【導(dǎo)讀】高溫壓電振動(dòng)傳感器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)測量的專用特殊傳感器，高溫壓電陶瓷材料是其關(guān)鍵核心敏感元件。與普通傳感器相比，由于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，對其在高溫長時(shí)服役的可靠性與穩(wěn)定性提出了更高要求。分別綜述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫壓電振動(dòng)傳感器及其所用敏感元件壓電陶瓷材料的國內(nèi)外研究應(yīng)用進(jìn)展，并結(jié)合當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測量需求對該特殊用途壓電振動(dòng)傳感器及壓電陶瓷材料的前景進(jìn)行展望，以期為國內(nèi)高溫壓電振動(dòng)傳感器及陶瓷材料的研制指明方向。
0 引言
測量專用特殊傳感器，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)進(jìn)行測量，具有自發(fā)電、使用溫度高、體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對發(fā)動(dòng)機(jī)健康評估、故障預(yù)測與診斷起到關(guān)鍵作用。高溫壓電陶瓷材料是其關(guān)鍵核心敏感元件，與慣性質(zhì)量塊等形成組件，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)向電信號(hào)轉(zhuǎn)換，決定著傳感器的使用性能。與普通壓電振動(dòng)傳感器相比，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境惡劣且振動(dòng)監(jiān)測位置關(guān)鍵，傳感器除需具有較高耐溫和抗振性能外，還應(yīng)具備高溫長時(shí)工作的可靠性與穩(wěn)定性。同時(shí)，隨著近年來航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比增加和健康監(jiān)測全面化，對高溫度和更寬頻響的高溫壓電振動(dòng)傳感器和壓電元件需求更加迫切。
本文分別綜述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫壓電振動(dòng)傳感器及其所用敏感元件壓電陶瓷材料的國內(nèi)外研究應(yīng)用進(jìn)展，并結(jié)合當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測量需求對該特殊用途壓電振動(dòng)傳感器及壓電陶瓷材料的前景進(jìn)行展望，以期為國內(nèi)高溫壓電振動(dòng)傳感器及陶瓷材料的研制指明方向。
1 高溫壓電振動(dòng)傳感器
高溫壓電振動(dòng)傳感器（又稱高溫壓電加速度計(jì)），是用高溫壓電材料作為敏感元件，利用其正壓電效應(yīng)將輸入的振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)測量。目前，根據(jù)裝配結(jié)構(gòu)和工作原理不同，高溫壓電振動(dòng)傳感器主要有壓縮型和剪切型兩種。壓縮型傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可承受高gn值沖擊，但由于壓電元件與底座緊密接觸，對底座彎曲（應(yīng)變）較為敏感，內(nèi)部零件沿敏感軸的熱脹冷縮效應(yīng)會(huì)影響傳感器信號(hào)的輸出。與壓縮型結(jié)構(gòu)相比，剪切型結(jié)構(gòu)通常具有更高的輸出、更小的尺寸、更大的帶寬和更低的橫向輸出，同時(shí)由于不直接與壓電元件接觸，具有更低的瞬變溫度靈敏度和更好的溫度性能，但對于壓電元件的固定存在一定困難。
圖1 高溫壓電振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)
2 高溫壓電振動(dòng)傳感器研究應(yīng)用進(jìn)展
2.1 國外研究應(yīng)用進(jìn)展
隨著航空機(jī)載振動(dòng)測量技術(shù)的發(fā)展，自20世紀(jì)50年代，國外就已開始進(jìn)行高溫壓電振動(dòng)傳感器研究。20世紀(jì)90年代后期，壓電振動(dòng)傳感器逐漸在航空發(fā)動(dòng)機(jī)（如CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)）上普遍使用，并逐步替代傳統(tǒng)的磁電式振動(dòng)傳感器。目前，國際上系列化高溫壓電振動(dòng)傳感器的使用溫度主要涵蓋260℃、482℃、538℃、649℃、760℃等不同系列。能夠生產(chǎn)出成熟高溫壓電振動(dòng)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Endevco公司，其生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)專用高溫壓電振動(dòng)傳感器產(chǎn)品性能優(yōu)異且能夠在高溫下長期穩(wěn)定工作，已成為全世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)傳感器。下面介紹幾種典型型號(hào)傳感器：
