高(gāo)溫壓電振動傳感器及陶瓷材料研究應用(yòng)進展

高(gāo)溫壓電振動傳感器及陶瓷材料研究應用(yòng)進展

蘇州長(cháng)風航空電子有限公司，中國科學院上海矽酸鹽研究所，高(gāo)性能陶瓷和(hé)超微結構國家重點實驗室

摘要：高(gāo)溫壓電振動傳感器是航空發動機健康管理(lǐ)系統振動狀态測量的(de)專用(yòng)特殊傳感器，高(gāo)溫壓電陶瓷材料是其關鍵核心敏感元件。與普通(tōng)傳感器相比，由于應用(yòng)環境複雜(zá)，對(duì)其在高(gāo)溫長(cháng)時(shí)服役的(de)可(kě)靠性與穩定性提出了(le)更高(gāo)要求。分(fēn)别綜述了(le)航空發動機用(yòng)高(gāo)溫壓電振動傳感器及其所用(yòng)敏感元件壓電陶瓷材料的(de)國内外研究應用(yòng)進展，并結合當前航空發動機振動測量需求對(duì)該特殊用(yòng)途壓電振動傳感器及壓電陶瓷材料的(de)前景進行展望，以期爲國内高(gāo)溫壓電振動傳感器及陶瓷材料的(de)研制指明(míng)方向。

關鍵詞：高(gāo)溫壓電振動傳感器；壓電陶瓷材料；航空發動機；研究進展

引言

測量專用(yòng)特殊傳感器，利用(yòng)壓電材料的(de)正壓電效應進行測量，具有自發電、使用(yòng)溫度高(gāo)、體積小、抗電磁幹擾能力強、壽命長(cháng)、可(kě)靠性高(gāo)等優點，對(duì)發動機健康評估、故障預測與診斷起到關鍵作用(yòng)。高(gāo)溫壓電陶瓷材料是其關鍵核心敏感元件，與慣性質量塊等形成組件，實現振動信号向電信号轉換，決定著(zhe)傳感器的(de)使用(yòng)性能。與普通(tōng)壓電振動傳感器相比，由于航空發動機工作環境惡劣且振動監測位置關鍵，傳感器除需具有較高(gāo)耐溫和(hé)抗振性能外，還(hái)應具備高(gāo)溫長(cháng)時(shí)工作的(de)可(kě)靠性與穩定性。同時(shí)，随著(zhe)近年來(lái)航空發動機推重比增加和(hé)健康監測全面化(huà)，對(duì)高(gāo)溫度和(hé)更寬頻(pín)響的(de)高(gāo)溫壓電振動傳感器和(hé)壓電元件需求更加迫切。

本文分(fēn)别綜述了(le)航空發動機用(yòng)高(gāo)溫壓電振動傳感器及其所用(yòng)敏感元件壓電陶瓷材料的(de)國内外研究應用(yòng)進展，并結合當前航空發動機振動測量需求對(duì)該特殊用(yòng)途壓電振動傳感器及壓電陶瓷材料的(de)前景進行展望，以期爲國内高(gāo)溫壓電振動傳感器及陶瓷材料的(de)研制指明(míng)方向。

1 高(gāo)溫壓電振動傳感器

高(gāo)溫壓電振動傳感器（又稱高(gāo)溫壓電加速度計），是用(yòng)高(gāo)溫壓電材料作爲敏感元件，利用(yòng)其正壓電效應将輸入的(de)振動加速度轉換爲電荷信号輸出實現測量。目前，根據裝配結構和(hé)工作原理(lǐ)不同，高(gāo)溫壓電振動傳感器主要有壓縮型和(hé)剪切型兩種。壓縮型傳感器結構堅固，可(kě)承受高(gāo)gn值沖擊，但由于壓電元件與底座緊密接觸，對(duì)底座彎曲（應變）較爲敏感，内部零件沿敏感軸的(de)熱(rè)脹冷(lěng)縮效應會影(yǐng)響傳感器信号的(de)輸出。與壓縮型結構相比，剪切型結構通(tōng)常具有更高(gāo)的(de)輸出、更小的(de)尺寸、更大(dà)的(de)帶寬和(hé)更低的(de)橫向輸出，同時(shí)由于不直接與壓電元件接觸，具有更低的(de)瞬變溫度靈敏度和(hé)更好的(de)溫度性能，但對(duì)于壓電元件的(de)固定存在一定困難。

