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)航空科技重點實驗室，上海 201601）

基于鈮酸鋰的高溫壓電加速度傳感器設(shè)計

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)航空科技重點實驗室，上海 201601）

設(shè)計一種耐高溫、高穩(wěn)定性、高可靠性的加速度傳感器，針對航空發(fā)動機(jī)高溫惡劣的振動測試環(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)境下長期使用，有效解決傳感器小信號高溫傳輸可靠性問題。優(yōu)化設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)、封裝工藝和測量系統(tǒng)，傳感器頻響、動態(tài)協(xié)議性能大為改善。通過對傳感器的頻率和溫度響應(yīng)、電容損耗等試驗表明該傳感器在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)動機(jī)振動測試的技術(shù)能力。

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

0 引 言

航空發(fā)動機(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，對測量其振動特性的傳感器要求非?？量?，須經(jīng)過特殊設(shè)計和研制[1]。由于壓電式加速度傳感器內(nèi)部沒有活動元件，不但穩(wěn)定性好、靈敏度高、壽命長，還具有較寬的使用頻率范圍，符合航空發(fā)動機(jī)研制過程中振動測量和分析的要求[2]，各國發(fā)動機(jī)的振動測量大多采用壓電加速度傳感器。

目前國際上著名的壓電振動傳感器公司有瑞士的 Kister、Vibro-Meter公司，美國的 PCB 公司[3]、恩德福克（Endevco）公司[4]等，產(chǎn)品種類比較齊全，其中Endevco公司的耐高溫振動傳感器最高工作溫度可達(dá)760℃，可靠性高達(dá)105h，國內(nèi)高溫振動測量用傳感器研究起步相對較晚，受高溫壓電元件的限制，工作溫度始終無法提高，傳感器的穩(wěn)定性、可靠性與國外相比還有較大差距。因此設(shè)計研制國產(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)計制作耐高溫壓電加速度傳感器，對其進(jìn)行綜合性能分析試驗，驗證傳感器在高溫環(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]通過理論研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈮酸鋰晶體繞X軸旋轉(zhuǎn)31.5°時，對晶體進(jìn)行切割得到相應(yīng)的壓電系數(shù)最大。為了驗證這一結(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，用壓電測試儀對其壓電系數(shù)d15、d33進(jìn)行測試，其結(jié)果如表1所示，其中1、2分別代表壓電晶體被測方向的正反面。從表中可以看出當(dāng)壓電晶體沿垂直于X軸方向切割時，測得的壓電系數(shù)d15最大。

表1 不同垂直切割方向試樣測試結(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試儀和中國計量院的進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行d15、d33測試。測試結(jié)果如表2所示。雖然由于測試儀器的精度不同測試結(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)計制作。

表2 垂直X切向與旋轉(zhuǎn)31.5°切割測試結(jié)果

2 傳感器設(shè)計

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)動機(jī)用的傳感器對質(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是在受剪切力時體現(xiàn)出來的，綜合考慮文中傳感器設(shè)計選用剪切式結(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物，圖2（b）為壓電片尺寸規(guī)格示意圖。

傳感器在發(fā)動機(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穩(wěn)定可靠地傳輸?shù)诫姾煞糯笃?，保證信號調(diào)理的準(zhǔn)確性、可靠性。該傳感器高溫電纜采用無機(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）為電纜實物。表3為高溫電纜耐高溫試驗測試結(jié)果。

圖3 高溫電纜結(jié)構(gòu)示意圖和元件樣品

表3 高溫電纜溫度試驗表

高溫電纜絕緣阻抗隨溫度升高有逐漸降低趨勢，達(dá)到650℃時絕緣阻抗仍有30MΩ，達(dá)到電纜設(shè)計目標(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，對傳感器需進(jìn)行密封封裝。傳感器封裝時對腔體充惰性保護(hù)氣體，并且封裝完成后需進(jìn)行氣密性檢測，確保傳感器的氣密性，保證在較長工作、儲存期內(nèi)傳感器內(nèi)部不會有氧氣等其他雜質(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，外殼預(yù)留封裝工藝孔，將整個傳感器放入真空室的焊接電極座上抽真空，同時加熱烘烤，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，同時將小孔密封焊接，傳感器內(nèi)部無氧氣等雜質(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 傳感器測量系統(tǒng)

