鉍層狀與鈮酸鋰復(fù)合壓電陶瓷傳感器的溫度特性

聶泳忠,顏黃蘋,黃元慶

(廈門大學(xué)航空航天學(xué)院,福建廈門361005)

鉍層狀與鈮酸鋰復(fù)合壓電陶瓷傳感器的溫度特性

聶泳忠,顏黃蘋,黃元慶*

(廈門大學(xué)航空航天學(xué)院,福建廈門361005)

摘要：鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體具有良好的機械性能和較高的居里溫度Tc,因而被廣泛用作高溫傳感器的敏感器件．高溫壓電傳感器在核能、燃?xì)廨啓C、航空、艦船發(fā)動機以及需要測量高溫振動和壓力的場合有著極大需求,但目前國內(nèi)外用于這些領(lǐng)域的基于鉍層狀壓電傳感器在高溫時的靈敏度與常溫時比較,漂移率達(dá)到10%～20%,無法滿足滿溫度范圍內(nèi)(-50～450 ℃)傳感器的靈敏度溫漂的要求(≤±5%)．因此,本文研究了一種鉍層狀與鈮酸鋰復(fù)合的壓電陶瓷傳感器,進(jìn)行了傳感器溫度特性理論分析，建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行實驗驗證．測試結(jié)果表明,這種新型復(fù)合式壓電陶瓷傳感器滿溫度量程靈敏度漂移小于±3%,具有優(yōu)異的溫度特性,無需采用軟件修正測量偏差,能滿足美國航空無線電技術(shù)委員會(RTCA)制定的DO160要求,可直接用于高溫環(huán)境的溫度精密測量．

關(guān)鍵詞：高溫壓電傳感器;溫度漂移;溫度補償;Bi4Ti3O12;LiNbO3

導(dǎo)致航空飛行器事故的零部件失效原因很多,但是從故障發(fā)生的頻度和烈度分析,飛機引擎故障對飛行安全最為致命．據(jù)統(tǒng)計,70%以上的發(fā)動機故障可以通過振動形式表現(xiàn)出來[1]．作為典型的高速旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備,航空發(fā)動機的振動信號(如振動信號的頻率、振幅、相位等)可直接反映其當(dāng)前的工作狀態(tài)[2]．因此可以通過監(jiān)測發(fā)動機工作狀態(tài)的高低轉(zhuǎn)子振動模態(tài)變化,分析發(fā)動機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)機械部件的狀態(tài);利用測得的振動信號分析發(fā)動機轉(zhuǎn)子的動平衡狀態(tài),進(jìn)而推測、判斷出發(fā)動機的內(nèi)部一些組件的工作狀況[3]．此方法的最大優(yōu)點是通過各種振動的特征譜線提取、分析,非常容易獲取某些潛在的故障信息,實現(xiàn)預(yù)警,從而降低設(shè)備的二次損傷和破壞[4]．然而發(fā)動機容易出故障的部分主要是工況比較惡劣的區(qū)域,如發(fā)動機高壓渦輪或者高壓壓氣機部分的結(jié)構(gòu)件、軸承部件．美軍軍用和商用發(fā)動機曾因軸承失效導(dǎo)致空中停車,引發(fā)非計劃內(nèi)更換發(fā)動機，特別是高速滾動軸承故障占到了軸承故障的90%[5]．目前,國內(nèi)外正在致力于解決如何避免發(fā)動機發(fā)生突發(fā)性故障的技術(shù)瓶頸,而高穩(wěn)定性高溫振動傳感器的研究則是其中一個研究熱點．由于鉍層狀壓電陶瓷是一種鐵電材料,具有光電效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)、反常光生伏特效應(yīng)、光折變效應(yīng)等特性,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于傳感器件及執(zhí)行器件上[6]．這些傳感器被用于飛機發(fā)動機故障診斷上,比如用來測量累積性損傷,裂紋增長,轉(zhuǎn)子不平衡[7]．目前用單純Bi4Ti3O12鉍層狀壓電陶瓷材料制作的高溫傳感器溫漂偏高,如歐美國家生產(chǎn)的高溫振動傳感器的靈敏度-溫度響應(yīng)漂移率約為10%．

本文研制了一種鉍層狀與鈮酸鋰復(fù)合的壓電陶瓷傳感器,具有溫漂小于±3%、性能高穩(wěn)定的特點,可用于發(fā)動機實時在線監(jiān)測．

1新型高溫壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)

1.1傳統(tǒng)的鉍層狀壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及溫度靈敏度特性

圖1　美國PCB和Endevco高溫壓電傳感器靈敏度漂移-溫度曲線Fig.1Sensitivity deviation-temperature of USA PCB and Endevco high temperature piezoelectric sensor

