【導(dǎo)讀】高溫壓電振動傳感器是航空發(fā)動機健康管理系統(tǒng)振動狀態(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)動機用高溫壓電振動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)用進展，并結(jié)合當(dāng)前航空發(fā)動機振動測量需求對該特殊用途壓電振動傳感器及壓電陶瓷材料的前景進行展望，以期為國內(nèi)高溫壓電振動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、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，對發(fā)動機健康評估、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，實現(xiàn)振動信號向電信號轉(zhuǎn)換，決定著傳感器的使用性能。與普通壓電振動傳感器相比，由于航空發(fā)動機工作環(huán)境惡劣且振動監(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)具備高溫長時工作的可靠性與穩(wěn)定性。同時，隨著近年來航空發(fā)動機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)動機用高溫壓電振動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)用進展，并結(jié)合當(dāng)前航空發(fā)動機振動測量需求對該特殊用途壓電振動傳感器及壓電陶瓷材料的前景進行展望，以期為國內(nèi)高溫壓電振動傳感器及陶瓷材料的研制指明方向。
1 高溫壓電振動傳感器
高溫壓電振動傳感器（又稱高溫壓電加速度計），是用高溫壓電材料作為敏感元件，利用其正壓電效應(yīng)將輸入的振動加速度轉(zhuǎn)換為電荷信號輸出實現(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)會影響傳感器信號的輸出。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 高溫壓電振動傳感器結(jié)構(gòu)
2 高溫壓電振動傳感器研究應(yīng)用進展
2.1 國外研究應(yīng)用進展
隨著航空機載振動測量技術(shù)的發(fā)展，自20世紀50年代，國外就已開始進行高溫壓電振動傳感器研究。20世紀90年代后期，壓電振動傳感器逐漸在航空發(fā)動機（如CFM56發(fā)動機）上普遍使用，并逐步替代傳統(tǒng)的磁電式振動傳感器。目前，國際上系列化高溫壓電振動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)動機專用高溫壓電振動傳感器產(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)動機振動監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)傳感器。下面介紹幾種典型型號傳感器：
1） 6233C型高溫壓電振動傳感器：為美國Endevco公司的產(chǎn)品，用于測量燃氣渦輪發(fā)動機的振動情況，具有靈敏度高、可在482℃高溫下連續(xù)工作、平均無故障時間長等特點。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型高溫壓電振動傳感器：為美國Endevco公司的產(chǎn)品，用于飛機燃氣渦輪機等超高溫環(huán)境的振動測量，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、平均無故障時間長等特點。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，非常適合于飛機燃氣渦輪機的振動測量。
4） 357E90型高溫壓電振動傳感器：為美國PCB公司的產(chǎn)品，用于超高溫度環(huán)境下飛機發(fā)動機燃燒室附近振動監(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。
5） CA134型高溫壓電振動傳感器：為瑞士Vibro-Meter公司的產(chǎn)品，常用于航空發(fā)動機惡劣高溫環(huán)境下的振動測量，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。
6） CA135型高溫壓電振動傳感器：為瑞士Vibro-Meter公司的產(chǎn)品，用于航空發(fā)動機寬頻響范圍(5 Hz～ 12 kHz)振動狀態(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，可用于航空發(fā)動機、工業(yè)燃氣輪機、核電站、變速箱等嚴苛工作環(huán)境的振動測量。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，是目前世界上唯一一種可在482℃實現(xiàn)寬頻響測量的壓電振動傳感器。
表1為上述幾種典型高溫壓電振動傳感器及性能指標(biāo)。
表1 國外典型高溫壓電振動傳感器性能指標(biāo)
2.2 國內(nèi)研究應(yīng)用進展
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。對于高溫壓電振動傳感器的研究始于20世紀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)動機振動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傳感器的研制和生產(chǎn)工作，典型牌號有GGZ—9，GGZ—10，GGZ—25，GGZ—26，GGZ—34，GGZ—35等，部分產(chǎn)品已實現(xiàn)應(yīng)用。然而，目前國內(nèi)航空發(fā)動機用高溫壓電振動傳感器產(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，部分傳感器長時使用尚存在靈敏度漂移現(xiàn)象，可靠性、穩(wěn)定性和長時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傳感器（-55 ～ 482℃，1 Hz ～12.8 kHz）和650℃以上的超高溫壓電振動傳感器尚未研發(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)前傳感器實際需求，鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料是高溫壓電振動傳感器核心敏感元件的優(yōu)選材料，也是482℃高溫壓電振動傳感器的通用材料和650℃超高溫壓電振動傳感器的候選材料，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：1）矯頑場強太高、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)用進展
4.1 國外研究應(yīng)用進展
目前，國外應(yīng)用于壓電振動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 是高溫壓電振動傳感器選用的典型牌號材料，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，居里溫度達到820℃，可在593℃長時工作，最高760℃短時工作，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℃高溫壓電振動傳感器（8324、8347-C等），美國Endevco公司538℃高溫壓電振動傳感器（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℃高溫壓電振動傳感器（6233C-10 /50 /100等），丹麥B＆K公司482℃高溫壓電振動傳感器（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，溫度范圍可達-50 ～ 540℃。用該材料制成的傳感器既可用來精確測量低振動量級的振動，又可在高低溫下不加冷卻或溫度補償進行精確測量，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傳感器，最高溫度可達760℃。美國Endevco公司6240M10等高溫壓電振動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550℃。其顯微結(jié)構(gòu)致密、晶粒大小均勻，同時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℃高溫壓電振動傳感器（2248，2276等）。
4.2 國內(nèi)研究應(yīng)用進展
在國內(nèi)，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、四川大學(xué)、同濟大學(xué)、山東大學(xué)等單位針對高溫壓電振動傳感器用鉍層狀結(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，長期使用溫度范圍-55 ～ 482℃、壓電系數(shù)d33≥18 pC/N。但與國外先進壓電陶瓷材料相比，在長時溫度穩(wěn)定性、機載環(huán)境適應(yīng)性等方面尚存在一定差距，亟待進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)動機健康管理系統(tǒng)振動測試發(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)動機健康管理系統(tǒng)振動狀態(tài)監(jiān)測日益受到重視，高溫壓電振動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。高溫壓電振動傳感器及壓電陶瓷材料在航空發(fā)動機及其他高溫振動監(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高溫工作性能；
2） 開展高溫寬頻壓電振動傳感器（-55 ～ 482℃，1 Hz ～12.8kHz）和650℃以上的超高溫壓電振動傳感器研發(fā)，突破振動傳感器技術(shù)瓶頸；
3） 提升高溫壓電陶瓷材料長時工作穩(wěn)定性、機載環(huán)境適應(yīng)性，進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)動機健康管理系統(tǒng)振動測量發(fā)展需求；
4） 加強高校、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)國家重點實驗室
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