鉍層狀與鈮酸鋰復(fù)合壓電傳感器溫度特性研究

1、鉍層狀與鈮酸鋰復(fù)合壓電傳感器溫度特性研究聶泳忠1 ， 顏黃蘋2 ， 黃元慶3*（廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(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(jī)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(jī)、航空、艦船發(fā)動機(jī)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)域的基于鉍層狀的壓電傳感器高溫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）傳感器靈敏度溫漂移率5%的要求。因此，本文研究了一種鉍層狀-鈮酸鋰新型結(jié)構(gòu)復(fù)合壓電傳感器件，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

2、型，并進(jìn)行實驗驗證研究。實驗測試結(jié)果表明，這種新型復(fù)合式壓電陶瓷傳感器滿溫度量程溫漂小于3%，具有極為優(yōu)異的溫度特性，無需采用軟件修正測量偏差，滿足法規(guī)DO160要求，可直接用于高溫環(huán)境的溫度精密測量，其應(yīng)用前景極其廣泛。關(guān)鍵詞：高溫壓電傳感器；溫度漂移；溫度補(bǔ)償；Bi4Ti3O12；LiNbO3中圖分類號：TP212.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A Study on the Temperature characteristics of a Bi4Ti3O12 -LiNbO3 Compound Piezoelectric Ceramic SensorNie Yongzhong 1 , Yan Huang

3、ping 2 , Huang Yuanqing 3*(School of Physics and Electrical and Mechanical Engineering, Xiamen University, Xiamen, Fujian, 361005) Abstract：Bi4Ti3O12 has been wildly used on high temperature sensor due to its excellent mechanical performance and high curie temperature. There is a lot of the demand f

4、or 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 Bi4Ti3O12 material has a sensitivity shift of 10%-20% when in the

5、 high temperature, and fails to meet the requirement of 5% in the temperature range from-50to 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,

6、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 temperatur

7、e 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. Therefore, this new type of sensor h

8、as the broad application prospects.Keywords：High temperature PE sensor; Temperature shift; Temperature compensation；Bi4Ti3O12；LiNbO31引 言導(dǎo)致航空飛行器事故的部件失效種類非常多，但是從故障發(fā)生的頻度和烈度分析，飛機(jī)引擎故障對飛行安全最致命。據(jù)統(tǒng)計,發(fā)動機(jī)70%以上的機(jī)械故障可以通過振動形式表現(xiàn)出來1。作為典型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，航空發(fā)動機(jī)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(jī)工作狀態(tài)的高低轉(zhuǎn)子振動模態(tài)變化，

9、分析發(fā)動機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件的狀態(tài)；利用測得的振動信號分析發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的動平衡狀態(tài)，進(jìn)而推測、判斷出發(fā)動機(jī)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(jī)容易出問題的部分主要是工況比較惡劣的區(qū)域，如發(fā)動機(jī)高壓渦輪或者高壓壓氣機(jī)部分的結(jié)構(gòu)件、軸承部件。美軍軍用和商用發(fā)動機(jī)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(jī)。特別是高速滾動軸承占到了軸承故障失效原因的90%5。目前，國內(nèi)外正在致力于解決如何避免發(fā)動機(jī)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主要研究

10、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)，反常光生伏打效應(yīng)，光折變效應(yīng)等特性，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于傳感器件及執(zhí)行器件上6。目前用單純Bi4Ti3O12鉍層狀壓電陶瓷材料制作的高溫傳感器溫度漂移率偏高，如歐美國家產(chǎn)的高溫振動傳感器的靈敏度-溫度響應(yīng)漂移約為10%。本文研制了一種鉍層狀-鈮酸鋰新型結(jié)構(gòu)復(fù)合壓電高溫振動傳感器，具有溫度漂移率小于3%、性能高穩(wěn)定的特點，可用于發(fā)動機(jī)實時在線健康監(jiān)測。2 新型高溫壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)2.1 傳統(tǒng)的鉍層狀壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)及溫度靈敏度特性由于鉍層狀壓電陶瓷居里溫度可以達(dá)到800以上， 國內(nèi)外用于監(jiān)測發(fā)動機(jī)的高溫振動傳感器多采用單純鉍層狀壓電

11、陶瓷材料，歐美國家這類傳感器靈敏度-溫度響應(yīng)漂移高達(dá)10%。圖178是國際頂級傳感器公司的美國Endevco和PCB公司高溫振動傳感器的靈敏度-溫度響應(yīng)參數(shù)，圖a、圖b分別為美國PCB和Endevco高溫壓電傳感器靈敏度-溫度響應(yīng)曲線。圖中曲線可以看出只有PCB漂移接近10%，而Endevco的產(chǎn)品已經(jīng)超過了10%。然而新一代發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測的傳感器靈敏度-溫度漂移要求小于5%。（a） (b)圖1 美國PCB和Endevco高溫壓電傳感器靈敏度-溫度曲線Fig.1 Sensitivity deviation-temperature USA PCB and Endevco high tempera

12、ture PE sensor 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)的帶寬很很窄。圖2是采用Bi4Ti3O12+xmol%Nb2O5+ywt%CeO2(0.00x6.50,0.00y1.00)層狀壓電陶瓷研制的無溫度補(bǔ)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)系和典型曲線如圖3所示。（a）示意圖 （b）實物圖（a）Schematic diagram （b）Real product photo圖2 振動傳感器子組件結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖Fig.2 Schematic diagram and real product photo o