由于鉍層狀壓電陶瓷的居里溫度可達(dá)到800 ℃以上,國內(nèi)外用于監(jiān)測發(fā)動機的高溫振動傳感器多采用單純鉍層狀壓電陶瓷材料．圖1是國際頂級傳感器公司美國Endevco和PCB(Piezotronics Inc)公司的高溫振動傳感器的靈敏度漂移-溫度響應(yīng)參數(shù)曲線．可以看出只有PCB公司的產(chǎn)品靈敏度溫漂接近10%,而Endevco公司的產(chǎn)品已經(jīng)超過了10%．然而新一代發(fā)動機健康監(jiān)測的傳感器靈敏度溫漂要求小于±5%．

鉍層狀壓電陶瓷材料壓電系數(shù)d33隨著溫度的升高減小,從而導(dǎo)致壓電傳感器的靈敏度-溫度響應(yīng)的帶寬很窄．圖2是采用Bi4Ti3O12+xNb2O5+yCeO2(x為摩爾分?jǐn)?shù),0≤x≤6.50;y為質(zhì)量分?jǐn)?shù),0≤y≤1.00,下同)層狀壓電陶瓷研制的無溫度補償?shù)母邷貕弘妭鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)示意圖與實物圖,其相應(yīng)的靈敏度漂移-溫度關(guān)系如圖3所示．從圖3可知,在沒有補償?shù)那闆r下,溫度為380 ℃時,傳感器靈敏度溫漂已超過43.92%．由此可見,無溫度補償時,該型高溫壓電傳感器無法達(dá)到歐美頂級水平±10%,更無法達(dá)到對新一代發(fā)動機提出的±5%的要求．

圖2　振動傳感器子組件結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖Fig.2Schematic diagram and real product photo of vibration sensor sub-component

圖3　無補償?shù)母邷貕弘妭鞲衅黛`敏度漂移-溫度特性曲線圖Fig.3Sensitivity-temperature characteristic curve of uncompensated high temperature PE sensor

1.2新型高溫壓電陶瓷傳感器原理

針對現(xiàn)有鉍層狀壓電材料的壓電系數(shù)d33隨著溫度升高而衰減，導(dǎo)致高溫壓電陶瓷傳感器的靈敏度溫漂高的問題,同時考慮到用于發(fā)動機實時在線監(jiān)測傳感器必須滿足美國航空無線電技術(shù)委員會(RTCA)制定的DO160規(guī)定:不得采用軟件修正方法靈敏度溫漂進(jìn)行補償,本文的改進(jìn)型某國產(chǎn)型號高溫壓電傳感器采用一種全新的復(fù)合式結(jié)構(gòu)芯片，即以Bi4Ti3O12+xNb2O5+yCeO2)層狀壓電陶瓷材料作為基體，鈮酸鋰(LiNbO3)材料為溫度補償層．鑒于傳感器工作在高達(dá)480 ℃的高溫區(qū),子組件采用正端壓縮的結(jié)構(gòu)型式,如圖4所示．同時子組件中的金屬件均采用Inconel718材料,以確保傳感器的結(jié)構(gòu)剛度在高溫下彈性模量仍處于線性范圍．

圖4　LiNbO3為補償層的子組件實物圖Fig.4Sub-component after LiNbO3compensation

選擇LiNbO3材料作為補償材料層,是由于LiNbO3的d33值隨溫度升高而逐漸升高,它的溫度特性與鉍層狀壓電陶瓷的特性趨勢相反,其靈敏度溫漂對應(yīng)溫度的特性曲線是呈正遞增的函數(shù),如圖5所示．

圖5　LiNbO3靈敏度漂移-溫度關(guān)系特性曲線Fig.5LiNbO3 sensitivity-temperature characteristic curve

1.3靈敏度漂移-溫度補償機理

根據(jù)壓電效應(yīng)方程,正端壓縮式壓電加速度傳感器靈敏度可表示為

S=nmgd33.

(1)

其中：S為壓電加速度傳感器電荷靈敏度,單位pC·s2/m；g=9.8 m/s2；d33為壓電系數(shù)，pC/N；n為壓電陶瓷片數(shù)量；m為質(zhì)量塊質(zhì)量．這個方程描述的是等厚單一材料的壓電晶體的電荷靈敏度,若N種不同材料且厚度足夠小的晶體元疊加在一起，則上述方程為

(2)

(3)

(4)

為了得到一種組合使得其靈敏度在各溫度范圍保持恒定,令

(5)

