第五章 結論
5.3 未來工作展望
本研究設計之 AE-PFC 電極可以選擇以對稱或反對稱的方式極化，
因此可以對兩種極化的差異性作實驗比較。此外，也可以對試片的單向 波傳設計與建設性干涉差異來做測試。
本研究從線性掃描的結果可以看到幅寬 2.5cm 之 AE-PFC 生成板波 的近場干涉，未來可以發展陣列 AE-PFC 換能器，並探討缺陷辨識力，
提升 AE-PFC 在結構健康監測上的可行性。
參考文獻
[1] 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.
[2] M. Veidt, T. Liu, and S. Kitipornchai , “Modelling of Lamb waves in composite laminated plates excited by interdigital transducers,”
NDT&E International , 35 (2002) 437–447.
[3] H. A. Sodano*, G. Park, and D. J. Inman, An investigation into the performance of macro-fiber composites for sensing and structural vibration applications, Center for Intelligent Material Systems and Structures, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA 24061-0261, USA, 2003.
[4] 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.
[5] 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.
[6] 黃室維 (2011) ,反對稱指叉電極的壓電纖維複材導波換能器, 國立 交通大學機械工程學系碩士論文, 新竹市, 台灣.
[7] 吳旻修 (2012) ,偵測水穿透質子交換膜的聲波感測器, 國立交通大 學機械工程學系碩士論文, 新竹市, 台灣.
active fiber composites technology,” Proceedings of the 2000 12th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics, 2, 753-756, 2000.
[9] L. J. Nelson, C. R. Bowen, R. Stevens, M. Cain, and M.
Stewart, ”Modeling and measurement of piezoelectric fibersand interdigitated electrodes for the optimization of piezoelectric fibre composites,” Proc. SPIE, 5053, 556-567, 2003.
[10] 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.
[11] C. R. Bowen, L. J. Nelson, R. Stevens, M. G. Cain, and M. Stewart,
“Optimisation of interdigitated electrodes for piezoelectric actuators and active fibre composites,” Springer Science, Business Media, LLC 2006.
[12] A. Deraemaeker, H. Nasser, A. Benjeddou, and A. Preumont, “Mixing rules for the piezoelectric properties of macro fiber composites,”
Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 20, 2009.
[13] A. A. Bent and N. W. Hagood, “Piezoelectric fiber composites with interdigitated electrodes,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 8, 903-919, 1997.
[14] Bent, A. A., “Active Fiber Composite Material Systems for Structural Control Applications,” Proceedings, SPIE 6th International Symposium on Smart Structures and Materials, Newport Beach, CA, March 1-5, 1999.
[15] 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.
[16] J. W. High, Method of Fabricating NASA-Standard Macro-Fiber Composite Piezoelectric Actuators, Langley Research Center, Hampton, Virginia ,2003
[17] W. K. Wilkie, R. G. Bryant, J. W. High, R. L. Fox, R. F. Hellbaum, A.
Jalink, Jr., B. D. Little, and P.H. Mirick, Low-cost Piezocomposite Actuator for Structural Control Applications, NASA Langley Research Center, Hampton, VA 23681-2199, 2000.
[18] 王多聞(2010) , 主動纖維複材的脫層偵測與驗證, 國立交通大學機 械工程學系博士論文, 新竹市, 台灣.
[19] D.Alleyne and P.Cawley, “A two-dimensional Fourier transform method for the measurement of propagating multimode signals,” J.
Acoust. Soc. Am.,89(3), 1159-1168,1991.
