第一代塗層阻抗監測儀 (CID) [20, 43]

塗層阻抗監測儀是一利用焊接於電路板上之參考電阻(Reference Resistance )、

運算放大器(Operational Amplifier)等電子元件，透過電路規劃設計出一套能夠直接 量測塗層交流阻抗之工具。CID 藉由一微小印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB) 為中心連接所有需要的外部儀器，電路板外觀如圖 2-19，PCB 板使用雙層 FR-4(玻 璃布、環氧樹脂)製作，面積大小為 4*4cm²，成品厚度為1mm，使用 SMA 接頭連 接示波器、波形產生器，以外接Pin 角連接電源供應器提供電路板±2.5V 的工作電 壓。

圖 2-19 CID 電路板外觀及連接配置圖

CHM 與恆電位儀量測塗層交流阻抗之方法，為利用二極式或三極式等架設方 法，對塗層表面進行交流阻抗量測。工作電極與輔助電極使電路導通，參考電極作 為開路電位量測之參考電位，便針對開路電位施加一微小交流電位擾動於待測系 統，並量測系統的電流響應進而換算出塗層之交流阻抗值[44]。

CID 與 CHM 及恆電位儀不同的地方在於，CID 並不進行開路電位之量測，而 是直接給予待測系統一微小交流電位，原理如圖 2-20，未知的待測塗層在電路上 可看成一個等效塗層阻抗 ZC，當它和參考電阻Zref串聯時，根據電壓分配定則可 以了解各負載分到的電壓與其阻抗成正比關係，因此CID 藉由量測 V1、V2 電壓 值，並利用2-1 式來計算未知的待測塗層阻抗。

𝑉2 = 𝑉1 ×

?_4@A.?₎

圖 2-20 電壓分配定則

CID 的實驗架設全貌如圖 2-21 所示，我們將一個透過訊號產生器所產生之 500 mHz、10 mVpp峰對峰值正弦波輸入到電路板，將未知的待測塗層試樣之底材 連接至低壓端，浸入測試溶液的碳棒連接至高壓端，藉此和電路板上已知的參考電

號，擷取到之波形數據將透過Matlab 進行傅立葉變換分析。由於 Zref 為已知，便 可由2-2 式推算出待測物之阻抗 Zc值。

𝑍

= 𝑍

×

E1FE* 2-2 式

圖 2-21 CID 實驗架設全貌

非反向放大器電路如圖 2-22，訊號源 Vs由運算放大器(Operator Amplifier，OP) 之同相輸入端(+號端)輸入，因此輸入訊號和輸出訊號同相位，再藉由負回授 (Negative Feedback)的方式將 Vo連至OP 之負號(−)端，假設其為理想運算放大器，

則輸入阻抗為無限大(即 I- = 0 )，可透過虛短路的觀念得到 V + (= Vs)=V−，又引入 克希荷夫截點電流守恆得知通過R1的電流I1和通過R2的電流I2存在ㄧ關係式I1 = I2 + 0，轉換成電壓形式則變成 ^E3_;^FEG

H = _;^EG

I+ 0，移項後可得到電壓放大率(Amplifier voltage, Av)。即可透過配置 R1和R2之值，調控放大器增益Av，如 2-3 式。

電壓放大率𝐴_L =^{輸出電壓E3}

輸入電壓E_G = 1 +^;H

;_I 2-3 式

圖 2-22 非反向放大器電路圖

將非反向放大器電路演化，利用負回授將Vo連接OP 的倒相輸入端(−)端，但 V-端不接地，此種做法稱為單位增益緩衝器(Unity-Gain Buffer)，並將回授電阻變 為零，使輸出電壓直接回授至倒相輸入端，而R2 被開路，回授量為 100%。

由於 CID 的電路是設計用以量測高阻抗之待測物，因為輸入到待測物的交流 電位非常微小，在量測高阻抗物體時容易導致信號通過待測物的電流非常小而出 現負載效應，為防止產生漏電流的情況，針對 CID 的電路設計進行改良，在 V1 和 V2 兩處各添加一顆 OP 作為緩衝器(buffer)。這一個電壓增益為 1 的 OP 可以 確保接收到的微小訊號不會失真，使後端電路能準確擷取原始訊號，改良後之電路 設計如圖 2-23 所示。

恆電位儀在進行交流阻抗頻譜測量的過程中，每一個頻率數量級共取七個測

圖 2-24 標準電阻之 CID 與恆電位儀量測結果

表 2-11 標準電阻之 CID 與恆電位儀量測數據 Sample

(ohm*cm²) 10⁶電阻 10⁷電阻 10⁸電阻 10⁹電阻 恆電位儀

|Z|0.5Hz 9.92×10⁵ 9.90×10⁶ 9.91×10⁷ 9.98×10⁸

CID 平均值 9.99×10⁵ 8.51×10⁶ 9.78×10⁷ 7.62×10⁸

CID 標準差 1.00×10⁵ 4.34×10⁴ 6.90×10⁶ 2.99×10⁷

誤差(%) 0.71 14 1.25 23

對標準電阻進行初步的測試之後，以下將針對塗層進行檢測，驗證 CID 在實 際量測塗層時能夠有效的測得其阻抗值。圖 2-25 為聚氨酯塗層厚度 105μm，由恆 電位儀之量測結果得知，試樣阻抗為7.89*10⁸ ohm*cm²，CID 之量測結果為 9.06*10⁸ ohm*cm²，誤差為15%。由以上結果得知，當選用試樣之阻抗值介於 10⁷ ohm*cm²

差存在，但其結果仍呈現相當高的正相關性，顯示 CID 在量測 10⁸ ohm*cm²上下 一個數量級的塗層試樣仍具有一定的辨識度。

圖 2-25 聚氨酯塗層試樣(105μm)之 Bode Plot

經過以上實驗，證實利用電壓分配定則，將一個 10mV 的交流電位輸入至待 測塗層中，並透過擷取其分壓進行計算，能夠得知未知塗層的阻抗值。證實CID 的 構想為可行之後，便要著手進行儀器的精簡及微型化，由於 CID 之主體僅為一塊 PCB，仍要使用許多外部儀器輔助才能運作，例如：電源供應器、訊號產生器、示 波器等，這些儀器不僅昂貴且體型寵大笨重，不適合用於離岸風機現地量測，因此 如何縮減體積、降低成本，是下一代CID 必須考量且改良的主要課題。