本實驗使用的石英音叉為共振頻率為 32768Hz( )，如圖 3.1.1 所示：
3.5mm
0.6mm
0.2mm
圖 3.1.1 石英音叉規格圖
選擇此種石英音叉的原因為它的共振頻率和大小較符合需求。因為其他較小 且更精密的石英音叉製作成本高(本實驗使用的此種石英音叉成本極低)，並且可 配合使用的懸臂樑極少；因為使用更小的石英音叉進行實驗需找到更為細小且剛 性更低的懸臂樑，以避免懸臂樑施力於石英音叉造成石英音叉的受損或者難以感 測。而使用較高共振頻率的石英音叉則需要更好的周邊量測設備。故在經過初步 估計後，選擇圖 3.1.1 此種音叉。
因為石英音叉對於力的敏感度極高，所以欲使音叉固定於實驗帄台上時，需 使帄台不致於影響音叉之振盪為優先考量點。最初固定音叉的方法，是採用現在 原子力顯微鏡固定的方法，利用三秒膠將音叉電極端固定於鐵磁性帄台上，且要 小心黏膠是否有沾黏到音叉上，因為音叉上的少許黏膠會使其無法正常運作，如 圖 3.1.2 所示，固定方法為先用三秒膠小心讓石英音叉之電極黏著於鐵磁性小帄
21
台，黏著後須確認音叉電極不會與帄台導通而產生不必要的短路與雜訊，當確定 音叉兩隻電極已被黏住，再把石英音叉基座端和帄台間加上些許三秒膠固定，最
後利用磁鐵吸住此帄台以便於固定石英音叉在所需位置。
石英音叉 黏膠
鐵磁性平台
磁鐵
圖 3.1.2 石英音叉的固定圖
經實驗過後，發現這種固定方法當石英音叉受懸臂樑施予的力影響時，石英 音叉雜訊會過大，推測可能是由於鐵磁性帄台和磁鐵間作用力不足而導致鐵磁性 帄台會受石英音叉振盪而震動。嘗試不斷加強磁鐵的磁力後，雖可使雜訊稍微變 小但雜訊仍然在無法接受的範圍內，且在做固定石英音叉的過程是，太過強大的 磁力非常容易使帄台貼住磁鐵瞬間的振盪導致石英音叉受損。由於上述理由，我 認為利用原子力顯微鏡的固定方法並不適用於本實驗，故改成把石英音叉先黏著 於基座上，再把此基座直接用螺絲固定於想擺設的位置。而此石英音叉的黏著方 法改變成先用夾具夾住石英音叉電極，將石英音叉靠近帄台後，調整音叉與帄台
22
的相對位置，當位置固定好後，先用三秒膠在帄台上些微塗抹一層，確保達到絕 緣效果後，在塗抹大量三秒膠來固定電極和石英音叉的基座端，約等六小時左右 時間確定膠已經完全凝固後，再拆除夾具，如圖 3.1.3 和圖 3.1.4 所示。
基座 基座
基座 基座
上膠絕緣 安置固定音叉
上膠固定 靜置等固定
三秒膠
圖 3.1.3 石英音叉的固定流程圖
23
圖 3.1.4 石英音叉的固定完成圖
安置石英音叉動作完成後，須再測試是否有辦法正常運作，測試重點包含：
1.是否有辦法共振於石英音叉的共振頻率(約 32.768kHz)。
2.共振振幅是否過小而感測不到或不便於感測(黏接過程時有讓膠不小心碰音叉 部分會造成此情況)。
3.雜訊是否過大。
經過此三點評估後，再拿來使用在實驗上。
3.2 懸臂樑
本研究所需的懸臂樑，其剛性需處於特定範圍之內。剛性過高，施予石英音 叉之力場過於龐大，會使之無法產生振盪，換句話說當待測物體移動後，懸臂樑 一接觸到音叉，其施予的力即超出音叉所可量測之範圍；剛性過低，施予石英音 叉之力場過於微小，使之無法感應該作用力場，會出現待測物移動並且懸臂樑開
24
始施予音叉力場時，音叉的輸出訊號改變過小，甚至毫無改變，故懸臂樑的選擇 之重要性於此實驗十分重大。經嘗試後，本實驗最初選擇單模光纖(single mode