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

圖5 傳感器測量系統(tǒng)

3 試驗與討論

3.1 試驗結(jié)果

3.1.1 頻率和溫度響應(yīng)試驗

為了檢驗基于鈮酸鋰壓電晶體的高溫壓電傳感器的工作性能，選取編號為1、2的兩個靈敏度的傳感器樣機(jī)，對傳感器分別進(jìn)行頻響和溫度響應(yīng)試驗，試驗設(shè)備為B.K公司4812型中頻振動系統(tǒng)及9610型振動傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)。通過試驗測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℃左右時傳感器輸出值趨于平穩(wěn)，最大誤差不超過10%。

3.1.2 電容損耗試驗

用高溫試驗爐對壓電加速度傳感器試樣進(jìn)行溫度-電容試驗，見圖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550℃后電容變化趨勢增大，570℃后傳感器電容變化幅度更大，說明大于570℃后傳感器的性能不夠穩(wěn)定。

3.2 試驗結(jié)果討論

通過頻率響應(yīng)試驗得到兩傳感器樣機(jī)頻響誤差如圖7所示，兩個傳感器樣機(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)動機(jī)振動傳感器測試指標(biāo)。

通過溫度響應(yīng)測試試驗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)動機(jī)高溫環(huán)境工作的能力，當(dāng)溫度超過550℃后，傳感器的電容損耗開始增大，同時溫度響應(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，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

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對航空發(fā)動機(jī)振動測量的要求不斷提高，無論是軍機(jī)還是民機(jī)，需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動監(jiān)測。設(shè)計開發(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)動機(jī)惡劣環(huán)境，滿足航空發(fā)動機(jī)振動測量的需求。新型航空發(fā)動機(jī)的工作溫度越來越高，對傳感器的耐高溫性和可靠性提出了更高的要求。通過對傳感器的優(yōu)化設(shè)計，開發(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。

[1]李榮生.航空發(fā)動機(jī)用振動傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展 [J].航空科學(xué)與技術(shù)，1997（2）：22-23.

[2]李戎.壓電式傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[D].西安：西安工業(yè)學(xué)院，2002.

[3]ROBERT O S.Operation of 6H-SCi pressure sensor at 500℃[J].Sensor and Actuators，1988，66（3）：200-204.

[4]ZAPPE S， FRANKLIN J， OBERMEIER E， et al.High temperature 10 bar pressure sensor based on 3C-SIC/SOI for turbine control applications[J].Silicon Carbide and Related Materials，2000，353（3）：753-756.

[5]聞化，張愛平，張楓.硅-藍(lán)寶石高溫大量程壓力傳感器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（12）：97-99.

[6]文海，王曉慧.高溫壓電陶瓷研究進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報，2006，34（11）：1367-1373.

[7]張亮生.鈮酸鋰晶體改性及溫度系數(shù)與切型相關(guān)性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[8]張自嘉，施文康.壓電晶體最大特征系數(shù)切向判定方法[J].上海：上海交通大學(xué)學(xué)報，2004，38（1）：99-102.

[9]張曉莉，陳水金.耐高溫壓力傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（2）：1-4.

[10]PULLIAM W，RUSSLER P.Micromachined silicon carbide sapphire fiber optic pressure sensor operates in 3600F environment[J].In Tech，2002，49（1）：24-26.

[11]張冬至，胡國清，陳昌偉.MEMS高溫壓電式傳感器研究與進(jìn)展[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（11）：4-7.

（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，高級工程師，研究方向為傳感器研發(fā)及航空特種測試技術(shù)。