附表
(polyimide)鋁(Al) 銅(Cu)
表2 波長=1mm，不同比例電極的共振頻率
表4 固定電極比 s:w=1:1 之模擬共振頻率 電極寬度 w
(mm)
0.25 0.375 0.5 0.75 1
波長λ (mm)
2 3 4 6 8
共振頻率 (kHz)
1600 1045 750 495 365
表5 Hostplate 模擬分割數量表
L(mm) 0.5~6 6~12 12~18 18~20 L 分割元素
數
20 40 60 80
總節點數 48,761 63,041 77,321 91,601 總元素量 44,120 56,920 69,720 82,520
表6 AE-PFC 金相觀測結構尺寸
整體厚度 纖維間距 電極厚度 聚醯亞胺厚度
340 μm 16 μm 27 μm 25 μm
表7 自由狀態之 AE-PFC 阻抗響應的數值分析與實驗值比較
電極尺寸 s+w (mm)
波長 λ (mm) 響應頻率 實驗值(kHz)
響應頻率 分析值(kHz)
誤差(%)
1 4 750 720 4.17%
0.8 3.2 880 935 -5.35%
表8 自由狀態之 AE-PFC 插入損失的數值分析與實驗值比較
表10 聲場訊號極值對照表
聲場距離 30 mm 60 mm
電極尺寸 s+w (mm)
最大值 (dB)
最小值 (dB)
最大值 (dB)
最小值 (dB) 1 -61.851 -78.416 -62.1 -46.1
附圖
X1 X3 X2
壓電纖維
對指叉電極施加電壓 壓電纖維沿極化方向
伸長或縮短 纖維極化方向
下層之指叉電極
上層之指叉電極
環氧樹脂
圖1.1 壓電纖維複合材料(PFC)
圖1.2 MFC 爆炸示意圖
圖2.1 壓電效應示意圖
(N+1/4)λ
圖2.2 單向波傳示意圖
(a)AE-PFC 極化示意圖
圖3.3 模態分析之電場模擬模型剖面圖
圖3.4 模態分析之電場模擬模型網格圖
圖3.5 對稱極化電場模擬模型
圖3.6 反對稱極化電場模擬模型
263μm
(a)纖維半徑處之 X-axis 電場強度 (c) 1/2 纖維半徑處之 X-axis 電場強度
Electric Field on X axis (kVolt/m)
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4
Electric Field on X axis (kVolt/m)
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4
Electric Field (kVolt/m)
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4
Electric Field (kVolt/m)
圖3.9 電場模擬結果不同縱截面示意圖
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
圖3.10 於模型寬度(a)0 倍(b) 1/4 倍(c) 1/2 倍(d) 3/4 倍(e) 1 倍 位置之 對稱極化 X 方向電場分量
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
圖3.11 於模型寬度(a)0 倍(b) 1/4 倍(c) 1/2 倍(d) 3/4 倍(e) 1 倍 位置之 對稱極化 Z 方向電場分量
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
圖3.12 於模型寬度(a)0 倍(b) 1/4 倍(c) 1/2 倍(d) 3/4 倍(e) 1 倍 位置之 對稱極化 Y 方向電場分量
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
圖3.13 於模型寬度(a)0 倍(b) 1/4 倍(c) 1/2 倍(d) 3/4 倍(e) 1 倍 位置之 反對稱極化 X 方向電場
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
圖3.14 於模型寬度(a)0 倍(b) 1/4 倍(c) 1/2 倍(d) 3/4 倍(e) 1 倍 位置之 反對稱極化 Z 方向電場分量
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
圖3.15 於模型寬度(a)0 倍(b) 1/4 倍(c) 1/2 倍(d) 3/4 倍(e) 1 倍 位置之 反對稱極化 Y 方向電場分量
