0 引言

 

測量專用特殊傳感器，利用壓電材料的正壓電效應進行測量
，具有自發電、使用溫度高、體積小、抗電磁幹擾能力強、壽命長、可靠性高等優點，對發動機健康評估、故(gu)障(zhang)預(yu)測(ce)與(yu)診(zhen)斷(duan)起(qi)到(dao)關(guan)鍵(jian)作(zuo)用(yong)。高(gao)溫(wen)壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)是(shi)其(qi)關(guan)鍵(jian)核(he)心(xin)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)，與(yu)慣(guan)性(xing)質(zhi)量(liang)塊(kuai)等(deng)形(xing)成(cheng)組(zu)件(jian)
，實(shi)現(xian)振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)向(xiang)電(dian)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)
，決(jue)定(ding)著(zhe)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)使(shi)用(yong)性(xing)能(neng)。與(yu)普(pu)通(tong)壓(ya)電(dian)振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)相(xiang)比(bi)，由(you)於(yu)航(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機(ji)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)惡(e)劣(lie)且(qie)振(zhen)動(dong)監(jian)測(ce)位(wei)置(zhi)關(guan)鍵(jian)，傳(chuan)感(gan)器(qi)除(chu)需(xu)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)耐(nai)溫(wen)和(he)抗(kang)振(zhen)性(xing)能(neng)外(wai)
，還(hai)應(ying)具(ju)備(bei)高(gao)溫(wen)長(chang)時(shi)工(gong)作(zuo)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)與(yu)穩(wen)定(ding)性(xing)。同(tong)時(shi)，隨(sui)著(zhe)近(jin)年(nian)來(lai)航(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機(ji)推(tui)重(zhong)比(bi)增(zeng)加(jia)和(he)健(jian)康(kang)監(jian)測(ce)全(quan)麵(mian)化(hua)
，對(dui)高(gao)溫(wen)度(du)和(he)更(geng)寬(kuan)頻(pin)響(xiang)的(de)高(gao)溫(wen)壓(ya)電(dian)振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)需(xu)求(qiu)更(geng)加(jia)迫(po)切(qie)。

 

benwenfenbiezongshulehangkongfadongjiyonggaowenyadianzhendongchuanganqijiqisuoyongminganyuanjianyadiantaocicailiaodeguoneiwaiyanjiuyingyongjinzhan
，bingjiehedangqianhangkongfadongjizhendongceliangxuqiuduigaiteshuyongtuyadianzhendongchuanganqijiyadiantaocicailiaodeqianjingjinxingzhanwang，yiqiweiguoneigaowenyadianzhendongchuanganqijitaocicailiaodeyanzhizhimingfangxiang。

 

1 高溫壓電振動傳感器

 

高溫壓電振動傳感器（又稱高溫壓電加速度計）
，是shi用yong高gao溫wen壓ya電dian材cai料liao作zuo為wei敏min感gan元yuan件jian，利li用yong其qi正zheng壓ya電dian效xiao應ying將jiang輸shu入ru的de振zhen動dong加jia速su度du轉zhuan換huan為wei電dian荷he信xin號hao輸shu出chu實shi現xian測ce量liang。目mu前qian，根gen據ju裝zhuang配pei結jie構gou和he工gong作zuo原yuan理li不bu同tong，高gao溫wen壓ya電dian振zhen動dong傳chuan感gan器qi主zhu要yao有you壓ya縮suo型xing和he剪jian切qie型xing兩liang種zhong。壓ya縮suo型xing傳chuan感gan器qi結jie構gou堅jian固gu

，可ke承cheng受shou高gaogn值衝擊，但由於壓電元件與底座緊密接觸，對底座彎曲（應變）較為敏感，內部零件沿敏感軸的熱脹冷縮效應會影響傳感器信號的輸出。與壓縮型結構相比，剪切型結構通常具有更高的輸出
、更小的尺寸、更(geng)大(da)的(de)帶(dai)寬(kuan)和(he)更(geng)低(di)的(de)橫(heng)向(xiang)輸(shu)出(chu)，同(tong)時(shi)由(you)於(yu)不(bu)直(zhi)接(jie)與(yu)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)接(jie)觸(chu)，具(ju)有(you)更(geng)低(di)的(de)瞬(shun)變(bian)溫(wen)度(du)靈(ling)敏(min)度(du)和(he)更(geng)好(hao)的(de)溫(wen)度(du)性(xing)能(neng)，但(dan)對(dui)於(yu)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)的(de)固(gu)定(ding)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)困(kun)難(nan)。

