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高温压电振动传感器及其压电材料研究进展

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余慧芬, 祁核, 涂小牛, 张海波, 陈大力, 吴捷, 陈骏. 高温压电振动传感器及其压电材料研究进展[J]. 物理学报, 2025, 74(2): 027702-1. doi: 10.7498/aps.74.20240906
引用本文: 余慧芬, 祁核, 涂小牛, 张海波, 陈大力, 吴捷, 陈骏. 高温压电振动传感器及其压电材料研究进展[J]. 物理学报, 2025, 74(2): 027702-1. doi: 10.7498/aps.74.20240906
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Huifen YU, He QI, Xiaoniu TU, Haibo ZHANG, Dali CHEN, Jie WU, Jun CHEN. Research progress of high-temperature piezoelectric vibration sensors and piezoelectric materials[J]. Acta Physica Sinica, 2025, 74(2): 027702-1. doi: 10.7498/aps.74.20240906
Citation: Huifen YU, He QI, Xiaoniu TU, Haibo ZHANG, Dali CHEN, Jie WU, Jun CHEN. Research progress of high-temperature piezoelectric vibration sensors and piezoelectric materials[J]. Acta Physica Sinica, 2025, 74(2): 027702-1. doi: 10.7498/aps.74.20240906
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高温压电振动传感器及其压电材料研究进展

  • 1.

    北京科技大学, 北京材料基因工程高精尖创新中心, 北京　100083

  • 2.

    中国科学院上海硅酸盐研究所, 人工晶体研究中心, 上海　201899

  • 3.

    华中科技大学材料科学与工程学院, 武汉　430074

  • 4.

    中国航空发动机集团有限公司, 湖南动力机械研究所, 株洲　412002

  • 5.

    海南大学, 海口　570228

    • 作者简介: 余慧芬. E-mail: yuhuifenustb@163.com .
    通讯作者: E-mail: qiheustb@ustb.edu.cn.;  E-mail: junchen@ustb.edu.cn.

  • 中图分类号: 77.55.-g, 77.65.Dq, 77.84.-s, 77.84.Cg

Research progress of high-temperature piezoelectric vibration sensors and piezoelectric materials

  • 1.

    Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

  • 2.

    Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201899, China

  • 3.

    School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

  • 4.

    Hunan Aviation Powerplant Research Institute, Aero Engine Corporation of China, Zhuzhou 412002, China

  • 5.

    Hainan University, Haikou 570228, China

    • Corresponding authors: qiheustb@ustb.edu.cn.;  junchen@ustb.edu.cn.

  • MSC: 77.55.-g, 77.65.Dq, 77.84.-s, 77.84.Cg

  • 摘要: 压电振动传感器与其他振动传感技术相比具有频率范围宽、动态范围大、结构简单、工作可靠、体积小等优点, 在核电行业、航空航天、轨道交通及国防军工等多个领域有着广泛的应用. 然而, 随着振动测试技术的飞速发展以及应用领域的不断拓宽, 对压电振动传感器在极端环境中长时服役的可靠性提出了更高要求, 如何提高压电振动传感器的服役温度满足极端环境下的应用需求是目前迫切解决的问题. 本文综述了高温压电传感技术应用场景和工作原理, 讨论了常见的高温压电陶瓷和晶体材料, 系统地总结了现有的压电振动传感器工作模式、不同类型压电振动传感器结构及传感器振动校准装置, 重点介绍了近年来国内外高温振动传感器的研究进展. 在此基础上, 探讨了高温压电振动传感器当前面临的问题及未来发展趋势, 为开发下一代极端环境应用的超高温振动传感器提供了思路, 有望促进国内高温压电振动传感技术的进一步研究.
    Abstract: Vibration sensor technology, especially piezoelectric vibration sensor, has been widely applied in various fields. This type of sensor has excellent dynamic response, linearity, wide bandwidth, high sensitivity, large temperature range, simple structure, and stable performance, so it can be applied in many cases such as nuclear power, aerospace, rail transportation, and defense industries. However, most of piezoelectric vibration sensors are limited to operating temperatures below 500 ℃, which restricts their applications in extreme high-temperature environments encountered in nuclear reactors, aircraft engines, missile systems, and internal combustion engines. How to improve the operating temperature of piezoelectric vibration sensors to meet their application requirements in extreme environments is an urgent problem that needs to be solved.High-temperature piezoelectric materials, as the core components of piezoelectric vibration sensors, play a decisive role in determining the overall performance of the sensor. Common high-temperature piezoelectric materials include piezoelectric ceramics and single crystals. To ensure stable operation and excellent sensitivity in extreme environments, it is essential to select piezoelectric materials with high Curie temperature, high piezoelectric coefficient, high resistivity, and low dielectric loss as the sensing elements of the sensor. There are usually three main types of piezoelectric vibration sensors: bending, compression, and shear. In addition to selecting the suitable piezoelectric material, it is also crucial to choose the optimal sensor structure suitable to the specific application scenarios.In view of the urgent demand for ultrahigh-temperature vibration sensors, this paper mainly reviews the current research progress of high-temperature piezoelectric materials and high-temperature piezoelectric vibration sensors, summarizes the structures, advantages and disadvantages, and application scenarios of different types of high-temperature piezoelectric vibration sensors, explores the current problems and future development trends of high-temperature piezoelectric vibration sensors, and provides ideas for developing the next-generation ultrahigh temperature vibration sensors for extreme environmental applications, which is expected to promote the further development of high-temperature piezoelectric vibration sensing technology.
  • 加载中

  • 图 1  高温振动传感器应用场景

    Figure 1.  Application scenarios of high-temperature vibration sensors.

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    图 2  压电振动传感器的典型系统模型

    Figure 2.  Typical system model of piezoelectric vibration sensors.

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    图 3  压电振动传感器系统　(a) 电路图; (b) 等效电路图

    Figure 3.  Piezoelectric vibration sensor system: (a) Circuit diagram; (b) equivalent circuit diagram.

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    图 4  (a) ABO3钙钛矿结构示意图[40]; (b)钨青铜沿着c轴的结构示意图[40]; (c)铋层状结构氧化物的示意图[40]

    Figure 4.  (a) Schematic representation of the structure of ABO3 perovskite[40]; (b) schematic representation of the structure of tungsten bronze along the c-axis[40]; (c) schematic representation of bismuth layered structural oxides[40].

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    图 5  压电陶瓷的压电常数d33与居里温度TC关系图

    Figure 5.  The relationship between piezoelectric constant d33 and Curie temperature TC of the piezoelectric ceramics.

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    图 6  (a)单晶压电常数$ {d}_{33} $与居里温度/相变温度/熔点$ {T}_{{\mathrm{m}}{\mathrm{a}}{\mathrm{x}}} $关系图[119]; (b)不同压电材料最大使用温度范围[119]; (c), (d)高温压电晶体电阻率随温度的变化[117,118]

    Figure 6.  (a) Plot of single crystal piezoelectric constant d33 versus Curie temperature/phase transition temperature/melting point Tmax[119]; (b) maximum operating temperature range of different piezoelectric materials[119]; (c), (d) variation of electrical resistivity of high-temperature piezoelectric crystals as a function of temperature[117,118].

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    图 7  压电振动传感器三种基本结构　(a) 弯曲型; (b) 压缩型; (c) 剪切型

    Figure 7.  Three basic structures of piezoelectric vibration sensors: (a) Bending mode; (b) compression mode; (c) shear mode.

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    图 8  弯曲模式压电振动传感器基本构型[34]　(a)单悬臂梁; (b)不对称双悬臂梁; (c)对称双悬臂梁; (d)四对称悬臂梁

    Figure 8.  Basic configurations of bending mode piezoelectric vibration sensors[34]: (a) Cantilever beam; (b) two cantilever beams; (c) two-symmetric-beam suspension; (d) four-symmetric-beam suspension.

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    图 9  弯曲模式压电振动传感器　(a) LGS温度-三轴加速度传感器示意图[126]; (b) 四悬臂梁集成中心拾振微球结构传感器示意图[127]; (c) d33模式四悬臂梁压电振动传感器的三维结构和激光扫描共焦显微镜图[128]; (d) LGS(左)和GaPO4(右)单晶传感器实物图[129]; (e) 双U型槽压电加速度计原理图[130]; (f) 三轴加速度计结构示意图[131]

    Figure 9.  Bending mode piezoelectric vibration sensors: (a) LGS temperature-triaxial accelerometer[126]; (b) four-suspended-beam integrated center vibration microsphere structure sensor[127]; (c) three-dimensional structure of the d33-mode four-cantilever-beam piezoelectric vibration sensor and laser-scanning confocal microscope diagram[128]; (d) LGS (left) and GaPO4 (right) monocrystalline sensors[129]; (e) double U-slot-type piezoelectric accelerometer[130]; (f) triaxial accelerometer[131].

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    图 10  压缩模式压电振动传感器基本构型[132]　(a)中心压缩式; (b)倒装压缩式

    Figure 10.  Basic configuration of compressed mode piezoelectric vibration sensors[132]: (a) Central compressed type; (b) inverted compressed type.