圖1 高(gāo)溫壓電振動傳感器結構

2 高(gāo)溫壓電振動傳感器研究應用(yòng)進展

2.1 國外研究應用(yòng)進展

随著(zhe)航空機載振動測量技術的(de)發展，自20世紀50年代，國外就已開始進行高(gāo)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(yòng)，并逐步替代傳統的(de)磁電式振動傳感器。目前，國際上系列化(huà)高(gāo)溫壓電振動傳感器的(de)使用(yòng)溫度主要涵蓋260℃、482℃、538℃、649℃、760℃等不同系列。能夠生産出成熟高(gāo)溫壓電振動傳感器的(de)公司僅有幾家且大(dà)都集中在美(měi)國和(hé)西歐，如美(měi)國Endevco公司、美(měi)國PCB公司、瑞士Vibro-Meter公司和(hé)丹麥B＆K公司等，特别是美(měi)國Endevco公司，其生産的(de)航空發動機專用(yòng)高(gāo)溫壓電振動傳感器産品性能優異且能夠在高(gāo)溫下(xià)長(cháng)期穩定工作，已成爲航空發動機振動監控的(de)标準傳感器。下(xià)面介紹幾種典型型号傳感器：

1） 6233C型高(gāo)溫壓電振動傳感器：爲美(měi)國Endevco公司的(de)産品，用(yòng)于測量燃氣渦輪發動機的(de)振動情況，具有靈敏度高(gāo)、可(kě)在482℃高(gāo)溫下(xià)連續工作、平均時(shí)間長(cháng)等特點。傳感器采用(yòng)Endevco Piezite P-14型敏感元件和(hé)中心壓縮結構，保證了(le)高(gāo)輸出、的(de)溫度穩定性和(hé)寬頻(pín)響測試範圍（0.1 Hz ～ 5 kHz）。

2） 6237M70型高(gāo)溫壓電振動傳感器：爲美(měi)國Endevco公司的(de)産品，用(yòng)于飛(fēi)機燃氣渦輪機等超高(gāo)溫環境的(de)振動測量，傳感器可(kě)在650℃的(de)環境溫度下(xià)連續工作，頻(pín)率響應範圍1 Hz ～ 5 kHz，具有尺寸小、重量輕、平均時(shí)間長(cháng)等特點。傳感器采用(yòng)Endevco Piezite P-15型壓電敏感元件和(hé)剪切型結構，靈敏軸方向與安裝螺釘方向相同。

3） 6240M10型高(gāo)溫壓電振動傳感器：爲美(měi)國Endevco公司的(de)産品，可(kě)在650℃下(xià)連續工作，并間斷工作于760℃溫度下(xià)，頻(pín)響測試範圍5 Hz ～ 3 kHz。傳感器采用(yòng)壓電單晶和(hé)剪切型結構，尺寸小，測試精度高(gāo)，非常适合于飛(fēi)機燃氣渦輪機的(de)振動測量。

4） 357E90型高(gāo)溫壓電振動傳感器：爲美(měi)國PCB公司的(de)産品，用(yòng)于超高(gāo)溫度環境下(xià)飛(fēi)機發動機燃燒室附近振動監測，最高(gāo)工作溫度649℃，極限工作溫度760℃。傳感器采用(yòng)壓電單晶和(hé)剪切型結構，具有體積小、重量輕、工作環境溫度高(gāo)等優點。