圖3.16 對稱電極生成之極化電力線(僅顯示模型上半部)
圖3.17 反對稱電極生成之極化電力線
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
圖3.18 母材為混合 PZT 粉末與環氧樹脂之對稱極化電場(a)
ε
33T= 5 ε
0(b)
ε
33T= 211.25 ε
0(c)ε
33T= 417.5 ε
0(d)ε
33T= 623.75 ε
0(e)ε
33T= 830 ε
0圖3.19 電極中央環氧樹脂層之 X 方向電場
圖3.20 電極間環氧樹脂層之 X 方向電場
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Y-axis (*h) 0
1 2 3 4
X-axis Electric Field (kVolt/mm)
εΤ=830ε0
Y-axis (*263 µm) 0
10 20 30 40
X-axis Electric Field (kVolt/mm)
εΤ=830ε0 εΤ=623.75ε0 εΤ=417.5ε0 εΤ=211.25ε0 εΤ=5ε0
4×(S+W) 266μm
313μm
25μm
6.5μm W S
X Y
Z Y
圖3.21 AE-PFC 時諧分析模型示意圖
圖3.22 AE-PFC 時諧分析模擬模型圖
圖3.23 AE-PFC 時諧分析模擬網格圖
圖3.24 AE-PFC 時諧分析模型圖
圖3.25 不同電極尺寸比例的單位電壓生成軸向(X-axis)應變響應
圖3.26 不同電極寬度時的單位電壓生成軸向(X-axis)應變響應
0.6 0.7 0.8 0.9 1
Frequency (MHz) 0
micro-strain per volt
w=0.3mm
Electrode width W (mm) 10
20 30 40 50
Micro-strain per volt
0 1 2 3 Frequency (MHz)
160
Impedance (dB)
-200 -100 0 100 200
Phase (Degree)
(a) s=0.25 mm，w=0.25 mm
0 1 2 3
Frequency (MHz) 160
Impedance (dB)
-200 -100 0 100 200
Phase (Degree)
(b) s=0.375 mm，w=0.375 mm
0 1 2 3
Frequency (MHz) 160
Impedance (dB)
-200 -100 0 100 200
Phase (Degree)
(c) s=0.5 mm，w=0.5 mm
0 1 2 3 Frequency (MHz)
160
Impedance (dB)
-200 -100 0 100 200
Phase (Degree)
(d) s=0.75 mm，w=0.75 mm
0 1 2 3
Frequency (MHz) 160
Impedance (dB)
-200 -100 0 100 200
Phase (Degree)
(e) s=1 mm，w=1 mm
圖3.27 不同電極尺寸的阻抗分析曲線
0.4 0.8 1.2 1.6 2
Frequency (MHz)
圖3.28 共振頻率與電極尺寸量化比較
0 0.5 1 1.5
Frequency (MHz) 0
Impedance (dB)
-200
Phase (Degree)
圖3.29 指叉電極間距(s)與寬度(w)為 0.4mm 之模擬阻抗響應曲線
(a)
(b)
圖3.30 共振頻率下之 AE-PFC 模態圖(a)Ux(b)Uy
圖3.31 w=0.8mm，s=0.8mm 之 AE-PFC 模擬阻抗響應圖
0.6 0.8 1 1.2
Frequency (MHz) 0
Impedance (dB)
-200
Phase (Degree)
圖3.32 脈波回音法實驗架構
圖3.33 縱波與橫波的回波示意圖
Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 EXT
LeCroy 200MHz Oscilloscope 2.5Gs/s
PANAMETRICS
COMPUTER CONTROLLED PULSER/RECEIVER
TRIG
H
4mm 25μm
10μm 266μm
313μm
1mm
X Y Z
Y
圖3.34 AE-PFC 黏貼於鋁板的阻抗分析數值模型
圖3.35 AE-PFC 黏貼於鋁板的 ANSYS 阻抗分析模型
0 0.4 0.8 1.2 Frequency (MHz)
0
Impedance (dB)
