铋层状与铌酸锂复合压电陶瓷传感器的温度特性

聂泳忠,颜黄苹,黄元庆

(厦门大学航空航天学院,福建厦门361005)

铋层状与铌酸锂复合压电陶瓷传感器的温度特性

聂泳忠,颜黄苹,黄元庆*

(厦门大学航空航天学院,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压电传感器在高温时的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 ℃)传感器的灵敏度温漂的要求(≤±5%)．因此,本文研究了一种铋层状与铌酸锂复合的压电陶瓷传感器,进行了传感器温度特性理论分析，建立了相应数学模型,并进行实验验证．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灵敏度漂移小于±3%,具有优异的温度特性,无需采用软件修正测量偏差,能满足美国航空无线电技术委员会(RTCA)制定的DO160要求,可直接用于高温环境的温度精密测量．

关键词：高温压电传感器;温度漂移;温度补偿;Bi4Ti3O12;LiNbO3

导致航空飞行器事故的零部件失效原因很多,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为致命．据统计,70%以上的发动机故障可以通过振动形式表现出来[1]．作为典型的高速旋转机械设备,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,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]．然而发动机容易出故障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故障占到了轴承故障的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研究热点．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、反常光生伏特效应、光折变效应等特性,现已被广泛应用于传感器件及执行器件上[6]．这些传感器被用于飞机发动机故障诊断上,比如用来测量累积性损伤,裂纹增长,转子不平衡[7]．目前用单纯Bi4Ti3O12铋层状压电陶瓷材料制作的高温传感器温漂偏高,如欧美国家生产的高温振动传感器的灵敏度-温度响应漂移率约为10%．

本文研制了一种铋层状与铌酸锂复合的压电陶瓷传感器,具有温漂小于±3%、性能高稳定的特点,可用于发动机实时在线监测．

1新型高温压电陶瓷的结构

1.1传统的铋层状压电陶瓷的结构及温度灵敏度特性

图1　美国PCB和Endevco高温压电传感器灵敏度漂移-温度曲线Fig.1Sensitivity deviation-temperature of USA PCB and Endevco high temperature piezoelectric sensor

由于铋层状压电陶瓷的居里温度可达到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陶瓷材料．图1是国际顶级传感器公司美国Endevco和PCB(Piezotronics Inc)公司的高温振动传感器的灵敏度漂移-温度响应参数曲线．可以看出只有PCB公司的产品灵敏度温漂接近10%,而Endevco公司的产品已经超过了10%．然而新一代发动机健康监测的传感器灵敏度温漂要求小于±5%．

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-温度响应的带宽很窄．图2是采用Bi4Ti3O12+xNb2O5+yCeO2(x为摩尔分数,0≤x≤6.50;y为质量分数,0≤y≤1.00,下同)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-温度关系如图3所示．从图3可知,在没有补偿的情况下,温度为380 ℃时,传感器灵敏度温漂已超过43.92%．由此可见,无温度补偿时,该型高温压电传感器无法达到欧美顶级水平±10%,更无法达到对新一代发动机提出的±5%的要求．

图2　振动传感器子组件结构示意图和实物图Fig.2Schematic diagram and real product photo of vibration sensor sub-component

图3　无补偿的高温压电传感器灵敏度漂移-温度特性曲线图Fig.3Sensitivity-temperature characteristic curve of uncompensated high temperature PE sensor

1.2新型高温压电陶瓷传感器原理

针对现有铋层状压电材料的压电系数d33随着温度升高而衰减，导致高温压电陶瓷传感器的灵敏度温漂高的问题,同时考虑到用于发动机实时在线监测传感器必须满足美国航空无线电技术委员会(RTCA)制定的DO160规定:不得采用软件修正方法灵敏度温漂进行补偿,本文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，即以Bi4Ti3O12+xNb2O5+yCeO2)层状压电陶瓷材料作为基体，铌酸锂(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　LiNbO3为补偿层的子组件实物图Fig.4Sub-component after LiNbO3compensation

选择LiNbO3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,它的温度特性与铋层状压电陶瓷的特性趋势相反,其灵敏度温漂对应温度的特性曲线是呈正递增的函数,如图5所示．

图5　LiNbO3灵敏度漂移-温度关系特性曲线Fig.5LiNbO3 sensitivity-temperature characteristic curve

1.3灵敏度漂移-温度补偿机理

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

S=nmgd33.