5） CA134型高(gāo)溫壓電振動傳感器：爲瑞士Vibro-Meter公司的(de)産品，常用(yòng)于航空發動機惡劣高(gāo)溫環境下(xià)的(de)振動測量，傳感器采用(yòng)VC2型材料作爲敏感元件，工作穩定，具有耐高(gāo)溫、體積小、重量輕等特點。

6） CA135型高(gāo)溫壓電振動傳感器：爲瑞士Vibro-Meter公司的(de)産品，用(yòng)于航空發動機寬頻(pín)響範圍(5 Hz～ 12 kHz)振動狀态測量，傳感器采用(yòng)PZT基壓電陶瓷和(hé)剪切型結構，最高(gāo)使用(yòng)溫度260℃，靈敏度高(gāo)，穩定性好。

7） 8347—C型高(gāo)溫壓電振動傳感器：爲丹麥B＆K公司的(de)産品，采用(yòng)剪切型結構設計，可(kě)用(yòng)于航空發動機、工業燃氣輪機、核電站、變速箱等嚴苛工作環境的(de)振動測量。傳感器采用(yòng)加固的(de)兩針TNC 連接器，平衡差分(fēn)輸出連接，具有寬溫度(-196 ～ 482℃) 和(hé)頻(pín)響(1 Hz ～ 12.8kHz)測量範圍、可(kě)靠性與環境适應性高(gāo)等突出特點，是目前世界上一種可(kě)在482℃實現寬頻(pín)響測量的(de)壓電振動傳感器。

表1爲上述幾種典型高(gāo)溫壓電振動傳感器及性能指标。

表1 國外典型高(gāo)溫壓電振動傳感器性能指标

2.2 國内研究應用(yòng)進展

國内傳感器研制和(hé)生産單位目前已能夠生産出多(duō)種規格系列的(de)振動傳感器産品，但大(dà)多(duō)僅限于常溫測試使用(yòng)。對(duì)于高(gāo)溫壓電振動傳感器的(de)研究始于20世紀70年代，主要還(hái)是爲了(le)滿足航天技術發展的(de)需求。近年來(lái)，随著(zhe)國家對(duì)航空工業的(de)大(dà)力支持和(hé)航空發動機振動測量需求的(de)逐漸提高(gāo)，*工類生産單位如國營第一七一廠、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(le)高(gāo)溫壓電振動傳感器的(de)研制和(hé)生産工作，典型牌号有GGZ—9，GGZ—10，GGZ—25，GGZ—26，GGZ—34，GGZ—35等，部分(fēn)産品已實現應用(yòng)。然而，目前國内航空發動機用(yòng)高(gāo)溫壓電振動傳感器産品種類較爲單一，僅具備260℃和(hé)482℃兩種系列傳感器的(de)研制生産能力，部分(fēn)傳感器長(cháng)時(shí)使用(yòng)尚存在靈敏度漂移現象，可(kě)靠性、穩定性和(hé)長(cháng)時(shí)高(gāo)溫工作性能等方面與國外同類産品相比尚存在一定差距。對(duì)于高(gāo)溫寬頻(pín)壓電振動傳感器（-55 ～ 482℃，1 Hz ～12.8 kHz）和(hé)650℃以上的(de)超高(gāo)溫壓電振動傳感器尚未研發成功，諸多(duō)技術瓶頸尚未掌握。此外，與國外傳感器研制生産單位不同，國内傳感器研制生産單位尚未形成從壓電元件到傳感器的(de)完整鏈條，一定程度上影(yǐng)響了(le)傳感器研發周期。