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    图 11  压缩模式压电振动传感器　(a) CNGS中心压缩式传感器示意图和实物图[133]; (b) AlN高温压电振动传感器结构示意图和实物图[134]; (c) 六自由度压缩式加速度传感器简化模型和样机实物图[135]; (d) 高温压缩式压电振动传感器实物图和内部结构图[136]

    Figure 11.  Compression mode piezoelectric vibration sensors: (a) CNGS central compression sensor[133]; (b) AlN high-temperature piezoelectric vibration sensor[134]; (c) simplified model and prototype of the six-degree-of-freedom compression acceleration sensor[135]; (d) physical and internal structure diagram of high-temperature compression piezoelectric vibration sensor[136].

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    图 12  剪切模式压电振动传感器基本构型[137]　(a) 环形剪切式; (b)平面剪切式; (c)三角剪切式

    Figure 12.  Basic configuration of shear mode piezoelectric vibration sensors[137]: (a) Annular shear mode; (b) planar shear mode; (c) triangular shear mode.

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    图 13  剪切模式压电振动传感器　(a) 偏心剪切式压电加速度传感器结构图[139]; (b) 对称剪切式压电加速度传感器结构图[139]; (c) CTGS平面剪切式高温加速度传感器结构示意图[140]; (d) 三角剪切式压电振动传感器结构图[141]; (e) 平面剪切式加速度计和三角剪切式加速度计结构示意图[138]; (f) 环型剪切式压电振动传感器结构示意图[142]; (g) UHT-12TM晶体357D90型剪切式高温加速度计(左)和EX611A20型差动剪切式高温加速度计(右)实物图[143]

    Figure 13.  Shear mode piezoelectric vibration sensors: (a) Eccentric shear piezoelectric accelerometer[139]; (b) symmetric shear piezoelectric accelerometer[139]; (c) CTGS planar shear high-temperature accelerometer[140]; (d) triangular shear piezoelectric vibration sensor[141]; (e) planar and triangular shear accelerometers[138]; (f) ring shear piezoelectric vibration sensor[142]; (g) physical drawings of UHT-12TM Crystal 357D90 shear type high-temperature accelerometer (left) and EX611A20 differential shear type high-temperature accelerometer (right)[143].

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    图 14  传感器常温标定实验测试平台[141]

    Figure 14.  Experimental test platform for calibration of sensors at room temperature[141].

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    图 15  传感器高温测试实验装置图　(a) 振动比较法校准装置图[35]; (b) 绝对法校准装置图[144]

    Figure 15.  Experimental setup diagram for high-temperature testing of sensors: (a) Vibration comparison method calibration device[35]; (b) absolute method calibration device[144].

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    图 16  高温悬臂梁式加速度计结构　(a)加速度计俯视图[147]; (b)加速度计剖视图[147]; (c)横梁止动组件正视图[147]; (d)安装在横梁止动组件底座框架上的缓冲组件剖视图[147]; (e)横梁止动组件后视图[147]; (f)含插入横梁通道的质量块[147]

    Figure 16.  High-temperature cantilever beam accelerometer: (a) Top view of accelerometer[147]; (b) cutaway view of accelerometer[147]; (c) front view of crossbeam stop component[147]; (d) cutaway view of cushioning component installed on the base frame of the crossbeam stop component[147]; (e) rear view of the crossbeam stop component[147]; (f) mass block with inserted crossbeam channel[147].

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    图 17  (a)可温度补偿的悬臂梁加速度计工作原理图[148]; (b)矩形质量块的悬臂梁加速度计横向截面图[148]; (c)矩形质量块的悬臂梁加速度计纵向截面图[148]; (d)圆柱形质量块的悬臂梁加速度计横向截面图[148]; (e)圆柱形质量块的悬臂梁加速度计纵向截面图[148]; (f)方形质量块的悬臂梁加速度计横向截面图[148]; (g)方形质量块的悬臂梁加速度计纵向截面图[148]

    Figure 17.  (a) Operating principle diagram of temperature-compensated cantilever beam accelerometer[148]; (b) transverse cross-section of cantilever beam accelerometer with rectangular mass block[148]; (c) longitudinal cross-section of cantilever beam accelerometer with rectangular mass block[148]; (d) transverse cross-section of cantilever beam accelerometer with cylindrical mass block[148]; (e) longitudinal cross-section of cantilever beam accelerometer with cylindrical mass block[148]; (f) transverse cross-section of cantilever beam accelerometer with square mass block[148]; (g) longitudinal section of cantilever beam accelerometer with square mass block[148]

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    图 18  B-LN低频振动传感器性能测试　(a) 传感器结构示意图(上)和传感器实物图(左下)及安装在激振器上的传感器(右下) [149]; (b) 传感器在不同位移幅值的正弦振动激励下产生的电压[149]; (c) 传感器频率响应情况[149]

    Figure 18.  B-LN low-frequency vibration sensor performance test: (a) Schematic diagram of transducer structure (top), physical drawing of the transducer (bottom left), as well as the sensor installed on the exciter (bottom right)[149]; (b) voltages generated by transducer under sinusoidal vibration excitation with different displacement amplitudes[149]; (c) frequency response of the transducer[149].

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    图 19  压缩式高温振动传感器测试　(a) 传感器结构示意图[150]; (b) 不同压电材料所制传感器灵敏度随温度的变化[150]; (c) BFBT25-Mn所制传感器灵敏度在不同温度下长时间工作可靠性测试[150]

    Figure 19.  Compression mode high-temperature vibration sensor performance test: (a) Schematic of sensor structure[150]; (b) the sensitivity of sensors made of different piezoelectric materials varies with temperature[150]; (c) sensitivity reliability test of BFBT25-Mn sensor under long-term operation at different temperatures[150].

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    图 20  KI100压缩式加速度计高温稳定性测试　(a)加速度计实物图[151]; (b)加速度计在不同老化阶段后灵敏度随温度变化情况[151]; (c)加速度计在不同老化阶段后绝缘电阻随温度变化情况[151]

    Figure 20.  High temperature stability test of KI100 compression accelerometer: (a) Physical image of accelerometer[151]; (b) the sensitivity of accelerometers changes with temperature after different aging stages[151]; (c) variation of insulation resistance with temperature after different ageing stages of the accelerometer[151].

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    图 21  BTS压缩式压电振动传感器性能测试　(a)传感器组件的展开视图[152]; (b)传感器实物图[152]; (c)不同预紧扭矩下传感器的灵敏度温度稳定性[152]; (d)传感器灵敏度在500 ℃时长时间工作的可靠性测试[152]

    Figure 21.  BTS compression piezoelectric vibration sensor performance test: (a) Unfolded view of the sensor component[152]; (b) physical image of sensor[152]; (c) temperature stability of the sensor sensitivity at different preload torques[152]; (d) reliability test of the sensor sensitivity for long-term operation at 500 ℃[152].

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    图 22  倒装装配的BTS高温振动加速度传感器性能测试　(a)高温振动加速度传感器的装配示意图[153]; (b)传感器的温度响应[153]; (c)传感器在高温下(600 ℃和650 ℃)下的工作状况[153]

    Figure 22.  Performance test of BTS high-temperature vibration acceleration sensor with inverted assembly: (a) Assembly schematic of the sensor[153]; (b) temperature response of the sensor[153]; (c) operation of the sensor at elevated temperatures (600 ℃ and 650 ℃)[153]

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    图 23  BTS压缩式压电振动传感器性能测试　(a)传感器结构模型[154]; (b)传感器电荷随加速度的变化[154]; (c)不同频率下传感器灵敏度随温度的变化[154]; (d)传感器在600 ℃和650 ℃时灵敏度与持续工作时长的关系[154]

    Figure 23.  BTS piezoelectric vibration sensor performance test: (a) Structure model of the sensor[154]; (b) variation of sensor charge with acceleration[154]; (c) variation of sensor sensitivity with temperature at different frequencies[154]; (d) relationship between sensor sensitivity and duration of continuous operation at 600 ℃ and 650 ℃[154].

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    图 24  单片压缩模式加速度计性能测试　(a)加速度计组件示意图[155]; (b)加速度计灵敏度随频率和温度的变化情况[155]; (c) 900 ℃下不同频率的灵敏度与持续工作时长的关系[155]

    Figure 24.  Monolithic compression mode accelerometer performance test: (a) Schematic of the accelerometer components[155]; (b) variation of accelerometer sensitivity with frequency and temperature[155]; (c) sensitivity versus duration of continuous operation at 900 ℃ for different frequencies[155].

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    图 25  压缩模式高温压电振动传感器　(a)带螺帽紧固部的高温振动传感器整体结构示意图[156]; (b)带螺帽紧固部的高温振动传感器剖视图[156]; (c)高温450 ℃压电加速度计剖视图[157]; (d)耐高温高压的差分式压电加速度传感器结构示意图[158]; (e)耐高温高压的差分式压电加速度传感器内部放大示意图[158]; (f)带温度补偿的高温压电加速度传感器示意图[159]

    Figure 25.  Compression mode high-temperature piezoelectric vibration sensors: (a) Schematic of the overall structure of high-temperature vibration sensor with nut fastening part[156]; (b) cutaway view of high-temperature vibration sensor with nut fastening part[156]; (c) cutaway view of high-temperature 450 ℃ piezoelectric accelerometer[157]; (d) structure of high-temperature and high-pressure-resistant differential piezoelectric acceleration sensor[158]; (e) internal enlarged schematic diagram of differential piezoelectric accelerometer resistant to high temperature and high pressure[158]; (f) high-temperature piezoelectric accelerometer with temperature compensation[159].

