基于鈮酸鋰的高溫壓電加速度傳感器設(shè)計(jì)

顧寶龍 趙振平 陳浩遠(yuǎn) 閆 旭 陳佳璧 郭子昂

（1.中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所，上海 201601；2.故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201601）

基于鈮酸鋰的高溫壓電加速度傳感器設(shè)計(jì)

顧寶龍1，2， 趙振平1，2， 陳浩遠(yuǎn)1，2， 閆 旭1，2， 陳佳璧1，2， 郭子昂1，2

（1.中航工業(yè)上海航空測(cè)控技術(shù)研究所，上海 201601；2.故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201601）

設(shè)計(jì)一種耐高溫、高穩(wěn)定性、高可靠性的加速度傳感器，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫惡劣的振動(dòng)測(cè)試環(huán)境，傳感器選用高居里溫度的鈮酸鋰晶體作為壓電元件，整體采用剪切式結(jié)構(gòu)，利用特征系數(shù)最大的壓電晶體切型，確定特征系數(shù)最大的壓電晶體切向，以獲得鈮酸鋰晶體較強(qiáng)的壓電效應(yīng)。研制雙層鎧裝高溫低噪聲電纜，采用高溫合金及礦物絕緣等耐高溫材料，可在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期使用，有效解決傳感器小信號(hào)高溫傳輸可靠性問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)、封裝工藝和測(cè)量系統(tǒng)，傳感器頻響、動(dòng)態(tài)協(xié)議性能大為改善。通過(guò)對(duì)傳感器的頻率和溫度響應(yīng)、電容損耗等試驗(yàn)表明該傳感器在550℃高溫環(huán)境下能夠保持高的可靠性和穩(wěn)定性，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試的技術(shù)能力。

鈮酸鋰晶體；壓電式加速度傳感器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；耐高溫；可靠性

0 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高溫、高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置，其工作狀態(tài)不同于一般的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，處在高溫、油霧和嚴(yán)重電磁干擾的惡劣環(huán)境中，對(duì)測(cè)量其振動(dòng)特性的傳感器要求非?？量蹋毥?jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)和研制[1]。由于壓電式加速度傳感器內(nèi)部沒(méi)有活動(dòng)元件，不但穩(wěn)定性好、靈敏度高、壽命長(zhǎng)，還具有較寬的使用頻率范圍，符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中振動(dòng)測(cè)量和分析的要求[2]，各國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)測(cè)量大多采用壓電加速度傳感器。

目前國(guó)際上著名的壓電振動(dòng)傳感器公司有瑞士的 Kister、Vibro-Meter公司，美國(guó)的 PCB 公司[3]、恩德?？耍‥ndevco）公司[4]等，產(chǎn)品種類比較齊全，其中Endevco公司的耐高溫振動(dòng)傳感器最高工作溫度可達(dá)760℃，可靠性高達(dá)105h，國(guó)內(nèi)高溫振動(dòng)測(cè)量用傳感器研究起步相對(duì)較晚，受高溫壓電元件的限制，工作溫度始終無(wú)法提高，傳感器的穩(wěn)定性、可靠性與國(guó)外相比還有較大差距。因此設(shè)計(jì)研制國(guó)產(chǎn)化耐高溫、高性能的壓電加速度傳感器具有重要意義[5]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鈮酸鋰晶體作為一種高居里溫度壓電晶體被廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、石油化工等眾多科研與工業(yè)領(lǐng)域[6]，其居里溫度可達(dá)1 200℃，是目前已知的居里溫度最高的壓電、鐵電材料；并且時(shí)間穩(wěn)定性好，在高溫、強(qiáng)輻射條件下仍具有良好的壓電性和機(jī)械性能，在高溫壓電器件應(yīng)用方面有廣闊的前景。采用鈮酸鋰晶體作為壓電元件，設(shè)計(jì)制作耐高溫壓電加速度傳感器，對(duì)其進(jìn)行綜合性能分析試驗(yàn)，驗(yàn)證傳感器在高溫環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和可靠性。

