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        高溫壓電式加速度傳感器的溫度響應(yīng)測(cè)試評(píng)價(jià)

        2020-07-07 09:23:38杜曉輝朱敏杰盧鐵林張祖?zhèn)?/span>袁宇鵬
        壓電與聲光 2020年3期
        關(guān)鍵詞:穩(wěn)定度壓電靈敏度

        杜曉輝, 劉 帥, 朱敏杰, 盧鐵林, 張祖?zhèn)? 袁宇鵬

        1. 機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所, 北京 100055;2. 中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司,重慶 401332)

        0 引言

        振動(dòng)檢測(cè)是航空航天和發(fā)電等領(lǐng)域重大裝備健康監(jiān)測(cè)的重要手段[1-3],而渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、核電主泵等部位的原位振動(dòng)檢測(cè)需要能夠耐受250~500 ℃的高溫加速度傳感器[4]。目前,國外商品化的加速度傳感器的最高工作溫度已突破780 ℃,國內(nèi)已開發(fā)出工作溫度可達(dá)482 ℃的商品化壓電加速度傳感器產(chǎn)品[5],但是國內(nèi)市場(chǎng)基本仍被Brüel&Kjr、Endevco、PCB和Kistler等國外公司壟斷。

        造成上述技術(shù)和市場(chǎng)差距的主要原因是國產(chǎn)高溫加速度傳感器的溫度響應(yīng)相關(guān)研究相對(duì)滯后。高溫加速度傳感器開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)集中在高溫對(duì)壓電元件穩(wěn)定性、傳感器應(yīng)變、接插件和線纜可靠性等方面的系統(tǒng)影響,這些方面的研究均需要在高溫振動(dòng)環(huán)境中開展。在傳感器設(shè)計(jì)階段,高溫振動(dòng)環(huán)境主要以虛擬設(shè)置為主;陳艷香等利用ANSYS有限元工具證明了SiC加速度傳感器在高溫環(huán)境下的可用性[6];李建義等仿真研究了壓阻式加速度計(jì)的高溫失效機(jī)理并開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[7]。在傳感器測(cè)試評(píng)價(jià)階段,高溫振動(dòng)環(huán)境主要以真實(shí)構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)為主??琢顥鞯壤霉苁綘t和激振臺(tái)等設(shè)備建立了高溫振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),用于獲得自研CTGS和YCOB高溫壓電加速度計(jì)的靈敏度溫漂特性[8];譚祥虎等利用加速度計(jì)校準(zhǔn)工作站配合恒溫箱測(cè)試加速度傳感器在25~530 ℃的靈敏度溫漂特性[9];石維等利用激振系統(tǒng)和溫度控制儀研究了BGSPT壓電加速度傳感器的靈敏度與溫度依賴關(guān)系[10];Ji Li等利用微型跌落系統(tǒng)和電加熱爐研究了壓電加速度傳感器在不同溫度下的輸出響應(yīng)[11]。總體來看,目前國產(chǎn)高溫加速度傳感器仍處在技術(shù)跟跑階段,配套搭建的高溫振動(dòng)系統(tǒng)主要用于獲取自研傳感器的靈敏度溫漂特性,但是,傳感器的技術(shù)評(píng)價(jià)需要量化自研傳感器與國外同類先進(jìn)產(chǎn)品的溫度響應(yīng)性能差異,傳感器的推廣應(yīng)用也需要更多的高溫穩(wěn)定性數(shù)據(jù)作支撐。

        針對(duì)現(xiàn)有國產(chǎn)高溫加速度傳感器需要量化與同類進(jìn)口產(chǎn)品的溫度響應(yīng)差距的開發(fā)需求,本文提出一種同步高溫振動(dòng)對(duì)比測(cè)試的方法,并搭建了基于管式爐和激振臺(tái)等設(shè)備的高溫振動(dòng)綜合測(cè)試系統(tǒng),研究了國產(chǎn)高溫加速度傳感器的靈敏度溫漂和高溫穩(wěn)定性等溫度響應(yīng)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。該方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠量化測(cè)試對(duì)比國產(chǎn)傳感器和同類進(jìn)口傳感器,并將對(duì)比數(shù)據(jù)反饋給國產(chǎn)廠家,輔助傳感器性能優(yōu)化;另一方面能夠?yàn)闈撛谟脩籼峁﹣碜缘谌降膫鞲衅鞯湫凸δ芎托阅軠y(cè)試數(shù)據(jù),達(dá)到真實(shí)反應(yīng)國產(chǎn)傳感器性能的目的。本文以某型號(hào)國產(chǎn)高溫壓電加速度傳感器為例,開展測(cè)試方法研究、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果討論。

