4.40 電極間距 0.8mm 之 APFC 黏貼於鋁板的插入損失 S₂₁之低頻響應

900000 950000 1000000 1050000 1100000 1150000 1200000 Frequency (Hz)

-41.5 -41 -40.5 -40 -39.5 -39 -38.5

S21 (dB)

圖 4.41 電極間距 0.8mm 之 APFC 黏貼於鋁板的插入損失 S₂₁之低頻響應

2400000 2500000 2600000 2700000 2800000 2900000 3000000 Frequency (Hz)

-33 -32.5 -32 -31.5 -31 -30.5

S21 (dB)

圖 4.42 電極間距 0.8mm 之 APFC 黏貼於鋁板的插入損失 S₂₁之高頻響應

圖 4.43 暫態訊號量測實驗架構示意圖

-0.0001 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005

Time (s) -0.02

-0.01 0 0.01 0.02

Amplitude (V)

(a)

-0.0001 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005

Time (s) -0.02

-0.01 0 0.01 0.02

Amplitude (V)

(b)

圖 4.44 電極間距 1mm 之 APFC 感測 350kHz 正弦單脈衝激發之鋁板板波，板緣(a)未黏貼、(b)黏貼高阻尼吸收條的暫態訊號比較

圖 4.45 自由狀態之 APFC 的暫態訊號量測實驗示意圖

-2E-005 0 2E-005 4E-005 6E-005 8E-005 0.0001

Time (s) -2

-1 0 1 2

Amplitude (V)

(a)

0 1000000 2000000 3000000 4000000

Frequency (Hz) 0

0.1 0.2 0.3 0.4

Magnitude (V)

(b)

圖 4.46 電極間距 1mm 之 APFC 於自由狀態接收 730kHz 正弦單脈衝激發的板波(a)暫態訊號及(b 頻譜

圖 4.47 黏貼於鋁板之兩組 APFC 激發及量測暫態訊號實驗示意圖

-2E-005 0 2E-005 4E-005 6E-005

Time (s) -0.8

-0.4 0 0.4 0.8

Amplitude (V)

(a)

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 Frequency (Hz)

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

Spectrum (dBV)

(b)

圖 4.48 350kHz 之正弦單脈衝的(a)暫態訊號及(b)頻譜

-4E-005 0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016 0.0002

Time (s)

2E-005 4E-005 6E-005 8E-005 0.0001 0.00012

Time (s)

0 1000000 2000000 3000000 4000000

Frequency (Hz)

-5E-006 0 5E-006 1E-005 1.5E-005 2E-005

Time (s) -0.8

-0.4 0 0.4 0.8

Amplitude (V)

(a)

0 1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 6000000 7000000 Frequency (kHz)

-80 -60 -40 -20 0

Spectrum (dBV)

(b)

圖 4.50 800kHz 之正弦單脈衝的(a)暫態訊號及(b)頻譜

-4E-005 0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016 0.0002

Time (s)

2E-005 4E-005 6E-005 8E-005 0.0001 0.00012

Time (s)

0 1000000 2000000 3000000 4000000

Frequency (Hz)

0 1E-005 2E-005 3E-005

Time (s) -0.4

-0.2 0 0.2 0.4

Amplitude (V)

(a)

0 2000000 4000000 6000000 8000000

Frequency (kHz) -100

-80 -60 -40 -20

Spectrum (dBV)

(b)

圖 4.52 2MHz 之正弦單脈衝的(a)暫態訊號及(b)頻譜

-4E-005 0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016 0.0002

Time (s)

2E-005 4E-005 6E-005 8E-005 0.0001

Time (s)

0 1000000 2000000 3000000 4000000

Frequency (Hz)

-4E-005 0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016 0.0002

Time (s)

2E-005 4E-005 6E-005 8E-005 0.0001

Time (s)

0 1000000 2000000 3000000 4000000

Frequency (Hz)

-2E-005 0 2E-005 4E-005 6E-005

Time (s) -0.8

-0.4 0 0.4 0.8

Amplitude (V)

(a)

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000 Frequency (Hz)

-50 -40 -30 -20 -10 0

Spectrum (dBV)

(b)

圖 4.55 450kHz 之正弦單脈衝的(a)暫態訊號及(b)頻譜

-4E-005 0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016 0.0002

Time (s)

2E-005 4E-005 6E-005 8E-005 0.0001 0.00012

Time (s)

0 1000000 2000000 3000000 4000000

Frequency (Hz)