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    图 26  电荷剪切型压电加速度计的性能测试　(a)电荷剪切型压电加速度计的结构[160]; (b)电荷剪切型压电加速度计有无补偿电容元件的灵敏度温度依赖性[160]; (c)电荷剪切型压电加速度计的频率依赖性[160]

    Figure 26.  Charge-shear piezoelectric accelerometer performance test: (a) Structure of charge-shear piezoelectric accelerometers[160]; (b) temperature dependence of the sensitivity of charge-shear piezoelectric accelerometers with and without compensating capacitive elements[160]; (c) frequency dependence of charge-shear piezoelectric accelerometers[160].

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    图 27  全温区近恒预紧力压电加速度传感器　(a)传感器整体示意图[161]; (b)传感器截面示意图[161]; (c)传感器螺栓预紧力随温度变化的示意图[161]

    Figure 27.  Near-constant preload piezoelectric acceleration sensor at full temperature: (a) Schematic of sensor[161]; (b) schematic of sensor cross-section[161]; (c) schematic of sensor bolt preload as a function of temperature[161].

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    图 28  横向振动型剪切式加速度传感器性能测试　(a)传感器结构模型与实物图[162]; (b)传感器室温频率响应[162]; (c) 160 Hz时不同温度下传感器输出电荷与加速度的函数关系[162]

    Figure 28.  Transverse vibration shear mode accelerometer performance test: (a) Sensor structure model and physical diagram[162]; (b) room temperature frequency response of sensor[162]; (c) sensor output charge as a function of acceleration for different temperatures at 160 Hz[162].

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    图 29  剪切式YCOB高温振动传感器性能测试　(a)高温工作后传感器实物图[163]; (b)传感器灵敏度在不同频率时随温度的变化情况[163]; (c) 1250 ℃测试10 h传感器的平均灵敏度及高温测试前后传感器的室温灵敏度(附图)[163]

    Figure 29.  Shear type YCOB high-temperature vibration sensor performance test: (a) Physical image of the sensor after high-temperature operation[163]; (b) sensor sensitivity varies with temperature at different frequencies[163]; (c) average sensitivity of sensor tested at 1250 ℃ for 10 h and the room temperature sensitivity of sensor before and after high-temperature testing (attached figure)[163].

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    图 30  AlN剪切式高温加速度计　(a)加速度计实物图和模型图[164]; (b)不同温度时传感器的频率响应情况[164]; (c)传感器在不同温度和频率下的响应[164]; (d)长期高温下传感器灵敏度变化情况[164]; (e)传感器在11.2 kGy (1 Gy = 1 J/kg)照射后的灵敏度[164]

    Figure 30.  AlN shear mode high-temperature accelerometer: (a) Physical (left) and modeled (right) diagrams of accelerometer[164]; (b) frequency response of accelerometer at different temperatures[164]; (c) sensitivity response of accelerometer at different temperatures and frequencies[164]; (d) sensitivity changes of accelerometer under long-term high temperature conditions[164]; (e) sensitivity of accelerometer after irradiation at 11.2 kGy (1 Gy = 1 J/kg)[164].

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    图 31  高温AlN多轴加速度计性能测试　(a)加速度计实物图(左)和模型图(右)[165]; (b)多轴加速度计对x方向1 g加速度的频率响应[165]; (c)多轴加速度计在每个轴都承受1 g加速度时的性能[165]

    Figure 31.  High-temperature AlN multi-axis accelerometer performance test: (a) Physical (left) and modeled (right) diagrams of accelerometer[165]; (b) frequency response of multi-axis accelerometer to 1 g acceleration in the x-direction[165]; (c) performance of multi-axis accelerometer under 1 g acceleration on each axis[165].

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    图 32  剪切模式高温压电振动传感器　(a)环形剪切式IEPE高温振动传感器内部结构示意图[166]; (b)铌酸锂双边剪切高温压电加速度计结构示意图[167]; (c)铌酸锂单边剪切高温压电加速度计结构示意图[167]; (d)带有银窗的高温压电加速度计整体结构示意图[168]; (e)带银窗的高温压电加速度计剖视图[168]; (f)650 ℃小型高温振动传感器结构示意图[169]

    Figure 32.  Shear mode high-temperature piezoelectric vibration sensors: (a) Ring shear IEPE high-temperature vibration sensor[166]; (b) lithium niobate bilateral shear high-temperature piezoelectric accelerometer[167]; (c) lithium niobate unilateral shear high-temperature piezoelectric accelerometer [167]; (d) schematic of the overall structure of high-temperature piezoelectric accelerometer with silver window[168]; (e) cutaway view of high-temperature piezoelectric accelerometer with silver window[168]; (f) structure of a 650 ℃ compact high-temperature vibration sensor[169].

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    表 1  不同结构类型加速度计的优缺点

    Table 1.  Advantages and disadvantages of different construction types of accelerometers.

    加速度计
    结构    		 优点 缺点 应用场景
    弯曲式 重量轻、灵敏度高、响应速度快、分辨率高、背底噪声低、易于微型化集成
    		频率范围窄、结构脆弱、抗冲击能力差、存在固有电荷泄露 微米级尺度的微弱信号的实时检测, 低频、低加速度信号测量等
    压缩式 结构简单、加工便捷、制作成本低、强度和刚度大、共振频率高、频带宽、可以承受高水平瞬态振动
    		对力和温度变化敏感, 底座弯曲或热膨胀易引起较大测量误差、背底噪声高、横向灵敏度大、抗干扰能力较差 冲击测试等
    剪切式 信号噪声低、应变小、抗干扰能力强、热性能稳定、电荷输出高、灵敏度高 结构复杂、固有频率低、可用频率带宽窄 微地震监测、钢水与钢渣、熔渣分离等
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    表 2  高温压电加速度计性能比较

    Table 2.  Performance comparison of high-temperature piezoelectric accelerometers.