 

圖1 高溫壓電振動傳感器結構

 

2 高溫壓電振動傳感器研究應用進展

 

2.1 國外研究應用進展

 

隨著航空機載振動測量技術的發展
，自20世紀50年代

，國外就已開始進行高溫壓電振動傳感器研究。20世紀90年代後期，壓電振動傳感器逐漸在航空發動機（如CFM56發動機）上普遍使用
，並逐步替代傳統的磁電式振動傳感器。目前，國際上係列化高溫壓電振動傳感器的使用溫度主要涵蓋260℃、482℃、538℃、649℃、760℃等不同係列。能夠生產出成熟高溫壓電振動傳感器的公司僅有幾家且大都集中在美國和西歐
，如美國Endevco公司、美國PCB公司
、瑞士Vibro-Meter公司和丹麥B＆K公司等
，特別是美國Endevcogongsi
，qishengchandehangkongfadongjizhuanyonggaowenyadianzhendongchuanganqichanpinxingnengyouyiqienenggouzaigaowenxiachangqiwendinggongzuo，yichengweiquanshijiehangkongfadongjizhendongjiankongdebiaozhunchuanganqi。xiamianjieshaojizhongdianxingxinghaochuanganqi：

 

1） 6233C型高溫壓電振動傳感器：為美國Endevco公司的產品
，用於測量燃氣渦輪發動機的振動情況，具有靈敏度高、可在482℃高溫下連續工作
、平均無故障時間長等特點。傳感器采用Endevco Piezite P-14型敏感元件和中心壓縮結構，保證了高輸出
、極佳的溫度穩定性和寬頻響測試範圍（0.1 Hz ～ 5 kHz）。

 

2） 6237M70型高溫壓電振動傳感器：為美國Endevco公司的產品，用於飛機燃氣渦輪機等超高溫環境的振動測量，傳感器可在650℃的環境溫度下連續工作，頻率響應範圍1 Hz ～ 5 kHz，具有尺寸小、重量輕、平均無故障時間長等特點。傳感器采用Endevco Piezite P-15型壓電敏感元件和剪切型結構，靈敏軸方向與安裝螺釘方向相同。

 

3） 6240M10型高溫壓電振動傳感器：為美國Endevco公司的產品，可在650℃下連續工作，並間斷工作於760℃溫度下，頻響測試範圍5 Hz ～ 3 kHz。傳感器采用壓電單晶和剪切型結構，尺寸小，測試精度高，非常適合於飛機燃氣渦輪機的振動測量。

 

4） 357E90型高溫壓電振動傳感器：為美國PCB公司的產品
，用於超高溫度環境下飛機發動機燃燒室附近振動監測，最高工作溫度649℃，極限工作溫度760℃。傳感器采用壓電單晶和剪切型結構，具有體積小
、重量輕
、工作環境溫度高等優點。

 

5） CA134型高溫壓電振動傳感器：為瑞士Vibro-Meter公司的產品

，常用於航空發動機惡劣高溫環境下的振動測量，傳感器采用VC2型材料作為敏感元件
，工作穩定，具有耐高溫、體積小、重量輕等特點。

 

6） CA135型高溫壓電振動傳感器：為瑞士Vibro-Meter公司的產品
，用於航空發動機寬頻響範圍(5 Hz～ 12 kHz)振動狀態測量
，傳感器采用PZT基壓電陶瓷和剪切型結構，最高使用溫度260℃，靈敏度高，穩定性好。

 

7） 8347—C型高溫壓電振動傳感器：為丹麥B＆K公司的產品

，采用剪切型結構設計
，可用於航空發動機、工業燃氣輪機、核電站、變速箱等嚴苛工作環境的振動測量。傳感器采用加固的兩針TNC 連接器
，平衡差分輸出連接，具有寬溫度(-196 ～ 482℃) 和頻響(1 Hz ～ 12.8kHz)測量範圍、可靠性與環境適應性高等突出特點
，是目前世界上唯一一種可在482℃實現寬頻響測量的壓電振動傳感器。

 