-2E-005 0 2E-005 4E-005 6E-005

Time (s) -0.8

-0.4 0 0.4 0.8

Amplitude (V)

(a)

0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000

Frequency (kHz) -100

-80 -60 -40 -20 0

Spectrum (dBV)

(b)

圖 4.57 1MHz 之正弦單脈衝的(a)暫態訊號及(b)頻譜

-4E-005 0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016 0.0002

Time (s)

0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016

Time (s)

0 2000000 4000000 6000000 8000000

Frequency (Hz)

-2E-005 0 2E-005 4E-005 6E-005 8E-005

Time (s) -0.3

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

Amplitude (V)

(a)

0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 Frequency (Hz)

-120 -100 -80 -60 -40 -20

Spectrum (dBV)

(b)

圖 4.59 2.5MHz 之正弦單脈衝的(a)暫態訊號及(b)頻譜

-4E-005 0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016 0.0002

Time (s)

0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016

Time (s)

0 1000000 2000000 3000000 4000000

Frequency (Hz)

PFC

150mm

鋁板(t=1mm)

^{高阻尼材料}_吸收層

PFC

圖 4.61 黏貼於鋁板之 PFC 的暫態訊號量測試片示意圖

-2E-006 0 2E-006 4E-006 6E-006

Time (s) -0.8

-0.4 0 0.4 0.8

Amplitude (V)

(a)

0 5000 10000 15000 20000 25000

Frequency (kHz) -100

-80 -60 -40 -20

Spectrum (dBV)

(b)

圖 4.62 4MHz 之正弦單脈衝的(a)暫態訊號及(b)頻譜

-4E-005 0 4E-005 8E-005 0.00012 0.00016 0.0002

Time (s)

4E-005 6E-005 8E-005 0.0001

Time (s)

0 2000000 4000000 6000000

Frequency (Hz)

圖 4.64 雷射都卜勒量測實驗示意圖

圖 4.65 APFC 黏貼於鋁板的頻率響應量測點示意圖

0 200000 400000 600000 800000 1000000

Frequency (Hz) -40

-30 -20 -10 0 10

Amplitude(dBV)

圖 4.66 電極間距 1mm 之 APFC 激發板波於 5 個波長遠處的頻率響應

0 250000 500000 750000 1000000 1250000 1500000 Frequency (Hz)

-40 -30 -20 -10 0

Amplitude(dBV)

圖 4.67 電極間距 0.8mm 之 APFC 激發板波於 5 個波長遠處的頻率響應

APFC 5L 8L 10L

APFC 28L

(a)

(b) L = 4P

圖 4.68 都卜勒振動儀量測(a)APFC 激發板波聲場、 (b)衰減量測點位置示意圖。

圖 4.69 具更 21 對電極間距 1mm 之 APFC 於距離 5L 處的聲場極圖

圖 4.70 具更 21 對電極間距 1mm 之 APFC 於距離 8L 處的聲場極圖

圖 4.71 具更 21 對電極間距 1mm 之 APFC 於距離 10L 處的聲場極圖

圖 4.72 具更 21 對電極間距 0.8mm 之 APFC 於距離 5L 處的聲場極圖

圖 4.73 具更 21 對電極間距 0.8mm 之 APFC 於距離 8L 處的聲場極圖

圖 4.74 具更 21 對電極間距 0.8mm 之 APFC 於距離 10L 處的聲場極圖

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

relative distance (d/L) -2

0 2 4 6

Amplitude(dB)

experiment fitting line

圖 4.75 具更 21 對電極間距 1mm 的 APFC 激發板波在中軸線上的訊號衰減

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

relative distance (d/L) -10

-8 -6 -4 -2

Amplitude(dB)

experiment fitting line

圖 4.76 具更 21 對電極間距 0.8mm 的 APFC 激發板波在中軸線上的訊號衰減

在文檔中反對稱指叉電極的壓電纖維複材導波換能器 (頁 52-115)

第五章 結論與未來展望

5.2 未來展望

參考文獻

3 2

A

L C

B

發 收

壓電纖維

以 環 氧 樹 脂 黏

合 壓電纖維

上下反對稱 指叉對電極

a 1 S

Reflected

S

Reflected

a 2

b 1

b 2

S

Transmitted

S

Transmitted

DUT

150mm

鋁板(t=1mm)

第五章結論與未來展望

發收

以環氧樹脂黏

合壓電纖維

上下反對稱指叉對電極

a 1 _S