13、f vibration sensor sub-component圖3 無補(bǔ)償?shù)母邷貕弘妭鞲衅黛`敏度溫度特性曲線圖Fig.3 Sensitivity- temperature characteristic curve of uncompensated high temperature PE sensor從圖3靈敏度溫度漂移率曲線可知，在沒有補(bǔ)償?shù)那闆r下，溫度為480時，傳感器靈敏度漂移已超過43.92%。由此可見，無溫度補(bǔ)償時，這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)到新一代發(fā)動機(jī)提出的5%的要求。2.2新型高溫壓電陶瓷傳感器研究針對現(xiàn)有鉍層狀壓電材料的壓電系數(shù)d33隨著溫度升高而

14、衰減所導(dǎo)致高溫壓電傳感器靈敏度-溫度響應(yīng)高漂移率問題，同時考慮了用于發(fā)動機(jī)實時在線監(jiān)測傳感器必須滿足法規(guī)DO160規(guī)定：不得采用軟件修正方法對溫漂進(jìn)行補(bǔ)償，本研制的改進(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。本高溫壓電傳感器采用 Bi4Ti3O12+xmol%Nb2O5+ywt%CeO2(0.00x6.50,0.00y1.00)層狀壓電陶瓷材料作為基體、LiNbO3材料為溫度補(bǔ)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 LiN

15、bO3為補(bǔ)償層的子組件實物圖Fig.4 Sub-component after LiNbO3compensation 選擇LiNbO3(鈮酸鋰)材料作為補(bǔ)償材料層，是由于LiNbO3的d33值隨溫度升高而逐漸升高， d33的溫度特性與鉍層狀壓電陶瓷的特性趨勢相反，其靈敏度對應(yīng)溫度的特性曲線是呈正增的函數(shù)，如圖5所示。 圖5 LiNbO3靈敏度溫度關(guān)系特性曲線Fig.5 LiNbO3 sensitivity- temperature characteristic curve2.3 靈敏度溫度補(bǔ)償補(bǔ)償機(jī)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: (1)其中S為壓電加速度傳感器電

16、荷靈敏度，單位為皮庫每個重力加速度（pc/g），d33為壓電系數(shù)（pc/N，皮庫每牛），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，若存在N種不同材料且厚度足夠小的晶體元疊加在一起時上述方程應(yīng)該： （2）此處m為質(zhì)量塊，d33N為第N種材料的最小壓電微元的d33,t為同一種壓電材料的厚度。當(dāng)考慮到各種材料各自的溫度特性后上述方程可以寫成： （3）其中（T)N,表示第N種材料的溫度特性函數(shù)，為了簡化上述函數(shù)可以進(jìn)一步簡化： （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

17、種類和厚度組合，將某一種材料的靈敏度-溫度漂移調(diào)整到一個恒定的值。為了將鉍層狀陶瓷材料在全溫度范圍內(nèi)調(diào)整到(50pc/g5%)以內(nèi)，選取Bi4Ti3O12鉍層狀和LiNbO3兩種材料，鉍層狀陶瓷片的傳感器典型參數(shù)：質(zhì)量塊質(zhì)量m=0.0275kg、d33=20pc/N, n=11片。根據(jù)式(1)，可獲得壓電加速度傳感器的理論靈敏度:S1=59.29pc/g; 將LiNbO3的d33=10pc/N參數(shù)代入式（5），便得： (6) 由于這兩種材料的靈敏度漂移-溫度曲線可以通過回歸得到，由此最終選定的兩種材料疊加厚度比，即Bi4Ti3O12與LiNbO3約為2.25，這兩種材料通過疊加鍵合，構(gòu)成傳感器

18、的復(fù)合型壓電芯片。新型傳感器實物如圖4所示。3 實驗結(jié)果及對比表1為補(bǔ)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）表1 補(bǔ)償后的靈敏度-溫度漂移 Tab.1 sensitivity-temperature shift after composition 溫度（）靈敏度（pc/g）偏差7752.4021253.161.50%37453.181.50%48253.672.40%53653.973.00%71652.931.00%89648-2.10%時的漂移量或偏差值，根據(jù)計算其偏差的平均值為1.04%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.016,在482下對同一傳感器進(jìn)行多次測量其靈敏

19、度均值為53.12pc/g,標(biāo)準(zhǔn)差為0.52pc/g。 圖6是靈敏度偏移-溫度曲線, 從圖可看出，補(bǔ)償后的高溫壓電傳感器的靈敏度隨溫度漂移可降到5%以內(nèi)。圖7，顯示的是補(bǔ)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,測試結(jié)果表明，所研制高溫傳感器具有良好的溫度靈敏度重復(fù)性和一致性。圖8為測試實驗所采用的三綜合（溫度+振動）測試箱。實驗結(jié)果與理論值呈現(xiàn)很好的一致性。圖6 補(bǔ)償前后的靈敏度溫度特性曲線Fig.6 Sensitivity- temperature characteristic curve before and after compensation圖7 同一傳感器多次測量的

20、曲線分布Fig.7 Curves tested by several times 圖8三綜合測試箱Fig.8 3-parameter testing box 4 結(jié)論本文研究的Bi4Ti3O12與LiNbO3兩種材料鍵合疊加、構(gòu)成復(fù)合型壓電芯片，很好解決了高溫壓電傳感器的靈敏度-溫度漂移的問題，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(jī)構(gòu)的檢驗，并開始列裝在我國某重點型號發(fā)動機(jī)上。本高溫壓電傳感器研制成功，打破了國外的壟斷，技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，可為燃?xì)廨啓C(jī)、艦船、飛機(jī)等發(fā)動機(jī)提供高溫特性極佳的、實時在線監(jiān)測的高溫振動傳感器，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和重要科技價值。參考文獻(xiàn)1 JENN

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