3 高(gāo)溫壓電陶瓷材料

高(gāo)溫壓電陶瓷材料是高(gāo)居裏溫度、高(gāo)壓電系數、高(gāo)電阻率和(hé)低介電損耗，且能夠在較高(gāo)溫度下(xià)穩定使用(yòng)的(de)壓電陶瓷材料。作爲高(gāo)溫壓電振動傳感器的(de)核心敏感元件，高(gāo)溫壓電陶瓷材料在航空、航天、核能、冶金、石油化(huà)工、地質勘探等領域需求廣泛。根據晶體結構不同，高(gāo)溫壓電陶瓷材料主要包括鈣钛礦結構、鎢青銅結構、铋層狀結構和(hé)鈣钛礦層狀結構等4種。表2對(duì)比列出了(le)不同體系壓電材料與壓電振動傳感器應用(yòng)相關參數，其中使用(yòng)較爲廣泛的(de)是以PZT基爲代表的(de)鈣钛礦結構壓電陶瓷材料和(hé)铋層狀結構壓電陶瓷材料。

表2 不同體系壓電材料與傳感器應用(yòng)相關參數

PZT基壓電陶瓷材料居裏溫度Tc較低（300 ～ 400℃），但壓電系數d33大(dà)（300 ～ 700 pC/N），主要用(yòng)于200℃以下(xià)系列傳感器；铋層狀結構壓電陶瓷材料Tc較高(gāo)（500 ～ 940℃），但壓電系數d33偏低（約20 pC/N），可(kě)用(yòng)于400℃以上系列傳感器。針對(duì)更高(gāo)溫使用(yòng)環境，壓電晶體由于沒有高(gāo)溫相變，表現出高(gāo)電阻率和(hé)寬使用(yòng)溫度範圍，常用(yòng)于650℃及以上超高(gāo)溫壓電振動傳感器，但生産加工成本相對(duì)較高(gāo)，壓電系數也(yě)較低（＜ 10 pC/N）。綜合比較材料性能和(hé)當前傳感器實際需求，铋層狀結構壓電陶瓷材料是高(gāo)溫壓電振動傳感器核心敏感元件的(de)優選材料，也(yě)是482℃高(gāo)溫壓電振動傳感器的(de)通(tōng)用(yòng)材料和(hé)650℃超高(gāo)溫壓電振動傳感器的(de)候選材料，具有的(de)研發應用(yòng)潛力。Bi4Ti3O12、CaBi4Ti4O15、Bi3TiNbO9、CaBi2Nb2O9、SrBi4Ti4O15、SrBi2Nb2O9等均是可(kě)用(yòng)于傳感器的(de)铋層狀結構壓電材料。然而，铋層狀結構壓電陶瓷材料在研制生産中也(yě)存在一些技術難點：1）矯頑場(chǎng)強太高(gāo)、不利于極化(huà)，批量極化(huà)技術難度大(dà)；2）壓電活性較低，壓電系數較小，導緻傳感器件的(de)頻(pín)率響應範圍變窄；3）壓電響應的(de)溫度穩定性較差，導緻傳感器件的(de)長(cháng)期最高(gāo)使用(yòng)溫度大(dà)幅降低。铋層狀結構壓電陶瓷材料的(de)改性提升是當前壓電陶瓷材料研究的(de)主要方向。

4 高(gāo)溫壓電陶瓷材料研究應用(yòng)進展

4.1 國外研究應用(yòng)進展

目前，國外應用(yòng)于壓電振動傳感器的(de)陶瓷材料主要有美(měi)國PiezoTechnologies公司的(de)K-12，K-15，丹麥Ferroperm公司的(de)Pz46，美(měi)國TRSTechnologies公司的(de)BT200、日本FujiCeramics公司的(de)F-100等，傳感器研制生産商如Endevco公司、Vibro-Meter公司等也(yě)自主研發了(le)适用(yòng)于高(gāo)溫工作的(de)壓電陶瓷材料P-10，P-14，P-15，P-21等。其中，對(duì)應于高(gāo)溫振動測量需求，公開資料顯示：K-12，K-15，P-14，P-15和(hé)Pz46 是高(gāo)溫壓電振動傳感器選用(yòng)的(de)典型牌号材料，除P-15外，其它材料均爲铋層狀結構Bi4Ti3O12改性的(de)壓電陶瓷材料。産品技術現狀和(hé)應用(yòng)情況如下(xià)：