1） 6233C型高溫壓電振動(dòng)傳感器：為美國Endevco公司的產(chǎn)品，用于測量燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)情況，具有靈敏度高、可在482℃高溫下連續(xù)工作、平均無故障時(shí)間長等特點(diǎn)。傳感器采用Endevco Piezite P-14型敏感元件和中心壓縮結(jié)構(gòu)，保證了高輸出、極佳的溫度穩(wěn)定性和寬頻響測試范圍（0.1 Hz ～ 5 kHz）。
2） 6237M70型高溫壓電振動(dòng)傳感器：為美國Endevco公司的產(chǎn)品，用于飛機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)等超高溫環(huán)境的振動(dòng)測量，傳感器可在650℃的環(huán)境溫度下連續(xù)工作，頻率響應(yīng)范圍1 Hz ～ 5 kHz，具有尺寸小、重量輕、平均無故障時(shí)間長等特點(diǎn)。傳感器采用Endevco Piezite P-15型壓電敏感元件和剪切型結(jié)構(gòu)，靈敏軸方向與安裝螺釘方向相同。
3） 6240M10型高溫壓電振動(dòng)傳感器：為美國Endevco公司的產(chǎn)品，可在650℃下連續(xù)工作，并間斷工作于760℃溫度下，頻響測試范圍5 Hz ～ 3 kHz。傳感器采用壓電單晶和剪切型結(jié)構(gòu)，尺寸小，測試精度高，非常適合于飛機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)的振動(dòng)測量。
4） 357E90型高溫壓電振動(dòng)傳感器：為美國PCB公司的產(chǎn)品，用于超高溫度環(huán)境下飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室附近振動(dòng)監(jiān)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(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、工作環(huán)境溫度高等優(yōu)點(diǎn)。
5） CA134型高溫壓電振動(dòng)傳感器：為瑞士Vibro-Meter公司的產(chǎn)品，常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣高溫環(huán)境下的振動(dòng)測量，傳感器采用VC2型材料作為敏感元件，工作穩(wěn)定，具有耐高溫、體積小、重量輕等特點(diǎn)。
6） CA135型高溫壓電振動(dòng)傳感器：為瑞士Vibro-Meter公司的產(chǎn)品，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)寬頻響范圍(5 Hz～ 12 kHz)振動(dòng)狀態(tài)測量，傳感器采用PZT基壓電陶瓷和剪切型結(jié)構(gòu)，最高使用溫度260℃，靈敏度高，穩(wěn)定性好。
7） 8347—C型高溫壓電振動(dòng)傳感器：為丹麥B＆K公司的產(chǎn)品，采用剪切型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、核電站、變速箱等嚴(yán)苛工作環(huán)境的振動(dòng)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)測量范圍、可靠性與環(huán)境適應(yīng)性高等突出特點(diǎn)，是目前世界上唯一一種可在482℃實(shí)現(xiàn)寬頻響測量的壓電振動(dòng)傳感器。
表1為上述幾種典型高溫壓電振動(dòng)傳感器及性能指標(biāo)。
表1 國外典型高溫壓電振動(dòng)傳感器性能指標(biāo)
2.2 國內(nèi)研究應(yīng)用進(jìn)展
國內(nèi)傳感器研制和生產(chǎn)單位目前已能夠生產(chǎn)出多種規(guī)格系列的振動(dòng)傳感器產(chǎn)品，但大多僅限于常溫測試使用。對于高溫壓電振動(dòng)傳感器的研究始于20世紀(jì)70年代，主要還是為了滿足航天技術(shù)發(fā)展的需求。近年來，隨著國家對航空工業(yè)的大力支持和航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測量需求的逐漸提高，軍工類生產(chǎn)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(yè)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(dòng)傳感器的研制和生產(chǎn)工作，典型牌號(hào)有GGZ—9，GGZ—10，GGZ—25，GGZ—26，GGZ—34，GGZ—35等，部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。然而，目前國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫壓電振動(dòng)傳感器產(chǎn)品種類較為單一，僅具備260℃和482℃兩種系列傳感器的研制生產(chǎn)能力，部分傳感器長時(shí)使用尚存在靈敏度漂移現(xiàn)象，可靠性、穩(wěn)定性和長時(shí)高溫工作性能等方面與國外同類產(chǎn)品相比尚存在一定差距。對于高溫寬頻壓電振動(dòng)傳感器（-55 ～ 482℃，1 Hz ～12.8 kHz）和650℃以上的超高溫壓電振動(dòng)傳感器尚未研發(fā)成功，諸多技術(shù)瓶頸尚未掌握。此外，與國外傳感器研制生產(chǎn)單位不同，國內(nèi)傳感器研制生產(chǎn)單位尚未形成從壓電元件到傳感器的完整鏈條，一定程度上影響了傳感器研發(fā)周期。