1 鈮酸鋰壓電特性

從結(jié)構(gòu)上看，鈮酸鋰是一種多疇單晶，必須通過(guò)極化處理后才能成為單疇單晶，進(jìn)而體現(xiàn)出單晶的機(jī)械性能各向異性。為了提高傳感器的靈敏度，需找出極化后鈮酸鋰晶體的最大特征系數(shù)[7]，利用特征系數(shù)最大的壓電晶體切型，可以獲得較強(qiáng)的壓電效應(yīng)，提高傳感器的靈敏度。

張自嘉等[8]通過(guò)理論研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈮酸鋰晶體繞X軸旋轉(zhuǎn)31.5°時(shí)，對(duì)晶體進(jìn)行切割得到相應(yīng)的壓電系數(shù)最大。為了驗(yàn)證這一結(jié)果，采用上海光電機(jī)械研究所提供的不同切向的鈮酸鋰壓電晶體試樣，用壓電測(cè)試儀對(duì)其壓電系數(shù)d15、d33進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表1所示，其中1、2分別代表壓電晶體被測(cè)方向的正反面。從表中可以看出當(dāng)壓電晶體沿垂直于X軸方向切割時(shí)，測(cè)得的壓電系數(shù)d15最大。

表1 不同垂直切割方向試樣測(cè)試結(jié)果

進(jìn)而試制垂直X軸切向和繞X軸旋轉(zhuǎn)31.5°切割的兩批壓電晶體試樣，為了得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，利用東南大學(xué)中科院聲學(xué)研究所研制的壓電測(cè)試儀和中國(guó)計(jì)量院的進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行d15、d33測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。雖然由于測(cè)試儀器的精度不同測(cè)試結(jié)果有所區(qū)別，但均顯示在晶體繞X軸旋轉(zhuǎn)31.5°時(shí)d15的性能最佳，最大數(shù)值在50pC/N左右。因此高溫壓電加速度傳感器利用鈮酸鋰晶體的d15壓電系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。

表2 垂直X切向與旋轉(zhuǎn)31.5°切割測(cè)試結(jié)果

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

目前高溫壓電加速度傳感器主要有剪切式和壓縮式兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。剪切式能抗基座變形和溫度沖擊，體積較小，但抗過(guò)載沖擊能力較差。壓縮式抗沖擊能力較強(qiáng)，但體積大，工藝、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的傳感器對(duì)質(zhì)量、體積、耐溫等條件有比較苛刻的要求，其次鈮酸鋰晶體的最大壓電系數(shù)d15是在受剪切力時(shí)體現(xiàn)出來(lái)的，綜合考慮文中傳感器設(shè)計(jì)選用剪切式結(jié)構(gòu)[9-11]。

圖1 剪切式和壓縮式傳感器示意圖

圖2 鈮酸鋰壓電元件試樣和示意圖

結(jié)合壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸和技術(shù)要求，確定了鈮酸鋰壓電元件的結(jié)構(gòu)、尺寸和主要技術(shù)指標(biāo)，為了提高壓電晶體的導(dǎo)電性，對(duì)元件表面進(jìn)行鍍金處理，如圖2所示，圖2（a）所示為傳感器中所有鈮酸鋰壓電片實(shí)物，圖2（b）為壓電片尺寸規(guī)格示意圖。

傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣環(huán)境條件下工作，必須配制專用的低噪聲、抗干擾、耐高溫電纜，將傳感器輸出的電荷信號(hào)穩(wěn)定可靠地傳輸?shù)诫姾煞糯笃鳎ＷC信號(hào)調(diào)理的準(zhǔn)確性、可靠性。該傳感器高溫電纜采用無(wú)機(jī)礦物材料作為絕緣體，導(dǎo)線采用Ni絲，絕緣層外是不銹鋼管，起保護(hù)絕緣層及第一層屏蔽作用，且能實(shí)現(xiàn)一定角度的彎曲，方便使用。外層采用不銹鋼絲網(wǎng)套起保護(hù)作用，防止電纜使用過(guò)程中摩擦導(dǎo)致內(nèi)管破損及第二層屏蔽作用。圖3為高溫電纜示意圖，圖3（a）為電纜尺寸規(guī)格示意圖及鎧裝，圖3（b）為電纜實(shí)物。表3為高溫電纜耐高溫試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