optical fiber)之蕊心來當作懸臂樑，其剛性大小足以運用於本實驗，經過實驗後，
發現尚未去殼之光纖雖剛性變大，但仍可使石英音叉感測位移出現良好的特性，
故最後採用單模光纖(single-mode optical fiber)，其細節會於第四章節加以敘述。
圖 3.2.1 為光纖蕊心與光纖，外殼直徑為 0.245mm 而蕊心為 0.125mm，取出蕊心 方法為壓碎並除去外殼，由於光纖十分脆弱，故壓碎這步驟需小心，以免破壞整 個光纖。雙光纖蕊心第四章節會敘述其製作方式。
光纖蕊心
雙光纖蕊心
單模光纖
cm cm
圖 3.2.1 光纖實體圖
3.3 電路設計
本實驗電路所扮演之角色為振盪石英音叉，並且使石英音叉的電流訊號轉換 成電壓訊號，並且讓輸出訊號可達到最佳化效果。如圖 3.3.1 所示，最初由訊號 產生器輸入電壓訊號給石英音叉使其開始振盪，接著音叉輸出訊號後由放大器轉
25
換成電壓，使其可以被 lock-in amplifier 讀取並過濾雜訊。
訊號產生器
鎖相放大器 石英音叉
圖 3.3.1 電路圖
圖 3.3.2 電路實體圖
3.4 雷射位移感測器
本實驗用到的雷射位移感測器為 KEYENCE 公司的 LK-H020，用途為用來 感測待測物的位移，量測全行程可達 6mm，解析度可達到 0.02m，其實體圖如
圖 3.4.1 所示：
26
圖 3.4.1 雷射位移感測器實體圖
其量測原理為三角形量測法，如圖 3.4.2 所示，雷射光照射目標後反射到感 光元件部分，其感光元件分成物鏡與感測元件 RS-COMS，物鏡將雷射光加以聚 焦在 RS-COMS 上並形成一極小光點，當目標物移動時，光點便會跟著在
RS-COMS 上相對移動，故利用此性質可精準測量待測物體之相對位置。
RS-COMS
物鏡 雷射二極體
圖 3.4.2 雷射位移感測器運作原理[18]
3.5 位移帄台
使用的位移帄台包含：
27
1. PI 公司的三軸壓電位移帄台 P-611.3S，各軸 closed-loop 全行程為 100m，解 析度為 1m，如圖 3.5.1 所示。
圖 3.5.1 三軸壓電帄台圖[20]
2. 精密雙軸位移帄台為 MISUMI 公司的 XYEG25，全行程為 5mm，最小讀取量 為 0.1mm。
3. Piezomechanik 公司的壓電材料，全行程為 20m。
3.6 鎖相放大器
鎖相放大器採用 SRS 公司的 SR844 Lock-In Amplifier，主要功能為先接收一 參考訊號，藉此參考訊號並透過快速傅立葉轉換等來分析輸入訊號的振幅和相位 等變化。其可運作範圍為 25kHz 到 200MHz，且低通濾波器的 time constant 範圍 為 100μs 到 30ks，圖 3.6.1 為其運算原理：
28
圖 3.6.1 鎖相放大器運作圖[19]
3.7 實驗設計
實驗時使用雷射位移感測器(LG-H020 控制器為 LG-HD500,KEYENCE
Corporation)來測量壓電位移帄台之位移量，並且用手動位移帄台粗調懸臂樑與 石英音叉的接觸位置，且將整體實驗儀器放置在光學帄台過濾外界震動。石英音 叉則是由訊號產生器(SFG-2010, Good Will Instrument Co., Ltd.)產生正弦波訊號
29
30
四、 實驗與探討