3 高溫壓電陶瓷材料
高溫壓電陶瓷材料是高居里溫度、高壓電系數(shù)、高電阻率和低介電損耗，且能夠在較高溫度下穩(wěn)定使用的壓電陶瓷材料。作為高溫壓電振動(dòng)傳感器的核心敏感元件，高溫壓電陶瓷材料在航空、航天、核能、冶金、石油化工、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域需求廣泛。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)不同，高溫壓電陶瓷材料主要包括鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)、鉍層狀結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)等4種。表2對比列出了不同體系壓電材料與壓電振動(dòng)傳感器應(yīng)用相關(guān)參數(shù)，其中使用較為廣泛的是以PZT基為代表的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料和鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料。
表2 不同體系壓電材料與傳感器應(yīng)用相關(guān)參數(shù)
PZT基壓電陶瓷材料居里溫度Tc較低（300 ～ 400℃），但壓電系數(shù)d33大（300 ～ 700 pC/N），主要用于200℃以下系列傳感器；鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料Tc較高（500 ～ 940℃），但壓電系數(shù)d33偏低（約20 pC/N），可用于400℃以上系列傳感器。針對更高溫使用環(huán)境，壓電晶體由于沒有高溫相變，表現(xiàn)出高電阻率和寬使用溫度范圍，常用于650℃及以上超高溫壓電振動(dòng)傳感器，但生產(chǎn)加工成本相對較高，壓電系數(shù)也較低（＜ 10 pC/N）。綜合比較材料性能和當(dāng)前傳感器實(shí)際需求，鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料是高溫壓電振動(dòng)傳感器核心敏感元件的優(yōu)選材料，也是482℃高溫壓電振動(dòng)傳感器的通用材料和650℃超高溫壓電振動(dòng)傳感器的候選材料，具有極高的研發(fā)應(yīng)用潛力。Bi4Ti3O12、CaBi4Ti4O15、Bi3TiNbO9、CaBi2Nb2O9、SrBi4Ti4O15、SrBi2Nb2O9等均是可用于傳感器的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料。然而，鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料在研制生產(chǎn)中也存在一些技術(shù)難點(diǎn)：1）矯頑場強(qiáng)太高、不利于極化，批量極化技術(shù)難度大；2）壓電活性較低，壓電系數(shù)較小，導(dǎo)致傳感器件的頻率響應(yīng)范圍變窄；3）壓電響應(yīng)的溫度穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致傳感器件的長期最高使用溫度大幅降低。鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料的改性提升是當(dāng)前壓電陶瓷材料研究的主要方向。
4 高溫壓電陶瓷材料研究應(yīng)用進(jìn)展
4.1 國外研究應(yīng)用進(jìn)展
目前，國外應(yīng)用于壓電振動(dòng)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，傳感器研制生產(chǎn)商如Endevco公司、Vibro-Meter公司等也自主研發(fā)了適用于高溫工作的壓電陶瓷材料P-10，P-14，P-15，P-21等。其中，對應(yīng)于高溫振動(dòng)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(dòng)傳感器選用的典型牌號(hào)材料，除P-15外，其它材料均為鉍層狀結(jié)構(gòu)Bi4Ti3O12改性的壓電陶瓷材料。產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)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(chǎn)品，居里溫度達(dá)到820℃，可在593℃長時(shí)工作，最高760℃短時(shí)工作，高溫穩(wěn)定性能優(yōu)異。該材料已成功應(yīng)用于丹麥B＆K公司482℃高溫壓電振動(dòng)傳感器（8324、8347-C等），美國Endevco公司538℃高溫壓電振動(dòng)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(chǎn)品，居里溫度大于600℃，全使用溫度范圍內(nèi)均具有穩(wěn)定的壓電活性。除擁有K-12的優(yōu)異性能外，該材料壓電系數(shù)d33提高50%。K-15型高溫壓電陶瓷材料已成功應(yīng)用于美國Endevco公司482℃高溫壓電振動(dòng)傳感器（6233C-10 /50 /100等），丹麥B＆K公司482℃高溫壓電振動(dòng)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(chǎn)品，電荷靈敏度高且具有超高居里溫度點(diǎn)，溫度范圍可達(dá)-50 ～ 540℃。