-200
Phase (Degree)
(a) 設計波長 λ=4 mm，865kHz 為最佳共振頻率
0 0.4 0.8 1.2
Frequency (MHz) 0
Impedance (dB)
-200
Phase (o )
(b) 設計波長λ=3.2 mm，1.03MHz 為最佳共振頻率 圖3.36 AE-PFC 黏於鋁板週期模型阻抗響應
圖3.37 基板模擬數值模型示意圖
圖3.38 分析節點位置
4mm 25μm
10μm 266μm
313μm
1mm
X Y
Z Y
L L
圖3.39 基板模擬振盪曲線圖
3.29 6.75 7.94 10.36 14.87 17.47
12.59 16.24 18.44
4.54 9.14 11.6 17.53
(a) (b) (c)
圖3.41 共振長度 L=(a) 1.93mm (b)4.54mm (c)7.1mm 之 S0模 態 Ux位移分量等高線圖
圖3.42 鋁板長度 L 與板波模態比較圖
0 4 8 12 16 20
L (mm) 0
0.5 1 1.5
L/n(λ/2)
Z Y
X
圖3.43 AE-PFC 模擬模型示意圖
圖3.44 實際模擬模型
圖3.45 AE-PFC 網格化模型
0 0.4 0.8 1.2 1.6
Frequency (MHz) 0
1 2 3 4 5
Wave Number (1/mm)
(a) (b)
圖3.46 2mm 鋁板頻散曲線，(a)ANSYS 數值計算結果及(b) 解析解[2]
圖3.47 ANSYS 數值計算之 AE-PFC 頻散曲線圖
圖3.48 S 模態振形圖 0
圖3.49 A 模態振形圖 0
圖3.50 A 的倍頻振動模態 0
圖4.1 AE-PFC 構造的爆炸圖
w s
(w+s)
圖4.2 AE-PFC 模型與尺寸標示圖 指叉電極
壓電纖維
+ +
-
-(a)反對稱極化
+
-- +
Polining axis Polining axis Polining axis
(b)反對稱驅動
圖4.3 反對稱極化、反對稱驅動之 AE-PFC
+ +
+
輔+
輔-
輔-
輔-
-(a)對稱極化
+
-- +
Polining axis Polining axis Polining axis
(b)反對稱驅動
圖4.4 對稱極化、反對稱驅動之 AE-PFC
(a)反對稱極化
(b)對稱極化
(c)對稱極化的上電極與對應輔電極
(d)對稱極化的下電極與對應輔電極 圖4.5 輔電極設計概念
圖4.6 單向波傳指叉電極設計
圖4.7 壓電纖維排列於低黏性膠布
圖4.8 指叉電極前置處理
圖4.9 指叉電極與下電極黏貼半成品
圖4.10 上電極與半成品黏貼示意
(a) λ=4 mm
(b) λ=3.2 mm 圖4.11 AE-PFC 成品
圖4.12 AE-PFC 冷鑲埋試片圖
圖4.13 AE-PFC 截面金相圖
(a)λ=4 mm
(b) λ=3.2 mm
圖4.14 AE-PFC 阻抗響應
0 0.5 1 1.5 2 2.5
frequency (MHz) 50
60 70 80
Impedance (dB)
-90 -80 -70 -60
phase (0)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2
Frequency (MHz) 60
70 80 90
Impedance (dB)
-100 -96 -92 -88 -84
Phase (o)
圖4.15 插入損失量測
圖4.16 指叉電極激發之導波插入損失頻率響應
圖4.17 AE-PFC 量測插入損失
(a) λ=4 mm
(b) λ=3.2 mm
圖4.18 AE-PFC 的插入損失
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2
frequency (MHz) -120
Frequency (MHz) -60
圖4.19 高斯脈波波型圖
L
L/2 L/4
X Y
圖4.20 空間掃描待測元件
-4 0 4 8 12 16
Time (µs) -6
-4 -2 0 2 4 6
Amplitude (Volt)
圖4.21 以低黏性膠帶標示 AE-PFC 黏貼範圍
圖4.22 暫態訊號量測實驗架構
圖4.23 B-scan 實驗試片
圖4.24 AE-PFC 激發之鋁板板波 B 掃描灰階圖
圖4.25 X=0 mm 處時域訊號
Amplitude (Volt)
0 20 40 60 80 100
X-axis (mm) 0
0.002 0.004 0.006 0.008
Amplitude (V)