一种高温压电式振动传感器及提高其稳定性的方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种高温压电式振动传感器及提高其稳定性的方法。

背景技术

高温压电式振动传感器又称高温压电加速度计，是用高温压电材料作为敏感元件，利用压电效应，将输入的振动加速度信号转换为电荷信号输出实现测量，具有自发电、使用温度高、体积小、抗电磁干扰能力强、寿命长、可靠性高等优点，是航空发动机振动测量用传感器的首选，具有不可替代性。目前，国内航空发动机用高温压电式振动传感器使用较多的是采用PZT基压电陶瓷作为敏感元件的260℃高温压电式振动传感器，传感器输出方式为电荷信号输出。然而，其在使用过程中随着温度升高，传感器的电荷灵敏度均出现随温度升高而升高的现象，特别是当工作温度超过180℃时，传感器的电荷灵敏度往往会超过室温电荷灵敏度的20％以上，从而影响传感器振动测量精度，无法真实反应航空发动机高温振动特性。行业内研究学者通过适当的信号调理电路可以进行适当的信号补偿，但受制于电子元器件工作温度(一般最高不超过125℃)，无法在此类传感器中实现；通过陶瓷材料掺杂改性、优化加工生产工艺等方法也可一定程度上对材料压电性能和稳定性有一定改善，但受材料固有特性(如通常压电陶瓷可稳定工作温度一般在其居里温度的1/2，PZT基压电陶瓷的居里温度通常在350℃)限制，温度稳定性方面改善能力有限，仍无法获得满意的效果。

因此，需提供一种温度稳定的高温压电式振动传感器。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于针对航空发动机用260℃高温压电式振动传感器高温温度稳定性较差问题通过传感器结构设计、零件材料选用、增加补偿片、采用适当老化工艺等方法提高高温压电式振动传感器温度稳定性，进而提高传感器高温环境下的测量精度。

本发明提供了一种高温压电式振动传感器，所述振动传感器为平面剪切结构传感器，所述平面剪切结构的底座中心向两侧对称装配有绝缘片、接线片、压电陶瓷元件、接线片、压电陶瓷元件、补偿片、接线片、绝缘片和质量块，其中，补偿片和临近补偿片的压电陶瓷元件采用串联方式连接。

本发明所提供的高温压电式振动传感器，还具有这样的特征，所述压电陶瓷元件通过螺杆固定在底座上，所述螺杆的弹性模量E≥85GPa，弹性模量的温度变化率＜20％。

本发明所提供的高温压电式振动传感器，还具有这样的特征，所述补偿片的电容变化率与所述压电陶瓷元件的电容温度变化趋势相反。

本发明所提供的高温压电式振动传感器，还具有这样的特征，所述补偿片包括BaTiO

本发明所提供的高温压电式振动传感器，还具有这样的特征，所述BaTiO

本发明所提供的高温压电式振动传感器，还具有这样的特征，所述补偿片的长度和宽度与所述压电陶瓷元件长度和宽度相同，厚度为压电陶瓷元件厚度的1/3-1/2。

本发明所提供的高温压电式振动传感器，还具有这样的特征，所述补偿片双面喷涂与所述压电陶瓷元件相同成分的电极材料。

本发明所提供的高温压电式振动传感器，还具有这样的特征，所述振动传感器进行了老化处理，所述老化处理包括温度老化和振动老化相结合的方式。

本发明所提供的高温压电式振动传感器，还具有这样的特征，所述温度老化为在280-300℃下，老化时间h≥12h；振动老化为沿X/Y/Z轴分别进行4-6h的振动量级为2g的振动老化。

本发明的另一目的在于，提供一种提高高温压电式振动传感器温度稳定性的方法，所述方法为制备如上述任一项所述的振动传感器，包括如下步骤：

选用平面剪切型压电式振动传感器；

在平面剪切结构中底座两侧靠近压电片外侧设置补偿片；

对压电式振动传感器进行温度老化和振动老化结合的老化处理。

有益效果

本发明所提供的高温压电式振动传感器，采用平面剪切结构，减弱了中心压缩结构对底座应变敏感性和环形剪切及三角剪切结构装配复杂成本较高等问题，降低了传感器对温度灵敏度的影响。

本发明材料选用时在原有平面剪切结构基础上更换螺杆材料，补偿片增加在平面剪切结构中底座两侧靠近压电片外侧，且补偿片较薄，对传感器整体结构改变不大，不需要过多颠覆性更改，节约成本。

本发明采用的补偿片为BaTiO

本发明提出采用温度-振动复合老化方式提高传感器的温度稳定性，特别是提出振动老化方式，有效保证了传感器的服役稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的高温压电式振动传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的振动传感器与现有传感器灵敏度变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供了一种高温压电式振动传感器，所述振动传感器为平面剪切结构，所述平面剪切结构的底座中心向两侧对称装配有绝缘片3、接线片5、压电陶瓷元件4、接线片5、压电陶瓷元件4、补偿片6、接线片5、绝缘片3和质量块2，其中，补偿片6和临近补偿片6的压电陶瓷元件4采用串联方式连接。压电陶瓷元件4选择PZT基压电陶瓷材料。

在上述实施例中，为了提高高温压电式振动传感器温度稳定性，精细化设计传感器结构，选择瞬变温度灵敏度交底的平面剪切结构，在保证工作温度的前提下，沿敏感轴方向的热胀冷缩效应尽可能小，并应尽可能保证传感器内部敏感元件PZT基压电陶瓷在工作温度范围内相对振动幅值条件下受力程度相当。补偿片与压电陶瓷采用串联方式连接，以补偿传感器的电容。

在部分实施例中，所述压电陶瓷元件4通过螺杆1固定在底座上，所述螺杆1的弹性模量E≥85GPa，弹性模量的温度变化率＜20％。螺杆选择的为刚度较高且温度适应性较好的钛合金，上述弹性模量E≥85GPa为在室温-工作温度范围内的弹性模量，弹性模量温度变化率＜20％则与PZT基陶瓷材料匹配性相对较好，可使用TC4钛合金，其余零件如底座、接线片等选用强度和耐温较高的高温合金，即最高工作温度抗拉强度α≥650Mpa且工作温度≥600℃的高温合金，如GH600。

在部分实施例中，补偿片6的电容变化率与所述压电陶瓷元件的电容温度变化趋势相反。补偿片6包括BaTiO

在上述实施例中，补偿片6选用BaTiO

在部分实施例中，所述振动传感器进行了老化处理，所述老化处理包括温度老化和振动老化相结合的方式。所述温度老化为在300℃下，老化时间h＝12h；振动老化为沿X/Y/Z轴分别进行4h的振动量级为2g的振动老化。可采用温度-振动复合振动台进行，也可分别单独进行。

本发明所提供的提高高温压电式传感器温度稳定性的方法，包括精细化设计传感器结构并选用合适零件材料，对传感器进行适当方式的高温补偿和对传感器进行适当工艺的老化处理。进而提高传感器高温环境下的测量精度。如图2所示，为上述实施例所获得的传感器和现有技术获得的传感器的灵敏度变化趋势图，由图可以看出，现有技术中的传感器灵敏度在低于0℃和高于150℃灵敏度偏差均变化较大，而采用本技术方案获得的传感器在低温和高温灵敏度偏差较小，传感器温度稳定性得到了有效改善。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。