铋层状与铌酸锂复合压电传感器温度特性研究

1、铋层状与铌酸锂复合压电传感器温度特性研究聂泳忠1 ， 颜黄苹2 ， 黄元庆3*（厦门大学物理与机电工程学院，福建 厦门 361005）摘要：铋层状结构铁电体具有良好的机械性能和较高的居里温度Tc,因而被广泛用作高温传感器的敏感器件。高温压电传感器在核能、燃气轮机、航空、舰船发动机以及需要测量高温振动和压力的场合有着极大需求，但目前国内外用于这些领域的基于铋层状的压电传感器高温灵敏度与常温时比较，漂移率达到10%-20%，无法满足满温度范围内（-50-450）传感器灵敏度温漂移率5%的要求。因此，本文研究了一种铋层状-铌酸锂新型结构复合压电传感器件，进行了传感器温度特性理论分析、建立了相应数学模

2、型，并进行实验验证研究。实验测试结果表明，这种新型复合式压电陶瓷传感器满温度量程温漂小于3%，具有极为优异的温度特性，无需采用软件修正测量偏差，满足法规DO160要求，可直接用于高温环境的温度精密测量，其应用前景极其广泛。关键词：高温压电传感器；温度漂移；温度补偿；Bi4Ti3O12；LiNbO3中图分类号：TP212.12 文献标识码：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 言导致航空飞行器事故的部件失效种类非常多，但是从故障发生的频度和烈度分析，飞机引擎故障对飞行安全最致命。据统计,发动机70%以上的机械故障可以通过振动形式表现出来1。作为典型高速旋转机械设备，航空发动机的振动信号（如振动信号的频率、振幅、相位等）可直接反映其当前的工作状态2。因此可以通过监测发动机工作状态的高低转子振动模态变化，

9、分析发动机内部旋转机械部件的状态；利用测得的振动信号分析发动机转子的动平衡状态，进而推测、判断出发动机的内部一些组件的工作状况3。此方法的最大优点是通过各种振动的特征谱线提取、分析，非常容易获取某些潜在的故障信息，实现预警,从而降低设备的二次损伤和破坏4。然而发动机容易出问题的部分主要是工况比较恶劣的区域，如发动机高压涡轮或者高压压气机部分的结构件、轴承部件。美军军用和商用发动机曾因轴承失效导致空中停车，引发非计划内更换发动机。特别是高速滚动轴承占到了轴承故障失效原因的90%5。目前，国内外正在致力于解决如何避免发动机发生突发性故障的技术瓶颈，而高稳定性高温振动传感器的研究则是其中一个主要研究

10、热点。由于铋层状压电陶瓷是一种铁电材料，具有光电效应，非线性光学效应，反常光生伏打效应，光折变效应等特性，现在已被广泛应用于传感器件及执行器件上6。目前用单纯Bi4Ti3O12铋层状压电陶瓷材料制作的高温传感器温度漂移率偏高，如欧美国家产的高温振动传感器的灵敏度-温度响应漂移约为10%。本文研制了一种铋层状-铌酸锂新型结构复合压电高温振动传感器，具有温度漂移率小于3%、性能高稳定的特点，可用于发动机实时在线健康监测。2 新型高温压电陶瓷的结构2.1 传统的铋层状压电陶瓷的结构及温度灵敏度特性由于铋层状压电陶瓷居里温度可以达到800以上， 国内外用于监测发动机的高温振动传感器多采用单纯铋层状压电

11、陶瓷材料，欧美国家这类传感器灵敏度-温度响应漂移高达10%。图178是国际顶级传感器公司的美国Endevco和PCB公司高温振动传感器的灵敏度-温度响应参数，图a、图b分别为美国PCB和Endevco高温压电传感器灵敏度-温度响应曲线。图中曲线可以看出只有PCB漂移接近10%，而Endevco的产品已经超过了10%。然而新一代发动机健康监测的传感器灵敏度-温度漂移要求小于5%。（a） (b)图1 美国PCB和Endevco高温压电传感器灵敏度-温度曲线Fig.1 Sensitivity deviation-temperature USA PCB and Endevco high tempera

12、ture PE sensor 铋层状压电陶瓷材料压电系数d33随着温度的升高减小，从而导致压电传感器的灵敏度-温度响应的带宽很很窄。图2是采用Bi4Ti3O12+xmol%Nb2O5+ywt%CeO2(0.00x6.50,0.00y1.00)层状压电陶瓷研制的无温度补偿的高温压电传感器结构示意图与实物图，其相应的灵敏度漂移温度关系和典型曲线如图3所示。（a）示意图 （b）实物图（a）Schematic diagram （b）Real product photo图2 振动传感器子组件结构示意图和实物图Fig.2 Schematic diagram and real product photo o

13、f vibration sensor sub-component图3 无补偿的高温压电传感器灵敏度温度特性曲线图Fig.3 Sensitivity- temperature characteristic curve of uncompensated high temperature PE sensor从图3灵敏度温度漂移率曲线可知，在没有补偿的情况下，温度为480时，传感器灵敏度漂移已超过43.92%。由此可见，无温度补偿时，这型高温压电传感器无法达到欧美顶级水平10%，更无法达到新一代发动机提出的5%的要求。2.2新型高温压电陶瓷传感器研究针对现有铋层状压电材料的压电系数d33随着温度升高而

