窄束剪力波探頭的設計製作與測試

超音波換能器組成結構包含壓電元件、楔型塊、背襯材料及外殼。

由於國內已有專業的壓電陶瓷元件製造商，故採用市售的鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate, 簡稱 PZT)壓電陶瓷晶片，掌握品質驗證即可，縮短製 作程序，本研究試製探頭的 PZT 壓電晶片是位於桃園市的寰辰科技公司 生產。楔型塊採用聚醚亞胺(PEI)材質製作的圓柱，一端銑成楔型，另一 端銑成圓形凹槽，探頭外殼是以機械加工銑製而成，材料為 ABS 工程 塑膠，ABS 樹酯是丙烯腈(acrylonitrile)、丁二烯(butadiene)及苯乙烯 (styrene)三種單體構成的共聚物。表 5 所列為 PEI 及 ABS 兩種工程塑膠 的性質表。矽氧樹脂亦稱為矽酮(polymerized siloxanes 或 polysiloxanes)，

俗稱矽利康(silicone)，具有黏彈性，用來膠合探頭外殼及斜柱波導，還 可作為探頭的背襯阻尼材料。圖 4.1 所示則為機械加工後的實體照片。

4.1.2 探頭製作步驟

將製作探頭所需材料備齊後，按下列步驟製成

(1) 使用厭氧膠將 1MHz、直徑 25mm、厚度 2.2 mm 的壓電片黏於楔型圓 柱一端的圓形凹槽內，並輔以夾具固定，如圖 4.2。

(2) 待厭氧膠乾掉，在壓電片與圓形凹槽間的空隙填入環氧樹脂(epoxy)，

可減少壓電片側向共振模態的發生。

(3) 環氧樹脂固化後，將導線焊於壓電片上，於外殼內部空隙填滿矽膠，

將導線穿過兩個小圓孔，並將楔型圓柱塞入外殼，擦去多餘的矽膠。

(4) 矽膠凝固後，在外殼後端裝上 BNC 接頭，訊號端及地線端分別與壓 電陶瓷兩側的電極錫銲接合，圖 4.3 為完成的超音波探頭。

4.1.3 試製探頭之試驗

本文採用網路分析儀(network analyzer) HP 8751(圖 4.4)量測超音波 換能器的相對阻抗曲線，先量測 1MHz、直徑 25mm、厚度 2.2mm 的 PZT-4 及 PZT-5A 壓電片。圖 4.5 所示的阻抗曲線中，黑色及紅色線為不同頻率 下的阻抗值及相位，實線及虛線分別代表壓電材料為 PZT-4 及 PZT-5A，

阻抗曲線裡每一個局部凹陷下去的低點，皆為壓電片的共振頻率，而阻 抗值最低位置即為主共振頻率。由圖中可知壓電片主共振頻率為 1MHz 與廠商提供數據相符。圖 4.6 所示為雛型探頭的阻抗曲線量測值，與只 有壓電片之阻抗曲線相比，在 1MHz 之前的一些共振頻率點消失或者凹 陷變的不明顯，主共振頻率的阻抗值變高，這是因為雛形探頭的壓電晶 片與楔型圓柱黏合，側邊填入環氧樹脂，壓電晶片受較大的束縛，使其 橫向共振模態的幅度較小。與 3.6 節模擬結果相比較，雖共振頻率略有 偏移且計算之阻抗值不完全相同，但模擬與實際量測的結果有相同的趨 勢，主共振頻率的阻抗值皆是 PZT-5A 材質較低。除了主共振頻率之外，

低頻範圍都有很多面內共振的模態，主共振頻率差異的部分應當與給定 的材料係數有關。

比較 PZT-4 及 PZT-5A 試製探頭的阻抗曲線(圖 4.7)，會發現一些低 頻共振頻率點消失或者局部凹陷較雛型探頭更不明顯，主共振頻率的阻 抗值更高，這是因為試製探頭內的壓電晶片會被矽膠背襯材料包覆，背

襯材料會使其增加拘束與提高阻尼值，因而有此結果。圖 4.8、圖 4.9 分 別為使用壓電晶片 PZT-4 及 PZT-5A 製作之試製探頭，A、B 各為一個試 製探頭的編號，由量測曲線可知無論是使用 PZT-4 或 PZT-5A 的壓電晶 片，製出探頭於電性上皆有良好的一致性。值得一提的是將製作完成之 PZT-4 及 PZT-5A 探頭與工研院綠能所設計的流量計(圖 4.10)結合，實際 量測流量，當量測對象為不鏽鋼管時，以 PZT-4 壓電晶片製作的探頭無 法進行量測。前述流量計以 15 個週期之正負 15V 方波激發超音波探頭，

PZT-4 阻抗值較高，不易激發，即使發出超音波，能量也很小，況且超 音波又較難自高分子波導傳送至聲阻差異較大的不鏽鋼材料，這些原因 使接收端收到的訊號太弱，而無法量測。PZT-5A 製作之探頭則因材料的 特性，適合做為接收器，可正常應用於量測管流流量。

探頭穿透聲場量測實驗採用 Panametrics 5800PR 超音波發射/接收器 (ultrasonic pulser/receiver)，以穿透(through-transmission)模式激發位於規 塊一側的發射探頭，產生斜束超音波，另一側之接收探頭感測的超音波 訊號經增益後，再以數位示波器 Agilent InfiniiVision DSO-X 2012A 擷取 超音波訊號。圖 4.12 所示為量測到的穿透訊號，超音波的波程時間大約 是30 s 左右。圖 4.12 照片顯示之鋁質規塊的厚度約 31.8 mm，超音波穿 透實驗使用的兩枚探頭分別置於規塊的兩側，探頭最接近的部位稱為導 緣(leading edges)，最遠的部位稱為後緣(trailing edges)，圓柱波導的中央 稱為中心點(centers)。

圖 4.13 所示為圖 4.11 之超音波訊號的快速傅立葉轉換(fast Fourier transform)頻譜，中心頻率為 1MHz。圖 4.14 是兩探頭圓柱波導中心點在 距離不同時，聲波強度的分布情形，黑色線為振福，紅色線為最大值的 -3dB，得知探頭架設位置的有效範圍，與最適合之位置。