    压电材料 加速度计结构 最高服役温度/℃ 灵敏度/(pC·g-1) 频响范围/Hz 参考文献
    PbZr0.51Ti0.49O3 平面剪切式 300 42 1—8000 [160]
    LGT 平面剪切式 350 3.82 100—2000 [162]
    BFBT25-Mn 压缩式 450 49 200—1000 [150]
    CNGS 压缩式 600 0.722 60—2000 [133]
    CTGS 平面剪切式 600 2.56 100—2000 [140]
    BTS 倒装压缩式 600 ~12.5 — [153]
    UHT-12TM 平面剪切式 649 10 — [143]
    BTS 压缩式 650 2.62 120—3000 [154]
    YCOB 压缩式 900 ~2.4 100—600 [155]
    AlN 平面剪切式 1000 9.2 40—600 [164]
    YCOB 平面剪切式 1000 ~5.9 1—335 [35]
    YCOB 平面剪切式 1250 ~1.26 1—320 [163]
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  • [1] 吕泉 2006现代传感器原理及应用(北京: 清华大学出版社) Lü Q 2006 Principles and Applications of Modern Sensors (Beijing: Tsinghua University Press
    [2] Giuliani A, Drera L, Arancio D, Mukhopadhyay B, Ngo H D 2014 Procedia Eng. 87 720 doi: 10.1016/j.proeng.2014.11.639
    [3] Vandeparre H, Watson D, Lacour S 2013 Appl. Phys. Lett. 103 20 doi: 10.1063/1.4832416
    [4] Tavakkoli H, Momen H G, Sani E A, Yazgi M 2017 proceedings of the 2017 10th International Conference on Electrical and Electronics Engineering Bursa, Turkey, November 30–December 02, 2017 p459
    [5] Yao Z, Liang T, Jia P G, Hong Y P, Qi L, Lei C, Zhang B, Xiong J J 2016 Sensors 16 913 doi: 10.3390/s16060913
    [6] Roessig T A, Howe R T, Pisano A P, Smith J H 1997 proceedings of the Proceedings of International Solid State Sensors and Actuators Conference Chicago, United States, June 19, 1997 p859
    [7] Kim N I, Chang Y L, Chen J, Barbee T, Wang W, Kim J Y, Kwon M K, Shervin S, Moradnia M, Pouladi S, Khatiwada D, Selvamanickam V, Ryou J H 2020 Sens. Actuators, A 305 111940 doi: 10.1016/j.sna.2020.111940
    [8] Jiang X N, Kim K, Zhang S J, Johnson J, Salazar G 2013 Sensors 14 144 doi: 10.3390/s140100144
    [9] Yu F P, Zhang S J, Zhao X, Yuan D R, Qin L F, Wang Q M, Shrout T R 2011 IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58 868 doi: 10.1109/TUFFC.2011.1881
    [10] Shrout T R, Yu F P, Zhang S J, Wang Q M, Fei Y, Chai B 2011 proceedings of the 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS) Proceedings San Francisco, United States, May 1–5, 2011 p82
    [11] Yang Y, Wang M H, Yu Z H, Yu Q X, Chen K P 2021 Sens. Actuator A-Phys. 321 112562 doi: 10.1016/j.sna.2021.112562
    [12] Yu F P, Duan X, Zhang S J, Lu Q, Zhao X 2014 Crystals 4 241 doi: 10.3390/cryst4030241
    [13] 袁宇鹏, 梅勇, 齐良才, 张祖伟, 李小飞, 王登攀 2022 压电与声光 44 940 doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2022.06.022 Yuan Y P, Mei Y, Qi L C, Zhang Z W, Li X F, Wang P D 2022 Piezoelectrics & Acoustooptics 44 940 doi: 10.11977/j.issn.1004-2474.2022.06.022
    [14] 吴宗岱 1988 实验力学 3 329 Wu Z D 1988 J. Exp. Mech. 3 329
    [15] 张永峰 2003 硕士学位论文 (西安: 西北工业大学) Zhang Y F 2003 M. S. Thesis (Xi'an: Northwestern Polytechnical University
    [16] Hall C L, Leary S, Lapierre L, Hess A, Bladen K 2001 proceedings of the 2001 IEEE Aerospace Conference Proceedings Montana, United States, March 10–17, 2001 p3069
    [17] 张福学 1990 航空电子技术 1 1 Zhang X F 1990 Avionics Technol. 1 1
    [18] 周俊 2016 硕士学位论文 (武汉: 华中科技大学) Zhou J 2016 M. S. Thesis (Wuhan: Huazhong University of Science and Technology
    [19] 吴大方, 赵寿根, 潘兵, 王岳武, 王杰, 牟朦, 朱林 2013 力学学报 45 598 doi: 10.6052/0459-1879-12-360 Wu D F, Zhao S G, Pan B, Wang Y W, Wang J, Mou M, Zhu L 2013 Acta Mech. Sin. 45 598 doi: 10.6052/0459-1879-12-360
    [20] Crawley E F 1994 AIAA J. 32 1689 doi: 10.2514/3.12161
    [21] High-temperature modal survey of a hot-structure control surface, Spivey N D https://ntrs.nasa.gov/citations/20110023803 [2024-6-1]
    [22] 孙明晓, 季俊云, 史岩峰, 陈玉玲, 张巧寿 2019 强度与环境 49 54 Sun M X, Ji J Y, Shi Y F, Chen Y L, Zhang Q S 2019 Struct. Environ. Eng. 49 54
    [23] Turner R, Fuierer P A, Newnham R, Shrout T R 1994 Appl. Acoust. 41 299 doi: 10.1016/0003-682X(94)90091-4
    [24] Fleming W J 2001 IEEE Sens. J. 1 296 doi: 10.1109/7361.983469
    [25] 袁宇鹏, 王登攀, 李小飞, 李军, 胡杨, 曾翔豹, 王音心, 张祖伟 2019 压电与声光 41 49 doi: 10.3969/j.issn.1005-023X.2012.08.004 Yuan Y P, Wang D P, Li X F, Li J, Hu Y, Zeng X B, Wang Y X, Zhang Z W 2019 Piezoelectrics & Acoustooptics 41 49 doi: 10.3969/j.issn.1005-023X.2012.08.004
    [26] Bulst W E, Fischerauer G, Reindl L 1998 proceedings of the IECON'98 Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society Aachen, Germany, August 31–September 04, 1998 p265
    [27] 王寿荣 2000 硅微型惯性器件理论及应用 (南京: 东南大学出版社) Wang S R 2000 Theory and Applications of Silicon Miniature Inertial Devices (Nanjing: Southeast University Press
    [28] Kazys R, Vaskeliene V 2021 Sensors 21 3200 doi: 10.3390/s21093200
    [29] Meng Y F, Chen G Q, Huang M Y 2022 Nanomaterials 12 1171 doi: 10.3390/nano12071171
    [30] Yu F P, Duan X L, Zhang S J, Yu Y G, Ma T F, Zhao X T 2012 proceedings of the 2012 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications Shanghai, China, November 23–25 2012 p293
    [31] 王天资, 周志勇, 李伟, 董显林, 张磊 2020 传感器与微系统 39 1 doi: 10.13873/J.1000-9787(2020)06-0001-04 Wang T Z, Zhou Z Y, Li W, Dong X L, Zhang L 2020 Transducer Microsyst. Technol. 39 1 doi: 10.13873/J.1000-9787(2020)06-0001-04
    [32] 单成祥 1999 传感器的理论与设计基础及其应用 (北京: 国防工业出版社) Shan C X 1999 Theoretical and Design Basis of Sensors and their Applications (Beijing: National Defense Industry Press
    [33] Bilgunde P N, Bond L J 2018 Ultrasonics 87 103 doi: 10.1016/j.ultras.2018.02.007
    [34] Yu J C, Lan C B 2001 Sens. Actuator. A 88 178 doi: 10.1016/S0924-4247(00)00502-1
    [35] Kim K, Zhang S J, Salazar G, Jiang X N 2012 Sens. Actuator, A 178 40 doi: 10.1016/j.sna.2012.02.003
    [36] 王丹钰, 王安玖, 王五松, 李荔, 张垚宾, 翟继卫 2021 陶瓷学报 42 376 doi: 10.13957/j.cnki.tcxb.2021.03.003 Wang D Y, Wang A J, Wang W S, Li L, Zhang Y B, Zhai J W 2021 J. Ceram. 42 376 doi: 10.13957/j.cnki.tcxb.2021.03.003
    [37] 栾桂冬, 张金铎, 王仁乾 2005 压电换能器和换能器阵 (北京: 北京大学出版社) Luan G D, Zhang J D, Wang R Q 2005 Piezoelectric Transducers and Transducer Arrays (Beijing: Peking University Press
    [38] 李庆利, 曹建新, 赵丽媛, 吕剑明, 范冠锋 2008 化工进展 27 16 doi: 10.16085/j.issn.1000-6613.2008.01.030 Li Q L, Cao J X, Zhao L Y, Lv J M, Fan G F 2008 Chem. Ind. Eng. Prog. 27 16 doi: 10.16085/j.issn.1000-6613.2008.01.030
    [39] Zhang F Q, Li Y X 2014 J. Inorg. Mater. 29 449 doi: 10.3724/SP.J.1077.2014.13669
    [40] Chen L, Liu H, Qi H, Chen J 2022 Prog. Mater. Sci. 127 100944 doi: 10.1016/j.pmatsci.2022.100944
    [41] Jaffe B, Roth R, Marzullo S 1954 J. Appl. Phys. 25 809 doi: 10.1063/1.1721741
    [42] Kumar A, Bhanu Prasad V V, James Raju K C, James A R 2015 J. Mater. Sci. -Mater. Electron. 26 3757 doi: 10.1007/s10854-015-2899-1
    [43] Eitel R E, Randall C A, Shrout T R, Rehrig P W, Hackenberger W, Park S E 2001 Jpn. J. Appl. Phys. 40 5999 doi: 10.1143/JJAP.40.5999
    [44] Dong Y Z, Zou K, Liang R H, Zhou Z Y 2023 Prog. Mater. Sci. 132 101026 doi: 10.1016/j.pmatsci.2022.101026
    [45] Zou T T, Wang X H, Wang H, Zhong C F, Li L T, Chen I W 2008 Appl. Phys. Lett. 93 19 doi: 10.1063/1.2995861
    [46] Zhao H Y, Hou Y D, Yu X L, Zheng M P, Zhu M K 2018 J. Appl. Phys. 124 19 doi: 10.1063/1.5055297
    [47] Kim Y M, Kumar A, Hatt A, Morozovska A N, Tselev A, Biegalski M D, Ivanov I, Eliseev E A, Pennycook S J, Rondinelli J M, Kalinin S V, Borisevich A Y 2013 Adv. Mater. 25 2497 doi: 10.1002/adma.201204584
    [48] Dho J H, Qi X D, Kim H, MacManus-Driscoll J L, Blamire M G 2006 Adv. Mater. 18 1445 doi: 10.1002/adma.200502622
    [49] Leontsev S O, Eitel R E 2009 J. Am. Ceram. Soc. 92 2957 doi: 10.1111/j.1551-2916.2009.03313.x
    [50] Kim S, Miyauchi R, Sato Y, Nam H, Fujii I, Ueno S 2023 Adv. Mater. 35 11 doi: 10.1002/adma.202208717
    [51] Yang H B, Sun Y Y, Gao H Y, Zhou X Y, Tan H, Shu C 2022 IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 69 3102 doi: 10.1109/TUFFC.2022.3143575
    [52] Lee M H, Kim D J, Park J S, Kim S W, Song T K, Kim M H 2015 Adv. Mater. 27 6976 doi: 10.1002/adma.201502424
    [53] Hu H, Zhuang J, Weng Y X, Zhang N, Wang B Y, Wang D W, Feng G B, Ren W 2023 J. Eur. Ceram. Soc. 43 6815 doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2023.06.068
    [54] Hu W, Tan X L, Rajan K 2011 J. Eur. Ceram. Soc. 31 801 doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2010.11.015