1） K-12型高(gāo)溫壓電陶瓷材料：爲美(měi)國Piezo Technologies公司的(de)産品，居裏溫度達到820℃，可(kě)在593℃長(cháng)時(shí)工作，最高(gāo)760℃短時(shí)工作，高(gāo)溫穩定性能優異。該材料已成功應用(yòng)于丹麥B＆K公司482℃高(gāo)溫壓電振動傳感器（8324、8347-C等），美(měi)國Endevco公司538℃高(gāo)溫壓電振動傳感器（522M17，522M25等）。

2） K-15型高(gāo)溫壓電陶瓷材料：爲美(měi)國Piezo Technologies公司的(de)産品，居裏溫度大(dà)于600℃，全使用(yòng)溫度範圍内均具有穩定的(de)壓電活性。除擁有K-12的(de)優異性能外，該材料壓電系數d33提高(gāo)50%。K-15型高(gāo)溫壓電陶瓷材料已成功應用(yòng)于美(měi)國Endevco公司482℃高(gāo)溫壓電振動傳感器（6233C-10 /50 /100等），丹麥B＆K公司482℃高(gāo)溫壓電振動傳感器（8324等）。

3） P-14型高(gāo)溫壓電陶瓷材料：爲美(měi)國Endevco公司的(de)産品，電荷靈敏度高(gāo)且具有超高(gāo)居裏溫度點，溫度範圍可(kě)達-50 ～ 540℃。用(yòng)該材料制成的(de)傳感器既可(kě)用(yòng)來(lái)精确測量低振動量級的(de)振動，又可(kě)在高(gāo)低溫下(xià)不加冷(lěng)卻或溫度補償進行精确測量，穩定性優異。P-14型高(gāo)溫壓電陶瓷材料已批量化(huà)應用(yòng)于美(měi)國Endevco公司482℃高(gāo)溫壓電振動傳感器（6233C—10 /50 /100等）。

4） P-15型高(gāo)溫壓電陶瓷材料：爲美(měi)國Endevco公司的(de)産品，爲铌酸锂系陶瓷材料，具有高(gāo)電荷靈敏度且可(kě)用(yòng)于溫度（Tc≈1188℃），目前用(yòng)其已制造出溫度*高(gāo)的(de)壓電振動傳感器，最高(gāo)溫度可(kě)達760℃。美(měi)國Endevco公司6240M10等高(gāo)溫壓電振動傳感器均使用(yòng)該材料。

5） Pz46型高(gāo)溫壓電陶瓷材料：爲丹麥Ferroperm公司開發産品，居裏溫度大(dà)于600℃，最高(gāo)使用(yòng)溫度可(kě)達550℃。其顯微結構緻密、晶粒大(dà)小均勻，同時(shí)其壓電性能和(hé)電阻率具有優異的(de)溫度穩定性，已成功應用(yòng)于美(měi)國Endevco公司482℃高(gāo)溫壓電振動傳感器（2248，2276等）。

4.2 國内研究應用(yòng)進展

在國内，中國科學院上海矽酸鹽研究所、四川大(dà)學、同濟大(dà)學、山東大(dà)學等單位針對(duì)高(gāo)溫壓電振動傳感器用(yòng)铋層狀結構壓電陶瓷材料也(yě)開展了(le)系列化(huà)研究，取得(de)了(le)階段性成果，并實現小批量生産。其中，中國科學院上海矽酸鹽研制的(de)CBT 材料是國内早期實現小批量應用(yòng)的(de)高(gāo)溫壓電陶瓷材料，具有高(gāo)居裏溫度和(hé)高(gāo)壓電系數特點，長(cháng)期使用(yòng)溫度範圍-55 ～ 482℃、壓電系數d33≥18 pC/N。但與壓電陶瓷材料相比，在長(cháng)時(shí)溫度穩定性、機載環境适應性等方面尚存在一定差距，亟待進一步提高(gāo)壓電陶瓷材料壓電性能、電阻率、高(gāo)溫工作特性和(hé)溫度穩定性等性能，以滿足航空發動機健康管理(lǐ)系統振動測試發展需求。