        1 測(cè)試方法

        比較法是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓電加速度計(jì)測(cè)試校準(zhǔn)方法之一[12-13],但在相關(guān)文獻(xiàn)的測(cè)試系統(tǒng)中,作為參考的標(biāo)準(zhǔn)傳感器均工作在室溫環(huán)境下,被測(cè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器無法實(shí)現(xiàn)背靠背安裝,自研傳感器的溫度響應(yīng)特性評(píng)價(jià)無對(duì)照組可以參照。因此,本文在傳統(tǒng)比較法測(cè)試基礎(chǔ)上,創(chuàng)新地提出了同步高溫振動(dòng)對(duì)比測(cè)試方法。對(duì)被測(cè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時(shí)施加高溫條件,同步測(cè)試兩種傳感器的功能指標(biāo),以及功能指標(biāo)與實(shí)時(shí)溫度的關(guān)系。經(jīng)過數(shù)據(jù)量化比對(duì),形成自研傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的溫度響應(yīng)對(duì)比測(cè)試評(píng)價(jià),進(jìn)一步找出國產(chǎn)高溫加速度傳感器與同類進(jìn)口產(chǎn)品的溫度響應(yīng)差距,指導(dǎo)反饋優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)和工藝等。根據(jù)JB/T 6822—2018 壓電式加速度傳感器,加速度傳感器的溫度響應(yīng)主要考核溫度變化引入的靈敏度誤差,即靈敏度的溫度漂移;而傳感器高溫穩(wěn)定性主要考核傳感器在極限高溫環(huán)境下的靈敏度穩(wěn)定度。

        加速度傳感器正常工作需要與電荷放大器組成傳感器系統(tǒng)。傳感器輸出電荷(或電壓)與所承受的加速度值之比即為傳感器靈敏度,傳感器系統(tǒng)的靈敏度是傳感器靈敏度與電荷放大器的電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積。傳感器系統(tǒng)靈敏度穩(wěn)定度ω為

        ω=(S2-S1)/S1×100%

        (1)

        式中S1,S2分別為前一次、后一次的靈敏度。

        在測(cè)試系統(tǒng)中,國產(chǎn)高溫壓電加速度傳感器作為實(shí)驗(yàn)組,同類進(jìn)口傳感器作為對(duì)照組,兩組傳感器背靠背剛性連接在激振臺(tái)上,同步開展溫變響應(yīng)試驗(yàn)和高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)。依據(jù)壓電式加速度傳感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),選定200 Hz以下的某一頻率和10g(g=9.8 m/s2)以下的某一加速度值,采用正弦振動(dòng)激勵(lì)開展對(duì)比測(cè)試。

        2 測(cè)試系統(tǒng)

        為了實(shí)施上述對(duì)比測(cè)試,本文搭建了壓電加速度傳感器高溫性能測(cè)試系統(tǒng),包含環(huán)境應(yīng)力發(fā)生裝備、傳感器和信號(hào)測(cè)試儀器3部分。與傳統(tǒng)加速度傳感器功能測(cè)試系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力發(fā)生裝備不僅包括激振力發(fā)生裝備,還包括高溫應(yīng)力發(fā)生裝備,以實(shí)現(xiàn)溫度和機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力的精確實(shí)時(shí)復(fù)合加載。由于現(xiàn)有傳感器的供電方式不同,部分傳感器系統(tǒng)需要配套直流供電設(shè)備,以保證電荷放大器正常工作,因此,本系統(tǒng)配置了IEPE、PE和直流電源3種供電模式,滿足多型號(hào)傳感器同時(shí)測(cè)試需求。多傳感器同時(shí)測(cè)試時(shí),需要通用多路壓電加速度傳感器系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)儀器。測(cè)試系統(tǒng)的原理圖如圖1所示,實(shí)物圖如圖2所示。