    [55] Sun S D, Liu Y, Zhang Y Y, Wang L, Huo C R, Deng S Q, Liu H, Ren Y, Wu J, Oi H, Chen J 2022 Acta Mater. 239 118285 doi: 10.1016/j.actamat.2022.118285
    [56] Wang K, Yao F Z, Jo W, Gobeljic D, Shvartsman V V, Lupascu D C, Li J F, ROEDEL J 2013 Adv. Funct. Mater. 23 4079 doi: 10.1002/adfm.201203754
    [57] Yao F Z, Wang K, Jo W, Webber K G, Comyn T P, Ding J X, Xu B, Cheng L Q, Zheng M P, Hou Y D, Li J F 2016 Adv. Funct. Mater. 26 1217 doi: 10.1002/adfm.201504256
    [58] Zhang M H, Wang K, Du Y J, Dai G, Sun W, Li G, Hu D, Thong H C, Zhao C L, Xi X Q, Yue Z X, Li J F 2017 J. Am. Chem. Soc. 139 3889 doi: 10.1021/jacs.7b00520
    [59] Li P, Zhai J W, Shen B, Zhang S J, Li X L, Zhu F Y, Zhang X M 2018 Adv. Mater. 30 1705171 doi: 10.1002/adma.201705171
    [60] Egerton L, Dillon D M 1959 J. Am. Ceram. Soc. 42 438 doi: 10.1111/j.1151-2916.1959.tb12971.x
    [61] Zuo R Z, Fu J 2011 J. Am. Ceram. Soc. 94 1467 doi: 10.1111/j.1551-2916.2010.04256.x
    [62] Zhang B Y, Wu J G, Cheng X J, Wang X P, Xiao D Q, Zhu J G, Wang X J, Lou X J 2013 ACS Appl. Mater. Interfaces 5 7718 doi: 10.1021/am402548x
    [63] Wu J G, Wang X P, Cheng X J, Zheng T, Zhang B Y, Xiao D Q, Zhu J G, Luo X J 2014 J. Appl. Phys. 115 114104 doi: 10.1063/1.4868585
    [64] Rubio-Marcos F, Lopez-Juarez R, Rojas-Hernandez R E, del Campo A, Razo-Perez N, Fernandez J F 2015 ACS Appl. Mater. Interfaces 7 23080 doi: 10.1021/acsami.5b06747
    [65] 陈秀峰, 张大军 2014 现代技术陶瓷 4 28 doi: 10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2014.04.012 Chen X F, Zhang D J 2014 Adv. Ceram. 4 28 doi: 10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2014.04.012
    [66] Chen J, Liu H H, Yu D Y, Li Q N, Yuan C L, Xu J W, Cheng S, Zhao J T, Zhou C R, Rao G H 2024 Chem. Eng. J. 480 148202 doi: 10.1016/j.cej.2023.148202
    [67] 李月明, 张玉平, 廖润华, 程亮 2006 陶瓷学报 27 205 Li Y M, Zhang Y P, Liao R H, Chen L 2006 J. Ceram. 27 205
    [68] Cai K, Jiang F, Deng P Y, Ma J T, Guo D 2015 J. Am. Ceram. Soc. 98 3165 doi: 10.1111/jace.13714
    [69] Zhao X M, Liu C, Zhang D N, Huang D, Liu K, Zhang H W 2022 Ceram. Int. 48 35461 doi: 10.1016/j.ceramint.2022.08.149
    [70] 周静, 赵然, 陈文 2005 陶瓷学报 26 202 doi: 10.3969/j.issn.1000-2278.2005.03.011 Zhou J, Zhao R, Chen W 2005 J. Ceram. 26 202 doi: 10.3969/j.issn.1000-2278.2005.03.011
    [71] Fang R R, Zhou Z Y, Liang R H, Dong X L 2020 Ceram. Int. 46 23505 doi: 10.1016/j.ceramint.2020.06.120
    [72] Ray S, Günther E, Ritzhaupt-Kleissl H J 2000 J. Mater. Sci. 35 6221 doi: 10.1023/A:1026741613979
    [73] Vasant Kumar C, Sayer M, Pascual R 1992 Appl. Phys. Lett. 60 2207 doi: 10.1063/1.107057
    [74] Jin R Q, Ren X D, Xu Z, Yan Y K 2023 Ceram. Int. 49 39516 doi: 10.1016/j.ceramint.2023.09.301
    [75] Hagh N M, Nonaka K, Allahverdi M, Safari A 2005 J. Am. Ceram. Soc. 88 3043 doi: 10.1111/j.1551-2916.2005.00561.x
    [76] Fang R R, Zhou Z Y, Liang R H, Dong X L 2021 Ceram. Int. 47 26942 doi: 10.1016/j.ceramint.2021.06.106
    [77] 吴金根, 高翔宇, 陈建国, 王春明, 张树君, 董蜀湘 2018 物理学报 67 207701 doi: 10.7498/aps.67.20181091 Wu J G, Gao X Y, Chen J G, Wang C M, Zhang S J, Dong S X 2018 Acta Phys. Sin. 67 207701 doi: 10.7498/aps.67.20181091
    [78] Chen H B, Zhai J W 2012 J. Electron. Mater. 41 2238 doi: 10.1007/s11664-012-2051-4
    [79] Long C B, Fan H Q, Li M M 2013 Dalton Trans. 42 3561 doi: 10.1039/c2dt32564k
    [80] Li T, Li X L, Zhao Z H, Ji H M, Dai Y J 2015 Integr. Ferroelectr. 162 1 doi: 10.1080/10584587.2015.1037153
    [81] Pan C B, Zhao G C, Li S M, Wang X L, Wang J M Z, Tao M, Zhang X K, Yang C, Xu J P, Yin W, Yin L H, Song W H, Tong P, Zhu X B, Yang J, Sun Y P 2022 J. Mater. Chem. C 10 15851 doi: 10.1039/D2TC03598G
    [82] Zhang H X 2007 proceedings of the 2007 Sixteenth IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics Nara, Japan, May 27–31, 2007 p751
    [83] Zhang S J, Alberta E, Eitel R E, Rehrig P W, Hackenberger W, Randall C A, Shrout T R 2005 proceedings of the Smart Structures and Materials 2005: Active Materials: Behavior and Mechanics, California, United States, March 07–10, 2005 p279
    [84] Zhao H Y, Hou Y D, YU X L, Zheng M P, Zhu M K 2020 J. Mater. Chem. C 8 1562 doi: 10.1039/C9TC06887B
    [85] Zhang S J, Yu F P 2011 J. Am. Ceram. Soc. 94 3153 doi: 10.1111/j.1551-2916.2011.04792.x
    [86] Belavic D, Bradesko A, Zarnik M S, Rojac T 2015 Metrol. Meas. Syst. 22 331 doi: 10.1515/mms-2015-0034
    [87] 龚美霞 2001 国外电子元器件 1 9 Gong M X 2001 Int. Electron. Ele 1 9
    [88] Philippot E, Palmier D, Pintard M, Goiffon A 1996 J. Solid State Chem. 123 1 doi: 10.1006/jssc.1996.0145
    [89] London D 2011 Can. Mineral. 49 117 doi: 10.3749/canmin.49.1.117
    [90] Shen C Y, Zhang S J, Cao W W, Cong H J, Yu H H, Wang J Y, Zhang H J 2015 Appl. Phys. 117 064106 doi: 10.1063/1.4908113
    [91] Shen C Y, Zhang S J, Wang D L, Xu T X, Yu H H, Cao W W, Wang J Y, Zhang H J 2015 Crystengcomm 17 1791 doi: 10.1039/C4CE02015D
    [92] Takeda H, Hagiwara M, Noguchi H, Hoshina T, Takahashi T, Kodama N 2013 Appl. Phys. Lett. 102 242907 doi: 10.1063/1.4811163
    [93] Zhang Y Y, Yin X, Yu H H, Cong H J, Zhang H J, Wang J Y, Boughtont R I 2012 Cryst. Growth Des. 12 622 doi: 10.1021/cg2007205
    [94] Haines J, Cambon O, Prudhomme N, Fraysse G, Keen D A, Chapon L C, Tucker M G 2006 Phys. Rev. B 73 14103 doi: 10.1103/PhysRevB.73.014103
    [95] Fachberger R, Bruckner G, Knoll G, Hauser R, Biniasch J, Reindl L 2004 IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 51 1427 doi: 10.1109/TUFFC.2004.1367482
    [96] Giurgiutiu V, Xu B L, Liu W P 2010 Struct. Health Monit. 9 513 doi: 10.1177/1475921710365389
    [97] 陈林, 陈异, 肖定全, 朱建国 2005 四川大学学报 42 150 Chen L, Chen Y, Xiao D Q, Zhu J G 2005 J. Sichuan Univ. 42 150
    [98] Bouchy S, Zednik R J, Bélanger P 2022 Materials 15 4716 doi: 10.3390/ma15134716
    [99] Kim N I, Yarali M, Moradnia M, Aqib M, Liao C H, AlQatari F, Nong M T, Li X H, Ryou J H 2023 Adv. Funct. Mater. 33 2212538 doi: 10.1002/adfm.202212538
    [100] Sotnikov A V, Schmidt H, Weihnacht M, Smirnova E P, Chemekova T Y, Makarov Y N 2010 IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 57 808 doi: 10.1109/TUFFC.2010.1485
    [101] 赵超亮, 宋波, 张幸红, 韩杰才 2012 材料导报 26 11 Zhao C L, Song B, Zhang X H, Han J C 2012 Mater. Rep. 26 11
    [102] Oreshko A P, Ovchinnikova E N, Rogalev A, Wilhelm F, Mill B V, Dmitrienko V E 2018 J. Synchrotron Radiat. 25 222 doi: 10.1107/S1600577517015387
    [103] Bohm J, Chilla E, Flannery C, Fröhlich H J, Hauke T, Heimann R B, Hengst M, Straube U 2000 J. Cryst. Growth 216 293 doi: 10.1016/S0022-0248(00)00440-1
    [104] Sato J, Takeda H, Morikoshi H, Shimamura K, Rudolph P, Fukuda T 1998 J. Cryst. Growth 191 746 doi: 10.1016/S0022-0248(98)00362-5
    [105] Nakao H, Nishida M, Shikida T, Shimizu H, Takeda H, Shiosaki T 2006 J. Alloys Compd. 408 582 doi: 10.1016/j.jallcom.2004.12.153
    [106] Zhang S, Yoshikawa A, Kamada K, Frantz E, Xia R, Snyder D W, Fukuda T, Shrout T R 2008 Solid State Commun. 148 213 doi: 10.1016/j.ssc.2008.08.013
    [107] Takeda H, Shimamura K, Chani V, Kato T, Fukuda T 1999 Cryst. Res. Technol. 34 1141 doi: 10.1002/(SICI)1521-4079(199911)34:9<1141::AID-CRAT1141>3.0.CO;2-W
    [108] Takeda H, Fukuda T, Kawanaka H, Onozato N 2001 J. Mater. Sci. -Mater. Electron. 12 199 doi: 10.1023/A:1011243219013
    [109] Ren C K, Yin L B, Wang S, Chen W R, Wang S, Xiong K N, Tu X N, Bao N Z, Zheng Y Q, Chen J, Shi E W 2024 J. Rare Earths (received doi: 10.1016/j.jre.2024.02.013
    [110] Shen C Y, Zhang H J, Cong H J, Yu H H, Wang J Y, Zhang S J 2014 Appl. Phys. 116 4 doi: 10.1063/1.4891827
    [111] Taylor N T, Davies F H, Hepplestone S 2017 Mater. Res. Express 4 125904 doi: 10.1088/2053-1591/aa99e8
    [112] Zhong D G, Teng B, Kong W J, Ji S H, Zhang S M, Li J H, Cao L F, Jing H L, He L X 2017 J. Alloys Compd. 692 413 doi: 10.1016/j.jallcom.2016.09.021
    [113] Takeda H, Nakao H, Izukawa S, Shimizu H, Nishida T, Okamura S, Shiosaki T 2006 J. Alloys Compd. 408 474 doi: 10.1016/j.jallcom.2004.12.108