用該材料制成的傳感器既可用來精確測量低振動(dòng)量級(jí)的振動(dòng)，又可在高低溫下不加冷卻或溫度補(bǔ)償進(jìn)行精確測量，穩(wěn)定性優(yōu)異。P-14型高溫壓電陶瓷材料已批量化應(yīng)用于美國Endevco公司482℃高溫壓電振動(dòng)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(chǎn)品，為鈮酸鋰系陶瓷材料，具有高電荷靈敏度且可用于極高溫度（Tc≈1188℃），目前用其已制造出全世界溫度最高的壓電振動(dòng)傳感器，最高溫度可達(dá)760℃。美國Endevco公司6240M10等高溫壓電振動(dòng)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(fā)產(chǎn)品，居里溫度大于600℃，最高使用溫度可達(dá)550℃。其顯微結(jié)構(gòu)致密、晶粒大小均勻，同時(shí)其壓電性能和電阻率具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，已成功應(yīng)用于美國Endevco公司482℃高溫壓電振動(dòng)傳感器（2248，2276等）。
4.2 國內(nèi)研究應(yīng)用進(jìn)展
在國內(nèi)，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、四川大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、山東大學(xué)等單位針對高溫壓電振動(dòng)傳感器用鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料也開展了系列化研究，取得了階段性成果，并實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。其中，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研制的CBT 材料是國內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)小批量應(yīng)用的高溫壓電陶瓷材料，具有高居里溫度和高壓電系數(shù)特點(diǎn)，長期使用溫度范圍-55 ～ 482℃、壓電系數(shù)d33≥18 pC/N。但與國外先進(jìn)壓電陶瓷材料相比，在長時(shí)溫度穩(wěn)定性、機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性等方面尚存在一定差距，亟待進(jìn)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(wěn)定性等性能，以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)振動(dòng)測試發(fā)展需求。
表3為上述國內(nèi)外典型高溫壓電陶瓷材料性能指標(biāo)。
表3 國內(nèi)外典型高溫壓電陶瓷材料主要性能指標(biāo)
5 結(jié)束語
近年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測日益受到重視，高溫壓電振動(dòng)傳感器需求量逐年攀升，高溫壓電陶瓷材料的應(yīng)用范圍也越來越廣。高溫壓電振動(dòng)傳感器及壓電陶瓷材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其他高溫振動(dòng)監(jiān)測領(lǐng)域必將擁有廣闊的市場應(yīng)用前景。然而，國內(nèi)壓電振動(dòng)傳感器及陶瓷材料研制生產(chǎn)單位應(yīng)加大以下幾方面研究。
1） 加大可靠性研究，解決制約高溫壓電傳感器性能的根本原因，提升260℃和482℃系列傳感器可靠性和長時(shí)高溫工作性能；
2） 開展高溫寬頻壓電振動(dòng)傳感器（-55 ～ 482℃，1 Hz ～12.8kHz）和650℃以上的超高溫壓電振動(dòng)傳感器研發(fā)，突破振動(dòng)傳感器技術(shù)瓶頸；
3） 提升高溫壓電陶瓷材料長時(shí)工作穩(wěn)定性、機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)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(wěn)定性等性能，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理系統(tǒng)振動(dòng)測量發(fā)展需求；
4） 加強(qiáng)高校、科研院所及生產(chǎn)單位的產(chǎn)學(xué)研合作，盡快形成從壓電元件到傳感器研發(fā)、生產(chǎn)、測試的完整產(chǎn)業(yè)鏈條，加快國內(nèi)振動(dòng)傳感技術(shù)發(fā)展。
本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《傳感器與微系統(tǒng)》2020年第6期，版權(quán)歸《傳感器與微系統(tǒng)》編輯部所有。
作者：王天資，周志勇，李偉，董顯林，張磊，蘇州長風(fēng)航空電子有限公司，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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