        圖1 加速度傳感器高溫測(cè)試系統(tǒng)原理圖

        圖2 加速度傳感器高溫測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

        本文選用Kistler公司8207A型和PCB公司的357B69型高溫壓電加速度傳感器作為對(duì)照組,3只某型號(hào)國產(chǎn)高溫傳感器作為實(shí)驗(yàn)組。傳感器通過高溫線纜與各自公司配套的在線電荷放大器連接,電荷放大器再連接至多通道壓電傳感器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀,Kistler公司的電荷放大器需要直流24 V供電。傳感器系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示,傳感器系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)如表1所示,傳感器系統(tǒng)的靈敏度由出廠校準(zhǔn)證書查得。Kistler、PCB和N1傳感器用于溫變響應(yīng)測(cè)試評(píng)價(jià),Kistler、N1、N2和N3傳感器用于高溫穩(wěn)定性測(cè)試評(píng)價(jià);同時(shí)配置了K型熱電偶,實(shí)時(shí)采集傳感器工作原位的溫度數(shù)據(jù);其最高工作溫度均為482 ℃。

        圖3 高溫對(duì)比試驗(yàn)的傳感器系統(tǒng)實(shí)物圖

        表1 待測(cè)試傳感器系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

        序號(hào)傳感器系統(tǒng)品牌,型號(hào)規(guī)格和產(chǎn)地系統(tǒng)靈敏度/(mV·g-1)供電和信號(hào)采集模式1Kistler,8207A,瑞士94.6624 V/PE

        續(xù)表

        序號(hào)傳感器系統(tǒng)品牌,型號(hào)規(guī)格和產(chǎn)地系統(tǒng)靈敏度/(mV·g-1)供電和信號(hào)采集模式2PCB,357B69,美國3.18IEPE3N1,CAYD341V,中國33.30IEPE4N2,CAYD341V,中國32.03IEPE5N3,CAYD341V,中國32.08IEPE

        3 測(cè)試結(jié)果及討論

        3.1 溫變響應(yīng)試驗(yàn)

        正弦振動(dòng)頻率設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)推薦的160 Hz,系統(tǒng)采集了傳感器工作環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度,以及對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組傳感器測(cè)得的加速度示值,采樣頻率為1 kHz,采集時(shí)間為9 800 s。實(shí)驗(yàn)組(N1)傳感器測(cè)得的最大加速度約為3.65g,對(duì)照組(Kistler & PCB)測(cè)得的最大加速度分別約為3.00g和2.50g,如圖4所示。國產(chǎn)傳感器在3 000 s以前出現(xiàn)無規(guī)律的輸出突變,可能是傳感器集中型工藝殘余應(yīng)力在高溫膨脹下突然釋放導(dǎo)致。

        圖4 傳感器輸出隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)曲線

        選取時(shí)間點(diǎn)分別為1 500 s、3 500 s、5 500 s、6 500 s、7 500 s、8 500 s、9 500 s最近的正常最大加速度示值和溫度值,評(píng)價(jià)傳感器溫變響應(yīng)情況。將上述7個(gè)時(shí)間點(diǎn)的最大加速度示值和溫度隨時(shí)間變化曲線合并統(tǒng)計(jì),如圖5(a)所示。由圖可見,升溫速率在6 300 s左右開始降低,溫度在7 000 s左右基本穩(wěn)定,實(shí)測(cè)最高溫度為(402±2) ℃;根據(jù)式(1)可得傳感器在前4個(gè)時(shí)間點(diǎn)上相對(duì)室溫的靈敏度穩(wěn)定度,繪制傳感器靈敏度穩(wěn)定度與對(duì)應(yīng)溫度值的關(guān)系曲線,如圖5(b)所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在23~400 ℃升溫階段內(nèi),壓電式加速度傳感器的靈敏度均隨著溫度升高而增大,說明400 ℃還未達(dá)到試驗(yàn)傳感器所用壓電材料的居里溫度點(diǎn),且Kistler和PCB傳感器的靈敏度穩(wěn)定度在200 ℃后基本穩(wěn)定,而N1傳感器的靈敏度穩(wěn)定度在300 ℃后才穩(wěn)定。在高溫穩(wěn)定階段內(nèi),傳感器靈敏度穩(wěn)定度均有一定程度的波動(dòng)。在升溫階段內(nèi),相對(duì)23 ℃時(shí)的傳感器最大加速度示值,N1、Kistler和PCB傳感器的靈敏度穩(wěn)定度最大變化量分別為6.17%、2.44%和4.63%。因此,在溫升對(duì)靈敏度影響方面,Kistler傳感器溫度漂移最小,靈敏度穩(wěn)定度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度最低;PCB傳感器次之,國產(chǎn)傳感器的溫度漂移約為Kistler傳感器的2.53倍,靈敏度穩(wěn)定度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度最高。造成該差異的主要原因是溫度對(duì)國產(chǎn)傳感器壓電元件的壓電系數(shù)影響更大,國產(chǎn)傳感器可從該方面入手優(yōu)化傳感器溫變特性。