表1為上述幾種典型高溫壓電振動傳感器及性能指標。

 

表1 國外典型高溫壓電振動傳感器性能指標

 

2.2 國內研究應用進展

 

國(guo)內(nei)傳(chuan)感(gan)器(qi)研(yan)製(zhi)和(he)生(sheng)產(chan)單(dan)位(wei)目(mu)前(qian)已(yi)能(neng)夠(gou)生(sheng)產(chan)出(chu)多(duo)種(zhong)規(gui)格(ge)係(xi)列(lie)的(de)振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)產(chan)品(pin)

，但(dan)大(da)多(duo)僅(jin)限(xian)於(yu)常(chang)溫(wen)測(ce)試(shi)使(shi)用(yong)。對(dui)於(yu)高(gao)溫(wen)壓(ya)電(dian)振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)研(yan)究(jiu)始(shi)於(yu)20世紀70年(nian)代(dai)
，主(zhu)要(yao)還(hai)是(shi)為(wei)了(le)滿(man)足(zu)航(hang)天(tian)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)需(xu)求(qiu)。近(jin)年(nian)來(lai)
，隨(sui)著(zhe)國(guo)家(jia)對(dui)航(hang)空(kong)工(gong)業(ye)的(de)大(da)力(li)支(zhi)持(chi)和(he)航(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機(ji)振(zhen)動(dong)測(ce)量(liang)需(xu)求(qiu)的(de)逐(zhu)漸(jian)提(ti)高(gao)，軍(jun)工(gong)類(lei)生(sheng)產(chan)單(dan)位(wei)如(ru)國(guo)營(ying)第(di)一(yi)七(qi)一(yi)廠(chang)、國營第一六一廠、中電26所等，民營企業如慧石（上海）測控科技有限公司

、廈門乃爾電子有限公司等均開展了高溫壓電振動傳感器的研製和生產工作

，典型牌號有GGZ—9，GGZ—10
，GGZ—25，GGZ—26，GGZ—34，GGZ—35等，部分產品已實現應用。然而，目前國內航空發動機用高溫壓電振動傳感器產品種類較為單一
，僅具備260℃和482℃兩種係列傳感器的研製生產能力，部分傳感器長時使用尚存在靈敏度漂移現象，可靠性、穩定性和長時高溫工作性能等方麵與國外同類產品相比尚存在一定差距。對於高溫寬頻壓電振動傳感器（-55 ～ 482℃
，1 Hz ～12.8 kHz）和650℃以yi上shang的de超chao高gao溫wen壓ya電dian振zhen動dong傳chuan感gan器qi尚shang未wei研yan發fa成cheng功gong，諸zhu多duo技ji術shu瓶ping頸jing尚shang未wei掌zhang握wo。此ci外wai，與yu國guo外wai傳chuan感gan器qi研yan製zhi生sheng產chan單dan位wei不bu同tong，國guo內nei傳chuan感gan器qi研yan製zhi生sheng產chan單dan位wei尚shang未wei形xing成cheng從cong壓ya電dian元yuan件jian到dao傳chuan感gan器qi的de完wan整zheng鏈lian條tiao，一yi定ding程cheng度du上shang影ying響xiang了le傳chuan感gan器qi研yan發fa周zhou期qi。

 

3 高溫壓電陶瓷材料

 

高溫壓電陶瓷材料是高居裏溫度、高壓電係數
、gaodianzulvhedijiediansunhao，qienenggouzaijiaogaowenduxiawendingshiyongdeyadiantaocicailiao。zuoweigaowenyadianzhendongchuanganqidehexinminganyuanjian
，gaowenyadiantaocicailiaozaihangkong、航天、核能、冶金
、石油化工、地質勘探等領域需求廣泛。根據晶體結構不同
，高溫壓電陶瓷材料主要包括鈣鈦礦結構、鎢青銅結構
、鉍層狀結構和鈣鈦礦層狀結構等4種。表2對比列出了不同體係壓電材料與壓電振動傳感器應用相關參數
，其中使用較為廣泛的是以PZT基為代表的鈣鈦礦結構壓電陶瓷材料和鉍層狀結構壓電陶瓷材料。

 

表2 不同體係壓電材料與傳感器應用相關參數

 