    [114] Fei Y, Chai B H, Ebbers C, Liao Z, Schaffers K I, Thelin P 2006 J. Cryst. Growth 290 301 doi: 10.1016/j.jcrysgro.2006.01.031
    [115] Zhang S J, Fei Y T, Frantz E, Snyder D W, Chai B H T, Shrout T R 2008 IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 55 2703 doi: 10.1109/TUFFC.2008.985
    [116] Yu F P, Zhang S J, Zhao X, Guo S Y, Duan X L, Yuan D R, Shrout T R 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 135405 doi: 10.1088/0022-3727/44/13/135405
    [117] Zhang S J, Yu F P, Xia R, Fei Y T, Frantz E, Zhao X, Yuan D R, Chai B H T, Snyder D, Shrout T R 2011 J. Cryst. Growth 318 884 doi: 10.1016/j.jcrysgro.2010.11.032
    [118] Yu F P, Hou S, Zhao X, Zhang S J 2014 IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 61 1344 doi: 10.1109/TUFFC.2014.3042
    [119] Zhang S J, Frantz E, Xia R, Everson W, Randi J, Snyder D W, Shrout T R 2008 Appl. Phys. 104 8 doi: 10.1063/1.3000560
    [120] 严纯华, 黄小卫 2024 中国稀土学报 42 381 doi: 10.11785/S1000-4343.20240301 Yan C H, Huang X W 2024 J. Chin. Soc. Rare Earths 42 381 doi: 10.11785/S1000-4343.20240301
    [121] Stephan A, Gaulden T, Brown A D, Smith M, Miller L, Thundat T 2002 Rev. Sci. Instrum. 73 36 doi: 10.1063/1.1427413
    [122] Cao M S, Ye L, Zhou L M, Su Z Q, Bai R B 2011 Mech. Syst. Sig. Process. 25 630 doi: 10.1016/j.ymssp.2010.06.011
    [123] Zang H Y, Zhang X M, Zhu B L, Fatikow S 2019 Sens. Actuator, A 296 155 doi: 10.1016/j.sna.2019.07.007
    [124] Havelock D, Kuwano S, Vorlander M 2008 Handbook of Signal Processing in Acoustics (New York: Springer
    [125] Wu J G, Shi H D, Zhao T L, Yu Y, Dong S X 2016 Adv. Funct. Mater. 26 7186 doi: 10.1002/adfm.201602645
    [126] 郭欣榕 2021 硕士学位论文 (山西: 中北大学) Guo X R 2021 M. S. Thesis (Shanxi: North Central University
    [127] 石树正, 耿文平, 刘勇, 毕开西, 李芬, 丑修建 2022 兵工学报 43 1998 doi: 10.12382/bgxb.2021.0464 Shi S Z, Geng W P, Liu Y, Bi K X, Li F, Chou J X 2022 Acta Armament. 43 1998 doi: 10.12382/bgxb.2021.0464
    [128] Xu M H, Zhou H, Zhu L H, Shen J N, Zeng Y B, Feng Y J, Guo H 2019 Microsyst. Technol. 25 4465 doi: 10.1007/s00542-019-04495-z
    [129] Le Traon O, Masson S, Chartier C, Janiaud D 2010 Solid State Sci. 12 318 doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2009.06.032
    [130] Li D N, Fan Q Q, Li J H, Ren W, Wu L, Sun B, Yang Z 2019 proceedings of the 2019 13th Symposium on Piezoelectrcity, Acoustic Waves and Device Applications Harbin, China, January 11–14, 2019
    [131] Han J Q, Zhu Y S, Tao G H, Zhao Z Q, Yin Y J, Niu W J, Dong L Z 2019 IEEE Sens. J. 19 6602 doi: 10.1109/JSEN.2019.2911740
    [132] 曾宏川 2021 硕士学位论文 (四川: 电子科技大学) Zeng H C 2021 M. S. Thesis (Sichuan: University of Electronic Science and Technology
    [133] Wang Y M, Liu X L, Bai L Y, Cheng R, Jiang C, Li Y Z, Zhang J Q, Chen H, Li Y L, Yu F P, Guo S Y 2023 J. Alloys Compd. 937 168449 doi: 10.1016/j.jallcom.2022.168449
    [134] 陈丽洁, 徐兴烨, 雷亚辉, 杨月, 朴胜春, 张丽 2020 中国电子科学研究院学报 15 1212 doi: 10.3969/j.issn.1673-5692.2020.12.013 Chen L J, Xu X Y, Lei Y H, Yang Y, Piao S C, Zhang L 2020 J. CAEIT 15 1212 doi: 10.3969/j.issn.1673-5692.2020.12.013
    [135] Zhang D Z, Liu J, Qin L, Liu J C, Li M 2020 IEEE Sens. J. 20 7129 doi: 10.1109/JSEN.2020.2966013
    [136] 潘睿 2019 硕士学位论文 (济南: 山东大学) Pan R 2019 M. S. Thesis (Jinan: Shandong University
    [137] 朱瑞浩 2019 硕士学位论文 (成都: 电子科技大学) Zhu R J 2019 M. S. Thesis (Chengdu: University of Electronic Science and Technology
    [138] Wu T Q, You D, Gao H Y, Lian P H, Ma W G, Zhou X Y, Wang C M, Luo J H, Zhang H B, Tan H 2023 Crystals 13 1363 doi: 10.3390/cryst13091363
    [139] 丁明鹏 2020 硕士学位论文 (济南: 山东大学) Ding M P 2020 M. S. Thesis (Jinan: Shandong University
    [140] 曾宏川, 彭斌, 张万里 2021 压电与声光 43 320 doi: 10.11977/j.issn.10042474.2022.06.02 Zeng H C, Peng B, Zhang W L 2021 Piezoelectrics & Acoustooptics 43 320 doi: 10.11977/j.issn.10042474.2022.06.02
    [141] Shi Y N, Jiang S S, Liu Y, Wang Y Y, Qi P L 2022 Geofluids 2022 3964502 doi: 10.1155/2022/3964502
    [142] Kapusuz H, Güvenc M A, Mistikoglu S 2019 Int. Adv. Res. Eng. J. 3 144 doi: 10.35860/iarej.421657
    [143] Metz B 2014 Proceedings of the 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference Cleveland, United States, July 28–30, 2014 p3974
    [144] 王佳豪, 左爱斌, 彭月祥 2022 计量学报 43 1634 doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2022.12.18 Wang J H, Zuo A B, Peng Y X 2022 Acta Metrol. Sin. 43 1634 doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2022.12.18
    [145] Zhu G, Yang X W, Liu X 2018 J. Phys. Conf. Ser. 1065 222003 doi: 10.1088/1742-6596/1065/22/222003
    [146] 朱刚, 杨晓伟, 闫磊, 刘鑫, 武东健 2015 中国专利 CN204188258U [2015-03-04]] Zhu G, Yang X W, Yan L, Liu X, Wu D J 2015 CN Patent CN204188258U [2015-03-04]
    [147] Beckman P, Gerding B F, Jain P K 1975 U. S. Patent 3 884 085 [1975-05-20]
    [148] Norling B L, Wash M C 1988 US Patent 4 750 363 [1988-06-14]
    [149] Kubasov I V, Kislyuk A M, Turutin A V, Bykov A S, Kiselev D A, Temirov A A, Zhukov R N, Sobolev N A, Malinkovich M D, Parkhomenko Y N 2019 Sensors 19 614 doi: 10.3390/s19030614
    [150] Chen J G, Wu J E, Lu Y, Wang Y, Cheng J R 2022 Appl. Phys. Lett. 121 23 doi: 10.1063/5.0131097
    [151] Cavalloni C, Sommer R, Waser M 2011 9th Eurppean Conference on Turbomachinery-Fluid Dynamics and Thermodynamics Istanbul, Turkey, March 21–25, 2011 p1555
    [152] Liu X L, Jiang C, Tian S W, Fang H R, Yu F P, Xian Z 2019 proceedings of the 2019 14th Symposium on Piezoelectrcity, Acoustic Waves and Device Applications Shijiazhuang, China November 01–04, 2019 p214
    [153] 于法鹏, 刘学良, 姜超, 房浩然, 杨勇, 赵显 2021 中国专利 CN111579815A [2021-07-13]] Yu F P, Liu X L, Jiang C, Fang H R, Yang Y, Zhao X 2021 CN Patent CN111579815A [2021-07-13]
    [154] Jiang C, Liu X L, Yu F P, Zhang S J, Fang H R, Cheng X F, Zhao X 2020 IEEE Trans. Ind. Electron. 68 12850 doi: 10.1109/TIE.2020.3044792
    [155] Zhang S J, Jiang X N, Lapsley M, Moses P, Shrout T R 2010 Appl Phys Lett. 96 1 doi: 10.1063/1.3290251
    [156] 任政, 苏刚, 王红战, 闫长新 2020 中国专利 CN210269907U [2020-04-07]] Ren Z, Su G, Wang H Z, Yan C X 2020 CN Patent CN210269907U [2020-04-07]
    [157] 胡子俭, 李承恩, 周家光, 李毅, 晏海学, 王志超 1999 中国专利 CN1226681A [1999-08-25]] Hu Z J, Li C E, Zhou J G, Li Y, Yan H X, Wang Z C 1999 CN Patent CN1226681A [1999-08-25]
    [158] 徐昱根, 朱万霞, 孙磊, 郇正利, 沈双全, 李朋洲, 黄彦平, 乔红威 2023 中国专利 CN116298388A [2023-06-23]] Xu Y G, Zhu W X, Sun L, Xun Z L, Shen S Q, Li P Z, Huang Y P, Qiao H W 2023 CN Patent CN116298388A [2023-06-23]
    [159] 张振海, 刘石豪, 何光, 吴缪斯, 张文一, 滕飞 2023 中国专利 CN116660578A [2023-08-29]] Zhang Z H, Liu S H, He G, Wu L S, Zhang W Y, Teng F 2023 CN Patent CN116660578A [2023-08-29]
    [160] Ochiai T 1998 Jpn. J. Appl. Phys. 37 1964 doi: 10.1143/JJAP.37.1964
    [161] 秦利锋, 夏虎, 李宁, 杨淳 2023 中国专利 CN115792276A [2023-05-12]] Qin L F, Xia H, Li N, Yang C 2023 CN Patent CN115792276A [2023-05-12]
    [162] Liu X L, Yu F P, Li F L, Tian S W, Cheng X F, Zhao X 2019 proceedings of the 2019 13th Symposium on Piezoelectrcity, Acoustic Waves and Device Applications Harbin, China, January 11–14, 2019
    [163] Salazar G, Kim K, Zhang S J, Jiang X N 2012 Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering 8347 40 doi: 10.1117/12.917104
    [164] Kim H, Kerrigan S, Bourham M, Jiang X N 2021 IEEE Trans. Ind. Electron. 68 5346 doi: 10.1109/tie.2020.2992002
    [165] Kerrigan S P 2023 PhD Disertation Development, Fabrication, and Characterization of Piezoelectric Non-Intrusive Wireless Vibration Sensors for Nuclear Power Plant Applications (Raleigh: NC State University
    [166] 余快, 赵聪, 彭鹏, 黄伟, 金城, 冯婷, 李菊红 2023 中国专利 CN219996335U [2023-11-10]] Yu K, Zhao C, Peng P, Huang W, Jin C, Feng T, Li J H 2023 CN Patent CN219996335U [2023-11-10]
    [167] Epstein H C, Calif S P 1973 US Patent 3727084 [1973-04-10]
    [168] Chatsworth D V, Chatsworth P F 2013 US Patent 8375793B2 [2013-02-19]
    [169] 顾宝龙, 黄建民, 赵振平, 陈佳壁, 晏生剑, 潘威 2014 中国专利 CN203534825U [2014-04-09]] Gu B L, Huang J M, Zhao Z P, Chen J B, Yan S J, Pan W 2014 CN Patent CN203534825U [2014-04-09]
    [170] Walter P L 2007 Sound Vib. 41 89
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-30
  • 刊出日期:  2025-01-20