14、衰减所导致高温压电传感器灵敏度-温度响应高漂移率问题，同时考虑了用于发动机实时在线监测传感器必须满足法规DO160规定：不得采用软件修正方法对温漂进行补偿，本研制的改进型某国产型号高温压电传感器采用一种全新的复合式结构芯片。本高温压电传感器采用 Bi4Ti3O12+xmol%Nb2O5+ywt%CeO2(0.00x6.50,0.00y1.00)层状压电陶瓷材料作为基体、LiNbO3材料为温度补偿层。鉴于传感器工作在高达480的高温区，子组件采用正端压缩的结构型式，如图4所示。同时子组件中的金属件均采用Inconel718材料，以确保传感器的结构刚度在高温下弹性模量仍处于线性范围。 图4 LiN

15、bO3为补偿层的子组件实物图Fig.4 Sub-component after LiNbO3compensation 选择LiNbO3(铌酸锂)材料作为补偿材料层，是由于LiNbO3的d33值随温度升高而逐渐升高， d33的温度特性与铋层状压电陶瓷的特性趋势相反，其灵敏度对应温度的特性曲线是呈正增的函数，如图5所示。 图5 LiNbO3灵敏度温度关系特性曲线Fig.5 LiNbO3 sensitivity- temperature characteristic curve2.3 灵敏度温度补偿补偿机理根据压电效应方程，正端压缩式压电加速度传感器灵敏度可表示为: (1)其中S为压电加速度传感器电

16、荷灵敏度，单位为皮库每个重力加速度（pc/g），d33为压电系数（pc/N，皮库每牛），n为压电陶瓷片数量，m为质量块质量。这个方程描述的是等厚单一材料的压电晶体的电荷灵敏度，若存在N种不同材料且厚度足够小的晶体元叠加在一起时上述方程应该： （2）此处m为质量块，d33N为第N种材料的最小压电微元的d33,t为同一种压电材料的厚度。当考虑到各种材料各自的温度特性后上述方程可以写成： （3）其中（T)N,表示第N种材料的温度特性函数，为了简化上述函数可以进一步简化： （4） 为了得到一种组合使得其灵敏度在各温度范围保持恒定，令： （5）式中C为设定常数。由此可知，可通过调整足够多的不同特性的材料

17、种类和厚度组合，将某一种材料的灵敏度-温度漂移调整到一个恒定的值。为了将铋层状陶瓷材料在全温度范围内调整到(50pc/g5%)以内，选取Bi4Ti3O12铋层状和LiNbO3两种材料，铋层状陶瓷片的传感器典型参数：质量块质量m=0.0275kg、d33=20pc/N, n=11片。根据式(1)，可获得压电加速度传感器的理论灵敏度:S1=59.29pc/g; 将LiNbO3的d33=10pc/N参数代入式（5），便得： (6) 由于这两种材料的灵敏度漂移-温度曲线可以通过回归得到，由此最终选定的两种材料叠加厚度比，即Bi4Ti3O12与LiNbO3约为2.25，这两种材料通过叠加键合，构成传感器

18、的复合型压电芯片。新型传感器实物如图4所示。3 实验结果及对比表1为补偿后的高温压电传感器灵敏度在不同温度下的测试值及不同温度点灵敏度与常温（25）表1 补偿后的灵敏度-温度漂移 Tab.1 sensitivity-temperature shift after composition 温度（）灵敏度（pc/g）偏差7752.4021253.161.50%37453.181.50%48253.672.40%53653.973.00%71652.931.00%89648-2.10%时的漂移量或偏差值，根据计算其偏差的平均值为1.04%，标准差为0.016,在482下对同一传感器进行多次测量其灵敏

19、度均值为53.12pc/g,标准差为0.52pc/g。 图6是灵敏度偏移-温度曲线, 从图可看出，补偿后的高温压电传感器的灵敏度随温度漂移可降到5%以内。图7，显示的是补偿后的同一传感器灵敏度在不同温度点下的多次测量的曲线分布,测试结果表明，所研制高温传感器具有良好的温度灵敏度重复性和一致性。图8为测试实验所采用的三综合（温度+振动）测试箱。实验结果与理论值呈现很好的一致性。图6 补偿前后的灵敏度温度特性曲线Fig.6 Sensitivity- temperature characteristic curve before and after compensation图7 同一传感器多次测量的

20、曲线分布Fig.7 Curves tested by several times 图8三综合测试箱Fig.8 3-parameter testing box 4 结论本文研究的Bi4Ti3O12与LiNbO3两种材料键合叠加、构成复合型压电芯片，很好解决了高温压电传感器的灵敏度-温度漂移的问题，且其性能优于欧美同类产品。目前本产品已通过国内相关权威机构的检验，并开始列装在我国某重点型号发动机上。本高温压电传感器研制成功，打破了国外的垄断，技术处于国际领先水平，可为燃气轮机、舰船、飞机等发动机提供高温特性极佳的、实时在线监测的高温振动传感器，具有良好的经济效益和重要科技价值。参考文献1 JENN

21、IONS I K. Integrated Vehicle Health Management: Perspective on an Emerging Field M. SAE International， 2011: 124-135.2 何必海，马向东，郎振. 民用航空发动机振动监测方法研究J. 燃气涡轮试验与研究，2012，(2): 136-140.HE B H, MA X D, LANG Z. Method Research of Civil Aircraft Engine Vibration Monitoring J. Gas Turbine Experiment and Research, 2012, (2): 136-140.3 DOANE P M, KINLEY W R. Inflight Engine Condition Monitoring System, F/A-18