PZT基壓電陶瓷材料居裏溫度Tc較低（300 ～ 400℃），但壓電係數d33大（300 ～ 700 pC/N）

，主要用於200℃以下係列傳感器；鉍層狀結構壓電陶瓷材料Tc較高（500 ～ 940℃），但壓電係數d33偏低（約20 pC/N），可用於400℃以上係列傳感器。針對更高溫使用環境，壓電晶體由於沒有高溫相變，表現出高電阻率和寬使用溫度範圍，常用於650℃及以上超高溫壓電振動傳感器，但生產加工成本相對較高
，壓電係數也較低（＜ 10 pC/N）。綜合比較材料性能和當前傳感器實際需求
，鉍層狀結構壓電陶瓷材料是高溫壓電振動傳感器核心敏感元件的優選材料，也是482℃高溫壓電振動傳感器的通用材料和650℃超高溫壓電振動傳感器的候選材料
，具有極高的研發應用潛力。Bi4Ti3O12、CaBi4Ti4O15、Bi3TiNbO9
、CaBi2Nb2O9、SrBi4Ti4O15
、SrBi2Nb2O9等均是可用於傳感器的鉍層狀結構壓電材料。然而，鉍層狀結構壓電陶瓷材料在研製生產中也存在一些技術難點：1）矯頑場強太高、不利於極化，批量極化技術難度大；2）壓電活性較低
，壓電係數較小，導致傳感器件的頻率響應範圍變窄
；3）壓ya電dian響xiang應ying的de溫wen度du穩wen定ding性xing較jiao差cha，導dao致zhi傳chuan感gan器qi件jian的de長chang期qi最zui高gao使shi用yong溫wen度du大da幅fu降jiang低di。鉍bi層ceng狀zhuang結jie構gou壓ya電dian陶tao瓷ci材cai料liao的de改gai性xing提ti升sheng是shi當dang前qian壓ya電dian陶tao瓷ci材cai料liao研yan究jiu的de主zhu要yao方fang向xiang。

 

4 高溫壓電陶瓷材料研究應用進展

 

4.1 國外研究應用進展

 

目前，國外應用於壓電振動傳感器的陶瓷材料主要有美國PiezoTechnologies公司的K-12，K-15，丹麥Ferroperm公司的Pz46，美國TRSTechnologies公司的BT200、日本FujiCeramics公司的F-100等
，傳感器研製生產商如Endevco公司、Vibro-Meter公司等也自主研發了適用於高溫工作的壓電陶瓷材料P-10，P-14，P-15，P-21等。其中，對應於高溫振動測量需求，公開資料顯示：K-12，K-15，P-14，P-15和Pz46 是高溫壓電振動傳感器選用的典型牌號材料，除P-15外，其它材料均為鉍層狀結構Bi4Ti3O12改性的壓電陶瓷材料。產品技術現狀和應用情況如下：

 

1） K-12型高溫壓電陶瓷材料：為美國Piezo Technologies公司的產品，居裏溫度達到820℃，可在593℃長時工作，最高760℃短時工作
，高溫穩定性能優異。該材料已成功應用於丹麥B＆K公司482℃高溫壓電振動傳感器（8324、8347-C等），美國Endevco公司538℃高溫壓電振動傳感器（522M17，522M25等）。

 

2） K-15型高溫壓電陶瓷材料：為美國Piezo Technologies公司的產品，居裏溫度大於600℃
，全使用溫度範圍內均具有穩定的壓電活性。除擁有K-12的優異性能外，該材料壓電係數d33提高50%。K-15型高溫壓電陶瓷材料已成功應用於美國Endevco公司482℃高溫壓電振動傳感器（6233C-10 /50 /100等），丹麥B＆K公司482℃高溫壓電振動傳感器（8324等）。

 

3） P-14型高溫壓電陶瓷材料：為美國Endevco公司的產品
，電荷靈敏度高且具有超高居裏溫度點

，溫度範圍可達-50 ～ 540℃。用該材料製成的傳感器既可用來精確測量低振動量級的振動，又可在高低溫下不加冷卻或溫度補償進行精確測量，穩定性優異。P-14型高溫壓電陶瓷材料已批量化應用於美國Endevco公司482℃高溫壓電振動傳感器（6233C—10 /50 /100等）。

 