高温压电振动传感器及其压电材料研究进展

    通讯作者: E-mail: qiheustb@ustb.edu.cn.; 
    通讯作者: E-mail: junchen@ustb.edu.cn.
    作者简介: 余慧芬. E-mail: yuhuifenustb@163.com
  • 1. 北京科技大学, 北京材料基因工程高精尖创新中心, 北京　100083
  • 2. 中国科学院上海硅酸盐研究所, 人工晶体研究中心, 上海　201899
  • 3. 华中科技大学材料科学与工程学院, 武汉　430074
  • 4. 中国航空发动机集团有限公司, 湖南动力机械研究所, 株洲　412002
  • 5. 海南大学, 海口　570228
  • 收稿日期:  2024-06-30

摘要: 压电振动传感器与其他振动传感技术相比具有频率范围宽、动态范围大、结构简单、工作可靠、体积小等优点, 在核电行业、航空航天、轨道交通及国防军工等多个领域有着广泛的应用. 然而, 随着振动测试技术的飞速发展以及应用领域的不断拓宽, 对压电振动传感器在极端环境中长时服役的可靠性提出了更高要求, 如何提高压电振动传感器的服役温度满足极端环境下的应用需求是目前迫切解决的问题. 本文综述了高温压电传感技术应用场景和工作原理, 讨论了常见的高温压电陶瓷和晶体材料, 系统地总结了现有的压电振动传感器工作模式、不同类型压电振动传感器结构及传感器振动校准装置, 重点介绍了近年来国内外高温振动传感器的研究进展. 在此基础上, 探讨了高温压电振动传感器当前面临的问题及未来发展趋势, 为开发下一代极端环境应用的超高温振动传感器提供了思路, 有望促进国内高温压电振动传感技术的进一步研究.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 传感器技术广泛应用于生活中各种变化物理量的测量, 并将其转化成电信号输出, 是现代检测技术的重要组成部分, 也是获取信息的重要手段[1]. 加速度振动传感器(也称加速度计)是一种能够采集被测物体振动加速度的传感器, 在其工作线性范围内, 传感器产生的电信号与所需检测的加速度值成正比. 根据振动传感器敏感元件的不同, 可分为应变式[2]、电容式[3]、电感式[4]、压阻式[5]、谐振式[6]及压电式[7]等多种类型, 其中压电式加速度传感器具有出色的动态响应和线性度、频带宽、灵敏度高、温度范围大、结构简单、性能稳定等优势, 广泛应用于各种领域, 成为目前主流的振动传感器[8].

      随着测试技术的发展和测试要求的提高, 在核电行业、航空航天、交通、国防和工业等领域都用到压电振动传感器进行振动测量, 如图1所示. 大多数压电振动传感器的使用温度限制在500 ℃以下, 能够满足一般的振动测量需求, 然而极端情况下某些测试需求的温度高达1000 ℃以上, 这就要用到超高温压电加速度计[9–12]. 在核电行业中, 为保障核电机组的结构安全需要大量的振动传感器对核反应堆振动情况进行健康监测, 因此要求压电振动传感器能在核反应堆内部高温、高真空、强辐射环境下稳定工作[13,14]. 在航空航天领域, 发动机是飞机的核心部件, 其性能和可靠性直接影响飞机的飞行状况, 为了实时获取发动机的振动状况信息, 需要压电振动传感器进行监测[15,16]. 发动机的工作环境通常为高温、高压、高转速, 这对压电振动传感器的性能稳定性提出苛刻要求[17,18]. 国防领域也需要应用高温加速度传感器, 如高超声速飞行器、军用飞机、导弹等设备在高速飞行过程中会与空气摩擦生热, 表面温度急剧升高, 且在长时间飞行过程中, 机翼或金属外壳等部件会发生剧烈振动, 为了保证飞行安全需要高温压电振动传感器对飞行状况实时监测[19–22]. 在汽车燃烧系统中要使用高温压电振动传感器记录发动机的振动情况以监测内燃机的效率和可靠性[23,24]. 在工业领域, 随着自动化程度的不断提高, 可以利用压电振动传感器测量机械设备各组件的动态响应、监测运行状态并展开故障分析和预测性维护. 例如机器主轴、传送带、分拣台和机床等设备可以通过分析振动信号携带的信息判断是否存在缺陷和隐患, 这种使用压电振动传感器进行的无损监测, 不仅能有效地维护设备, 还能显著地节约成本[18,25]. 因此, 高温压电振动传感器在许多行业和领域都有迫切需求.