式中C為設(shè)定常數(shù)．

由此可知,可通過調(diào)整足夠多的不同特性的材料種類和厚度組合,將某一種材料的靈敏度溫漂調(diào)整到一個恒定值．為了將鉍層狀陶瓷材料在全溫度范圍內(nèi)調(diào)整到(5.102±5%) pC·s2/m以內(nèi),選取Bi4Ti3O12鉍層狀和LiNbO32種材料,鉍層狀陶瓷片的傳感器典型參數(shù):質(zhì)量塊m=0.027 5 kg，d33=20 pC/N,陶瓷片個數(shù)n=11．根據(jù)式(1),可獲得壓電加速度傳感器的理論靈敏度:S1=6.05 pC·s2/m;將LiNbO3的d33=10 pC/N參數(shù)代入式(5),得到

(6)

由于這2種材料的靈敏度漂移-溫度曲線可以通過回歸得到,由此最終選定的2種材料疊加厚度比(Bi4Ti3O12∶LiNbO3)約為2.25,這2種材料通過疊加鍵合,構(gòu)成傳感器的復(fù)合型壓電芯片(圖4)．

2實驗結(jié)果及對比

圖6　補償前后的靈敏度漂移-溫度特性曲線Fig.6Sensitivity-temperature characteristic curve before and after compensation

表1為補償后的高溫壓電傳感器靈敏度在不同溫度下的測試值及不同溫度點靈敏度與常溫(25 ℃)時的靈敏度溫漂,可見根據(jù)計算其偏差的平均值為1.04%,標(biāo)準(zhǔn)差為0.001 6 pC·s2/m．

表1　補償后的靈敏度溫漂

圖6是補償前后的靈敏度溫漂曲線,可以看出,補償后的高溫壓電傳感器的靈敏度隨溫漂可降到±5%以內(nèi)．圖7顯示的是補償后的同一傳感器靈敏度在不同溫度點下的多次測量的曲線分布,結(jié)果表明,本研究的高溫傳感器具有良好的溫度靈敏度重復(fù)性和一致性，且實驗結(jié)果與理論值呈現(xiàn)很好的一致性．

圖7　同一傳感器多次測量的曲線分布Fig.7Curves tested by several times

3結(jié)論

本文研究的Bi4Ti3O12與LiNbO32種材料鍵合疊加所構(gòu)成的復(fù)合式壓電芯片,很好地解決了高溫壓電傳感器的靈敏度溫漂問題,且其性能優(yōu)于歐美同類產(chǎn)品．目前本產(chǎn)品已通過國內(nèi)相關(guān)權(quán)威機構(gòu)的檢驗,并開始列裝在我國某重點型號發(fā)動機上．本高溫壓電傳感器的研制可為燃?xì)廨啓C、艦船、飛機等發(fā)動機提供具備高溫特性、可實時在線監(jiān)測的高溫振動傳感器,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和科技價值．

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Temperature Characteristics of a Bi4Ti3O12-LiNbO3Compound Piezoelectric Ceramic Sensor

NIE Yongzhong,YAN Huangping,HUANG Yuanqing*

(School of Aerospace Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:Bi4Ti3O12has been wildly used on high temperature sensor due to its excellent mechanical performance and high curie temperature．There is a lot of the demand for high temperature sensors in the industries,such as nuclear energy,turbo engine of aviation and ship as well as other high temperature testing applications．However,comparison with working at room temperature,the sensor based on Bi4Ti3O12material has a sensitivity shift of 10%-20% when in the high temperature,and fails to meet the requirement of ≤±5% in the temperature range from -50 ℃ to 450 ℃．In order to address this problem,a new type of structural composite piezoelectric sensor that based on Bi4Ti3O12-LiNbO3 is studied and developed．In this paper,the main research work are presented,which the temperature characteristic is analyzed theoretically,and the mathematical model is established and the experimental study is carried out for the sensor．It has shown from the testing results,this new type of structural composite piezoelectric sensor has an extraordinarily good temperature characteristic and has a sensitivity shift of full temperature range less than ±3%．Moreover,it does not require software to correct measurement deviation．It can be directly used in high temperature environment and is able to meet DO160 regulatory requirement of Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA)．Therefore,this new type of sensor has the broad application prospects.

Key words:high temperature piezoelectric sensor;temperature shift;temperature compensation;Bi4Ti3O12;LiNbO3

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.2016.03.023

收稿日期：2015-12-20錄用日期：2016-02-23

基金項目：福建省自然科學(xué)基金(2013J01251)

*通信作者：yqhuang@xmu.edu.cn

中圖分類號:TP 212.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438-0479(2016)03-0441-04

引文格式：聶泳忠,顏黃蘋,黃元慶.鉍層狀與鈮酸鋰復(fù)合壓電陶瓷傳感器的溫度特性.廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016,55(3)：441-444.

Citation：NIE Y Z,YAN H P,HUANG Y Q,et al．Temperature characteristics of a Bi4Ti3O12-LiNbO3compound piezoelectric ceramic sensor.Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(3)：441-444．(in Chinese)