        圖5 傳感器溫變響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

        3.2 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

        高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)的對(duì)照組是Kistler傳感器,國產(chǎn)N1、N2和N3傳感器作為實(shí)驗(yàn)組,考察實(shí)驗(yàn)組傳感器在10周內(nèi)的輸出穩(wěn)定性。信號(hào)發(fā)生器輸出頻率160 Hz、峰-峰值1 V的正弦信號(hào),調(diào)整功率放大器增益,使對(duì)照組傳感器輸出加速度示值穩(wěn)定在2g左右,并在后續(xù)測(cè)試中保持不變。為了探究傳感器在極限溫度環(huán)境下的輸出穩(wěn)定性,按照可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的設(shè)置,將高溫穩(wěn)定試驗(yàn)的溫度設(shè)為487 ℃(最高工作溫度為+5 ℃)。溫度穩(wěn)定10 min、傳感器上電5 min后開始測(cè)試,測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為10 min,測(cè)試周期為每周1次。4只傳感器的第一次測(cè)試輸出曲線如圖6所示,與進(jìn)口傳感器相比,3只國產(chǎn)傳感器的極限高溫輸出均存在隨機(jī)的示值突變,原因可能是國產(chǎn)傳感器壓電材料的居里溫度點(diǎn)在試驗(yàn)溫度附近,導(dǎo)致傳感器的溫度漂移隨機(jī)波動(dòng)較大,因此,國產(chǎn)傳感器可從提高壓電材料居里溫度點(diǎn)方面優(yōu)化高溫輸出波動(dòng)問題。

        圖6 傳感器高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

        將10次測(cè)試的溫度值和最大加速度示值峰值分別計(jì)算平均值,合并統(tǒng)計(jì)如圖7所示。Kistler、N1、N2和N3傳感器各自輸出的最大值與最小值之差分別為0.11g、0.25g、0.20g、0.18g,說明Kistler傳感器的高溫靈敏度穩(wěn)定度最好,國產(chǎn)傳感器的高溫靈敏度穩(wěn)定度是Kistler傳感器的2倍左右,且3只國產(chǎn)傳感器之間的靈敏度和靈敏度穩(wěn)定度差異較明顯。因此,國產(chǎn)傳感器不僅要從材料方面優(yōu)化高溫穩(wěn)定性,還要從控制工藝一致性方面進(jìn)行批生產(chǎn)的質(zhì)量控制。

        圖7 高溫穩(wěn)定性測(cè)試的加速度示值峰值和溫度均值統(tǒng)計(jì)

        4 結(jié)束語

        本文建立了高溫加速度傳感器的同步高溫振動(dòng)對(duì)比測(cè)試方法,搭建了專用測(cè)試系統(tǒng),對(duì)比開展了某型號(hào)國產(chǎn)高溫壓電加速度傳感器與同類進(jìn)口傳感器的溫變響應(yīng)試驗(yàn)和高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在23~400 ℃升溫段內(nèi),壓電式加速度傳感器的靈敏度隨著溫度升高均呈現(xiàn)增大的基本趨勢(shì),國產(chǎn)壓電加速度傳感器的最大靈敏度溫度漂移量為6.17%,約為Kistler傳感器的2.53倍;在高溫穩(wěn)定性方面,國產(chǎn)壓電加速度傳感器的高溫靈敏度穩(wěn)定度均值約為Kistler傳感器的2倍。因此,國產(chǎn)傳感器需從溫度響應(yīng)相關(guān)的材料熱穩(wěn)定性、系統(tǒng)噪聲抑制和工藝一致性等方面開展性能優(yōu)化。

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