圖3 高溫電纜結(jié)構(gòu)示意圖和元件樣品

表3 高溫電纜溫度試驗(yàn)表

高溫電纜絕緣阻抗隨溫度升高有逐漸降低趨勢(shì)，達(dá)到650℃時(shí)絕緣阻抗仍有30MΩ，達(dá)到電纜設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足高溫電纜技術(shù)要求。

2.2 傳感器封裝

為保證傳感器的可靠性，對(duì)傳感器需進(jìn)行密封封裝。傳感器封裝時(shí)對(duì)腔體充惰性保護(hù)氣體，并且封裝完成后需進(jìn)行氣密性檢測(cè)，確保傳感器的氣密性，保證在較長(zhǎng)工作、儲(chǔ)存期內(nèi)傳感器內(nèi)部不會(huì)有氧氣等其他雜質(zhì)進(jìn)入，提高傳感器的高溫穩(wěn)定性及傳感器的使用壽命。具體的步驟為傳感器裝配完成后，插座、外殼分別與基座焊接并進(jìn)行氣密性檢測(cè)，外殼預(yù)留封裝工藝孔，將整個(gè)傳感器放入真空室的焊接電極座上抽真空，同時(shí)加熱烘烤，去除傳感器內(nèi)部的殘余氣體，達(dá)到真空度后，充入惰性氣體，用專用夾具堵上小孔，同時(shí)將小孔密封焊接，傳感器內(nèi)部無(wú)氧氣等雜質(zhì)，可大大提高傳感器的高溫性能和可靠性。如圖4所示為封裝好的傳感器主體初樣。

2.3 傳感器測(cè)量系統(tǒng)

壓電式加速度傳感器為高阻抗、電荷小信號(hào)輸出，需用低噪聲電纜與信號(hào)調(diào)理器相連，將電荷信號(hào)調(diào)理成與電荷量正比的電壓信號(hào)。如圖5所示，傳感器安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部位，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，高溫低噪聲電纜將傳感器感應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理器，信號(hào)調(diào)理器將接收到的電荷量調(diào)理成與振動(dòng)信號(hào)成正比的電壓信號(hào)，該信號(hào)輸送到需要的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試、分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)狀況。

圖5 傳感器測(cè)量系統(tǒng)

3 試驗(yàn)與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 頻率和溫度響應(yīng)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)基于鈮酸鋰壓電晶體的高溫壓電傳感器的工作性能，選取編號(hào)為1、2的兩個(gè)靈敏度的傳感器樣機(jī)，對(duì)傳感器分別進(jìn)行頻響和溫度響應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為B.K公司4812型中頻振動(dòng)系統(tǒng)及9610型振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的傳感器頻率響應(yīng)和溫度響應(yīng)特性參數(shù)如表4、表5所示。

表4 壓電加速度傳感器頻響特性

表5 壓電加速度傳感器溫度響應(yīng)特性

圖6 傳感器電容、損耗隨溫度變化曲線

圖7 傳感器頻響曲線圖

從表4、表5中可以看出，兩個(gè)傳感器樣機(jī)在10Hz～4kHz頻率范圍內(nèi)靈敏度能夠保持穩(wěn)定，并且從常溫到550℃左右時(shí)傳感器輸出值趨于平穩(wěn)，最大誤差不超過(guò)10%。

3.1.2 電容損耗試驗(yàn)