4） P-15型高溫壓電陶瓷材料：為美國Endevco公司的產品，為铌酸鋰係陶瓷材料，具有高電荷靈敏度且可用於極高溫度（Tc≈1188℃）
，目前用其已製造出全世界溫度最高的壓電振動傳感器，最高溫度可達760℃。美國Endevco公司6240M10等高溫壓電振動傳感器均使用該材料。

 

5） Pz46型高溫壓電陶瓷材料：為丹麥Ferroperm公司開發產品，居裏溫度大於600℃
，最高使用溫度可達550℃。其顯微結構致密
、晶粒大小均勻，同時其壓電性能和電阻率具有優異的溫度穩定性，已成功應用於美國Endevco公司482℃高溫壓電振動傳感器（2248，2276等）。

 

4.2 國內研究應用進展

 

在國內
，中國科學院上海矽酸鹽研究所
、四川大學、同濟大學、山shan東dong大da學xue等deng單dan位wei針zhen對dui高gao溫wen壓ya電dian振zhen動dong傳chuan感gan器qi用yong鉍bi層ceng狀zhuang結jie構gou壓ya電dian陶tao瓷ci材cai料liao也ye開kai展zhan了le係xi列lie化hua研yan究jiu
，取qu得de了le階jie段duan性xing成cheng果guo，並bing實shi現xian小xiao批pi量liang生sheng產chan。其qi中zhong，中zhong國guo科ke學xue院yuan上shang海hai矽gui酸suan鹽yan研yan製zhi的deCBT 材料是國內最早實現小批量應用的高溫壓電陶瓷材料，具有高居裏溫度和高壓電係數特點，長期使用溫度範圍-55 ～ 482℃、壓電係數d33≥18 pC/N。但與國外先進壓電陶瓷材料相比，在長時溫度穩定性、機載環境適應性等方麵尚存在一定差距，亟待進一步提高壓電陶瓷材料壓電性能
、電阻率
、高溫工作特性和溫度穩定性等性能，以滿足航空發動機健康管理係統振動測試發展需求。

 

表3為上述國內外典型高溫壓電陶瓷材料性能指標。

 

表3 國內外典型高溫壓電陶瓷材料主要性能指標

 

5 結束語

 

jinnianlai，suizhehangkongfadongjijiankangguanlixitongzhendongzhuangtaijianceriyishoudaozhongshi，gaowenyadianzhendongchuanganqixuqiuliangzhunianpansheng，gaowenyadiantaocicailiaodeyingyongfanweiyeyuelaiyueguang。gaowenyadianzhendongchuanganqijiyadiantaocicailiaozaihangkongfadongjijiqitagaowenzhendongjiancelingyubijiangyongyouguangkuodeshichangyingyongqianjing。raner，guoneiyadianzhendongchuanganqijitaocicailiaoyanzhishengchandanweiyingjiadayixiajifangmianyanjiu。

 

1） 加大可靠性研究
，解決製約高溫壓電傳感器性能的根本原因
，提升260℃和482℃係列傳感器可靠性和長時高溫工作性能
；

 

2） 開展高溫寬頻壓電振動傳感器（-55 ～ 482℃

，1 Hz ～12.8kHz）和650℃以上的超高溫壓電振動傳感器研發，突破振動傳感器技術瓶頸

；

 

3） 提升高溫壓電陶瓷材料長時工作穩定性、機載環境適應性，進一步提高壓電陶瓷材料壓電性能、電阻率

、高溫工作特性和溫度穩定性等性能
，滿足航空發動機健康管理係統振動測量發展需求；

 

4） 加強高校、科研院所及生產單位的產學研合作，盡快形成從壓電元件到傳感器研發、生產
、測試的完整產業鏈條
，加快國內振動傳感技術發展。

 

本文內容轉載自《傳感器與微係統》2020年第6期，版權歸《傳感器與微係統》編輯部所有。

 

作者：王wang天tian資zi

，周zhou誌zhi勇yong，李li偉wei，董dong顯xian林lin

，張zhang磊lei
，蘇su州zhou長chang風feng航hang空kong電dian子zi有you限xian公gong司si，中zhong國guo科ke學xue院yuan上shang海hai矽gui酸suan鹽yan研yan究jiu所suo
，高gao性xing能neng陶tao瓷ci和he超chao微wei結jie構gou國guo家jia重zhong點dian實shi驗yan室shi

 

 

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