本實驗主要分三大部分，第一部分實驗為找出適當的懸壁樑給予石英音叉一 個作用力後，石英音叉可以感測出其大小並且透過雷射位移感測器解析待測物位 移與石英音叉振幅和相位的關係，以便確定此研究的可行性。第二部分為嘗試加 長石英音叉可量測距離，並找出其雜訊來源。第三部分實驗為測量出在不同量測 距離之下，石英音叉的特性變化，並且測量出已改善的雜訊大小、頻寬和 time constant 之間的關係。
4.1 第一部分實驗
本部分實驗主要目的為研究石英音叉之位移特性研究的可行性評估，故最優 先須找出的特性為是否石英音叉輸出振幅與位移有線性關係。實驗主要先把石英 音叉固定，運用單軸位移帄台，進行粗調將懸臂樑慢慢逼近音叉之其中逼近其中 一隻腳的端點，再調整壓電材料(全形程 20μ ，Piezomechanik, Ltd)如圖 4.1.1 和
圖 4.1.2 所示，微調懸臂樑位置並使之開始壓迫已處於共振頻率(約 32.768kHz) 運作下的石英音叉。經過不斷調整懸臂樑的構成材料(嘗試使用過鐵絲、鎢絲、
人造纖維和動植物纖維等)，最後選擇光纖蕊心，並在不同的壓迫距離點以每秒 取一千個數值的速度取四秒後做帄均值。其位移與振幅線性關係圖 4.1.3 所示：
31
32
圖 4.1.3 石英音叉之位移與輸出訊號關係圖
從圖 4.1.3 可看出，壓電材料的行程範圍內，振幅與位移呈現良好之線性關 係，其線性範圍約 17.6μ 。而圖右上不規律之數據為光纖尚未觸碰到石英音叉，
故振幅訊號與位移無任何相關性。
由於已測出於共振頻率之下是石英音叉是可以精準感測到位移的變化，故進 一步做頻譜實驗，光纖從觸碰到音叉開始，慢慢以 2μ 為間距逼近，每組距離
作掃頻得知振幅和相位之變化，得到結果如圖 4.1.4 所示：
33
just touched 2 m 4 m 6 m 8 m 10 m 12 m 14 m
Frequency (kHz)
Amplitude (V)Phase (degree)
圖 4.1.4 頻譜圖
由頻譜圖可看出，當光纖於各頻率時施予力給音叉時，音叉之振幅和位置變 如同如圖 4.1.4 特性一般隨著位移增加而振幅降低。而相位差方面則是可以看出 隨著位移的增加而相位差變化量變低。故得到初步結論：石英音叉可以利用待測 物上的懸臂樑施力來測量微米等級之位移。
34
4.2 第二部分實驗
本部分實驗為嘗試加長量測範圍與找出雜訊的原因，重新製作後的實驗儀器，
如圖 4.2.1 和圖 4.2.2 所示，使光纖長度可以調整。當光纖越長，雙軸位移帄台移 動相同距離之下，壓迫在石英音叉的力就相對越小，故利用此特性來使量測範圍
加長。
雷射位移感測器 光纖與壓電材料
固定支柱 雙軸位移平台
圖 4.2.1 第二部分實驗儀器意示圖
圖 4.2.2 第二部分實驗儀器實體圖
35
量測結果如圖 4.2.3 所示，可量測範圍可被增加到 100m，但是其雜訊過大，
且特性重複性差，例如同樣壓迫的行程，重複做十次，會出現十種不同的特性(斜 率、雜訊和線性度等)，經過改變各種實驗儀器參數後，發現主要原因為：1.石英 音叉的固定方式 2.光纖蕊心不適合當作懸臂樑。
圖 4.2.3 石英音叉量測位移特性圖
第一點於第三章石英音叉規格內所述，初版固定方式為將石英音叉固定於鐵 磁性帄台並用磁鐵吸附，而當石英音叉受外力影響時，鐵磁性帄台和磁鐵間作用
第一點於第三章石英音叉規格內所述，初版固定方式為將石英音叉固定於鐵 磁性帄台並用磁鐵吸附，而當石英音叉受外力影響時，鐵磁性帄台和磁鐵間作用