用高溫試驗(yàn)爐對(duì)壓電加速度傳感器試樣進(jìn)行溫度-電容試驗(yàn)，見(jiàn)圖6所示，在常溫至500℃范圍內(nèi)，傳感器整體的溫度-電容變化比較平穩(wěn)，超過(guò)550℃后電容變化趨勢(shì)增大，570℃后傳感器電容變化幅度更大，說(shuō)明大于570℃后傳感器的性能不夠穩(wěn)定。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果討論

通過(guò)頻率響應(yīng)試驗(yàn)得到兩傳感器樣機(jī)頻響誤差如圖7所示，兩個(gè)傳感器樣機(jī)在10Hz～4kHz頻率范圍內(nèi)，最大頻響誤差小于5%，并且傳感器的靈敏度達(dá)到15pC/g，其頻響指標(biāo)均滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳感器測(cè)試指標(biāo)。

通過(guò)溫度響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)和電容損耗隨溫度的變化可以得出，該壓電式加速度傳感器的有效工作環(huán)境溫度最高可以達(dá)到550℃，具備在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫環(huán)境工作的能力，當(dāng)溫度超過(guò)550℃后，傳感器的電容損耗開(kāi)始增大，同時(shí)溫度響應(yīng)誤差隨著溫度上升逐漸增大，傳感器的性能不穩(wěn)定，影響測(cè)試結(jié)果，這是由于隨著溫度的升高，鈮酸鋰壓電元件、高溫電纜、高溫接插件等結(jié)構(gòu)的可靠性下降，鈮酸鋰晶體在該切向的壓電系數(shù)較大的同時(shí)，溫度干擾也較大。

總之，采用鈮酸鋰壓電晶體材料作為壓電元件制作的高溫壓電加速度傳感器，能有效改善傳感器耐高溫性能，提高傳感器的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量的要求不斷提高，無(wú)論是軍機(jī)還是民機(jī)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于鈮酸鋰壓電晶體的高溫壓電式加速度傳感器，整體的可靠性、穩(wěn)定性能夠適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣環(huán)境，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量的需求。新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度越來(lái)越高，對(duì)傳感器的耐高溫性和可靠性提出了更高的要求。通過(guò)對(duì)傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)新型耐高溫敏感材料，提高傳感器的耐高溫和可靠性能力。

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（編輯：徐柳）

Design of high-temperature piezoelectric acceleration sensor based lithium niobate

GU Baolong1，2， ZHAO Zhenping1，2， CHEN Haoyuan1，2， YAN Xu1，2， CHEN Jiabi1，2， GUO Ziang1，2
（1.Shanghai Aero Measurementamp;Control Technology Research Institute，Aviation Industry Corporation of China，Shanghai 201601，China；2.Key Laboratory of Aviation Technology for Fault Diagnosis and Health Management Research，Shanghai 201601，China）

This paper aims to develop and design a high-temperature resistant acceleration sensor with excellent stability and reliability.Considering the harsh and high-temperature environment of aero-engine vibration test，the sensor employs lithum niobate crystal with high Curie temperature as the piezoelectric element and adopts a shear-type configuration.The cutting pattern and direction of piezoelectric crystal that allow for the maximum characteristic coefficient are utilized and identified to obtain a strong piezoelectric effect for the lithium niobate crystal.Besides，a double-layer armoured high-temperature and low-noise cable is also developed using hightemperature alloy， mineral-insulated and other heat-resisting materials， which can be used in high-temperature environment for a long time，addressing effectively the reliability problem of small signals transmitted by sensor at high temperatures.Sensor structure，packaging technology and measuring system are also optimized and designed，which improves the frequency response and dynamic protocol performance of the sensor significantly.The testing on frequency and temperature response as well as capacitance loss of the sensor shows that it can maintain high reliability and stability at a high temperature of 550℃，improving the technical capacity of aero-engine vibration test effectively.

lithium niobate； piezoelectric acceleration sensor； optimal design； high temperature resistant；reliability

A

1674-5124（2017）11-0074-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.015

2016-08-10；

2016-10-23

顧寶龍（1965-），男，上海市人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閭鞲衅餮邪l(fā)及航空特種測(cè)試技術(shù)。