(1)

其中：S为压电加速度传感器电荷灵敏度,单位pC·s2/m；g=9.8 m/s2；d33为压电系数，pC/N；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N种不同材料且厚度足够小的晶体元叠加在一起，则上述方程为

(2)

(3)

(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种类和厚度组合,将某一种材料的灵敏度温漂调整到一个恒定值．为了将铋层状陶瓷材料在全温度范围内调整到(5.102±5%) pC·s2/m以内,选取Bi4Ti3O12铋层状和LiNbO32种材料,铋层状陶瓷片的传感器典型参数:质量块m=0.027 5 kg，d33=20 pC/N,陶瓷片个数n=11．根据式(1),可获得压电加速度传感器的理论灵敏度:S1=6.05 pC·s2/m;将LiNbO3的d33=10 pC/N参数代入式(5),得到

(6)

由于这2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2种材料叠加厚度比(Bi4Ti3O12∶LiNbO3)约为2.25,这2种材料通过叠加键合,构成传感器的复合型压电芯片(图4)．

2实验结果及对比

图6　补偿前后的灵敏度漂移-温度特性曲线Fig.6Sensitivity-temperature characteristic curve before and after compensation

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 ℃)时的灵敏度温漂,可见根据计算其偏差的平均值为1.04%,标准差为0.001 6 pC·s2/m．

表1　补偿后的灵敏度温漂

图6是补偿前后的灵敏度温漂曲线,可以看出,补偿后的高温压电传感器的灵敏度随温漂可降到±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,结果表明,本研究的高温传感器具有良好的温度灵敏度重复性和一致性，且实验结果与理论值呈现很好的一致性．

图7　同一传感器多次测量的曲线分布Fig.7Curves tested by several times

3结论

本文研究的Bi4Ti3O12与LiNbO32种材料键合叠加所构成的复合式压电芯片,很好地解决了高温压电传感器的灵敏度温漂问题,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．本高温压电传感器的研制可为燃气轮机、舰船、飞机等发动机提供具备高温特性、可实时在线监测的高温振动传感器,具有良好的经济效益和科技价值．

参考文献：

[1]JENNIONS I K．Integrated vehicle health management:perspective on an emerging field[M]．New York,USA：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,2012,25(2):59-62.

[3]DOANE P M,KINLEY W R．Inflight engine condition monitoring system,F/A-18[R]．Washington DC:AIAA，2001:3069-3082.

[4]张永峰．飞行试验中航空发动机的振动试验研究[D]．西安:西北工业大学,2003:1-2.

[5]蔚瑄楷,杨立,战立光,等．航空发动机预测与健康管理[M]．北京：国防工业出版社,2014:198-221.

[6]SHULMAN H S,TESTORF M D,SETTER N．Microstructure,electronic conductivity,and piezoelectric properties of bismuth titanate[J]．Journal of the American Ceramic Society，1996,79(12):3124-3128.

[7]胡天林,谢海鹤,颜黄苹,等．电涡流位移传感器测量模型及其在叶尖间隙测量中的空间滤波效应[J].厦门大学学报(自然科学版),2014,53(1):66-70.

Temperature Characteristics of a Bi4Ti3O12-LiNbO3Compound Piezoelectric Ceramic Sensor

NIE Yongzhong,YAN Huangping,HUANG Yuanqing*

(School of Aerospace Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:Bi4Ti3O12has been wildly used on high temperature sensor due to its excellent mechanical performance and high curie temperature．There is a lot of the demand for 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 Bi4Ti3O12material has a sensitivity shift of 10%-20% when in the high temperature,and fails to meet the requirement of ≤±5% in the temperature range from -50 ℃ to 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,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 temperature 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 of Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA)．Therefore,this new type of sensor has the broad application prospects.

Key words:high temperature piezoelectric sensor;temperature shift;temperature compensation;Bi4Ti3O12;LiNbO3

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.2016.03.023

收稿日期：2015-12-20录用日期：2016-02-23

基金项目：福建省自然科学基金(2013J01251)

*通信作者：yqhuang@xmu.edu.cn

中图分类号:TP 212.12

文献标志码：A

文章编号：0438-0479(2016)03-0441-04

引文格式：聂泳忠,颜黄苹,黄元庆.铋层状与铌酸锂复合压电陶瓷传感器的温度特性.厦门大学学报(自然科学版)，2016,55(3)：441-444.

Citation：NIE Y Z,YAN H P,HUANG Y Q,et al．Temperature characteristics of a Bi4Ti3O12-LiNbO3compound piezoelectric ceramic sensor.Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(3)：441-444．(in Chinese)