表3爲上述國内外典型高(gāo)溫壓電陶瓷材料性能指标。

表3 國内外典型高(gāo)溫壓電陶瓷材料主要性能指标

5 結束語

近年來(lái)，随著(zhe)航空發動機健康管理(lǐ)系統振動狀态監測日益受到重視，高(gāo)溫壓電振動傳感器需求量逐年攀升，高(gāo)溫壓電陶瓷材料的(de)應用(yòng)範圍也(yě)越來(lái)越廣。高(gāo)溫壓電振動傳感器及壓電陶瓷材料在航空發動機及其他(tā)高(gāo)溫振動監測領域必将擁有廣闊的(de)市場(chǎng)應用(yòng)前景。然而，國内壓電振動傳感器及陶瓷材料研制生産單位應加大(dà)以下(xià)幾方面研究。

1） 加大(dà)可(kě)靠性研究，解決制約高(gāo)溫壓電傳感器性能的(de)根本原因，提升260℃和(hé)482℃系列傳感器可(kě)靠性和(hé)長(cháng)時(shí)高(gāo)溫工作性能；

2） 開展高(gāo)溫寬頻(pín)壓電振動傳感器（-55 ～ 482℃，1 Hz ～12.8kHz）和(hé)650℃以上的(de)超高(gāo)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(gāo)溫壓電陶瓷材料長(cháng)時(shí)工作穩定性、機載環境适應性，進一步提高(gāo)壓電陶瓷材料壓電性能、電阻率、高(gāo)溫工作特性和(hé)溫度穩定性等性能，滿足航空發動機健康管理(lǐ)系統振動測量發展需求；

4） 加強高(gāo)校、科研院所及生産單位的(de)産學研合作，盡快(kuài)形成從壓電元件到傳感器研發、生産、測試的(de)完整産業鏈條，加快(kuài)國内振動傳感技術發展。

以下(xià)是我們單位爲國内關于高(gāo)溫壓電測試系統的(de)相關資料和(hé)技術參數

一、用(yòng)途概述：

 GDPT-900A型變溫壓電d33測量系統是我院研制的(de)即可(kě)低溫測試D33系數，又可(kě)以高(gāo)溫測試D33系數。主要是針對(duì)高(gāo)低溫壓電陶瓷材料和(hé)薄膜材料的(de)測試。

二、主要應用(yòng)領域：無損檢測超聲檢測，醫療超聲檢測，航空航天，石油天然器，汽車物(wù)聯網，工業，消費者程序等。

二、主要技術參數：

1、d33測量範圍：1PC/N-6000PC/N(1.5PC-30000PC)

2、力顯示：0.01-4N

3、電源：電壓220V

4、溫度範圍：溫度-100℃至+500℃

5、溫控精度：溫度顯示精度0.01℃，溫度控制精度±0.1℃，溫度漂移優于±0.1℃内，超調≤0.1℃。

6、升溫斜率：0.00至5.00℃/min，典型值2.00℃/min。

7、間隔保溫：0.10至50.00℃/點，保溫5分(fēn)鐘(zhōng)即可(kě)達到溫度最佳穩定狀态。

8、樣品夾具：夾持雙面電極樣品，直徑小于30mm，厚度小于5mm。

9、測量環境：低溫、高(gāo)溫、空氣等。

10、電極材料：耐高(gāo)溫電極。

11、制冷(lěng)方式：液氮控制系統

12、顯示：液晶顯示

13、采集方式：USB2.0高(gāo)速數據

14、總重量: 15kg左右。

15、軟件：專用(yòng)軟件自動測試溫度與壓電系數的(de)關系變化(huà)