      高温压电振动传感器的研究始于20世纪50年代, 目前国外一些公司已能生产性能稳定成熟的高温压电振动传感器产品, 最高使用温度可达815 ℃. 而国内关于高温压电振动传感器的研究起步较国外晚二十年, 当前仅具备260 ℃和482 ℃两种系列传感器的批量生产能力, 虽然已开发出最高使用温度达649 ℃的传感器, 但还未能大批量应用, 因此国内使用的超高温压电振动传感器产品基本上依赖于进口[8,26–31]. 为了满足国内对高温压电振动传感器的迫切需求, 自主研发设计具有高灵敏度、宽频响、高可靠性和稳定性的超高温压电振动传感器具有重要意义.

    2.   压电振动传感器的工作原理

    • 压电振动传感器通常由质量块、压电元件、弹性元件和适调电路等组成[32], 一般采用磁吸、胶粘、螺钉固定等方式连接在待测物体上. 当待测物体振动时, 压电振动传感器的基座也会随之振动. 由于质量块的作用, 压电材料会受到与待测物体振动方向相反的惯性力, 发生压电效应, 在压电元件两个表面产生异号电荷, 进而形成电势差[33]. 通过导线将压电振动传感器的感应电荷传输到电荷放大器进行放大并转换成电压信号, 经计算机控制的信号采集器高效实时采集, 并对数据分析处理从而得到被测物体的振动加速度. 图2是压电振动传感器的动态响应模型图, 该系统由质量-弹簧-阻尼结构和位移传感器组成, 振动质量块通过弹簧和阻尼元件附接到传感器壳体上, 模拟了在激振器加速度$ {\ddot{x}}_{i} $作用下质量块和激振器之间相对位移$ {x}_{0} $的频率响应, 振动系统的微分方程如下所示[34,35]:

      式中m, c和k分别为质量块质量, 阻尼系数和弹性常数, 假设初始条件为$ {x}_{0}\left(0\right) = 0, {\dot{x}}_{0}\left(0\right) = 0, $通过(1)式的拉普拉斯变换可以得到机械传递函数:

      其中$ {w}_{n} $是结构的谐振频率; $ \zeta $是阻尼比; $ {S}_{m} $是机械灵敏度, 可由下式计算:

      从谐振频率$ {w}_{n} $与机械灵敏度$ {S}_{m} $的表达式可以看出二者存在负相关关系, 所以在设计传感器时需要在增大谐振频率拓宽工作频率带宽和增大灵敏度提高传感器分辨率之间权衡.

      传感器的电传输系统包括压电传感器、连接电缆和电荷放大器, 图3(a)为压电振动传感器系统的电路图. 在电传输系统中, 传感器的输出电荷与质量块和激振器之间的相对位移的关系为

      其中$ {K}_{{\mathrm{q}}} $是单位位移的电荷输出量. 图3(b)为简化的压电振动传感器系统等效电路图, 等效模型中的电容和电阻关系及电气系统控制方程如下:

      其中$ {R}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{m}}{\mathrm{p}}{\mathrm{l}}} $为放大器电阻; $ {R}_{{\mathrm{l}}{\mathrm{e}}{\mathrm{a}}{\mathrm{k}}} $为压电元件电阻, $ {R}_{{\mathrm{l}}{\mathrm{e}}{\mathrm{a}}{\mathrm{k}}} $通常比$ {R}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{m}}{\mathrm{p}}{\mathrm{l}}} $大得多; $ {C}_{{\mathrm{p}}{\mathrm{z}}{\mathrm{t}}}, ~{C}_{{\mathrm{w}}{\mathrm{i}}{\mathrm{r}}{\mathrm{e}}} , ~ {C}_{{\mathrm{a}}{\mathrm{m}}{\mathrm{p}}{\mathrm{l}}} $分别为压电元件、导线和放大器电容; $ {e}_{0} $为传感器的输出电压, $ \tau $为RC时间常数. 将上式进行拉普拉斯变换即可得到相对位移和输出电压之间关系的电气传递函数:

      其中$ {S}_{{\mathrm{e}}} $是电学灵敏度, 可由下式计算:

      将机械传递函数与电气传递函数结合, 得到完整的传感器系统动态响应模型:

      其中$ {S}_{{\mathrm{T}}} $为传感器的灵敏度, 数值上等于机械灵敏度与电学灵敏度的乘积. 压电振动传感器频率响应的典型范围在$ 3/\tau $和$ {w}_{n}/5 $之间. 低频响应受压电传感器的RC时间常数$ \tau $限制, 而高频范围则受机械谐振频率$ {w}_{n} $的限制. 压电特性$ {K}_{{\mathrm{q}}} / C $和结构特性$1/ {w}_{n}^{2} $决定了加速度传感器的灵敏度. 因此, 在高频响应和高灵敏度之间需要折中.

    3.   高温压电材料

    • 压电振动传感器是基于压电材料的压电效应制成的, 一般情况下, 压电材料的最高使用温度不能超过居里温度的一半[36,37]. 为了确保传感器能在极端环境中稳定工作并保持良好的灵敏度, 必须选择高居里温度、高压电常数、高电阻率和低介电损耗的压电材料作为传感器的敏感元件[33,38]. 目前常用的高温压电材料有压电陶瓷和压电单晶. 高温压电陶瓷材料具有高压电活性和高动态响应速度, 制备成本低, 可大规模生产, 是最受商业欢迎的传感元件[33]. 高温压电晶体的电阻率和高温可耐受性远高于压电陶瓷材料, 但生长工艺复杂, 成本相对较高, 抗冲击性差, 压电常数相对较小, 这些缺点限制了单晶加速度计设计的灵活性[23].

      • 3.1.   高温压电陶瓷

    • 最常研究的压电陶瓷材料主要有钙钛矿型、铋层状型和钨青铜型等[39], 经过特定的组分设计和工艺处理, 大部分能应用于高温压电领域. 钙钛矿是一种复合金属氧化物, 结构如图4(a)所示[40], 化学通式为ABO3. PbTiO3(PT)是一种常用铅基钙钛矿结构压电陶瓷, 居里温度490 ℃, 具有高极化强度. 纯PbTiO3陶瓷烧结困难, 在降温冷却过程中由于相变产生的应力易导致陶瓷内部出现裂纹. 将PbTiO3和PbZrO3进行固溶, 即可得到商用陶瓷锆钛酸铅PbZrO3-PbTiO3(PZT). PZT不仅具有出色的压电、介电性能, 而且制备工艺简单成熟, 成本低廉, 成功占据压电陶瓷的主要应用市场, 但居里温度较低仅有386 ℃, 使用温度上限很难超过300 ℃, 限制了其在超高温领域中的应用[41,42]. 2001年, 具有高居里温度的Bi(Me)O3-PbTiO3钙钛矿体系被首次报道[43], 其中Me3+是半径相对较大的Sc3+, Y3+, Fe3+, Ga3+, Yb3+, In3+等离子. 随着Me3+离子半径的降低, 容差因子减小, 晶格畸变增大, 居里温度会升高, 同时需要与更多的PbTiO3才能形成准同型相界(MPB), MPB处的居里温度也越高, 如BiYbO3-PbTiO3的TC约为650 ℃, BiInO3-PbTiO3的TC约为550 ℃, Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-PbTiO3的TC约为480 ℃. 但这些含铋钙钛矿的压电常数通常较低, 一般小于200 pC/N. BiScO3-PbTiO3(BS-PT)体系在MPB附近时表现出优异的综合压电性能, 居里温度可达450 ℃, 压电常数d33为460 pC/N, 介电常数达到2000, 机电耦合系数为0.56 [43]. 通过化学改性、制备与烧结工艺优化, 可以将BS-PT基陶瓷的居里温度和压电常数分别提升至500 ℃与700 pC/N以上[44–46], 但由于机械品质因子小、制备成本高且含有害元素Pb等问题, 限制了其使用范围. BiFeO3具有高达827 ℃的居里温度以及100 μC/cm2的极化强度使其成为最具潜力的高温钙钛矿材料之一[46–48]. 将BaTiO3与高居里温度的BiFeO3固溶, 掺杂Mn元素后制备出BiFeO3-BaTiO3(BF-BT)陶瓷, 压电常数d33可达116 pC/N, 居里温度能达到619 ℃[49–51]. 此外, 通过高温淬火工艺消除缺陷偶极子钉扎效应, 可以在BF-BT-BiGaO3陶瓷中获得d33约为402 pC/N和TC约为454 ℃的优异综合压电性能[52]. 然而, 淬火工艺稳定性较差, 且热震会在样品内部形成微裂纹从而降低样品的机械性能, 不适用于工业应用. 在BiFeO3-PbZrO3(BF-PT)中掺杂稀土Nd元素, 可将居里温度提升到560 ℃[53], 或者增加PbZrO3组元制备BiFeO3-PbZrO3-PbTiO3压电陶瓷, 居里温度也能达到560 ℃[54]. 为突破压电常数与居里温度间相互制约关系, Sun等[55]在BiFeO3-BaTiO3-PbTiO3三元体系中的三相点附近获得了具有大轴比多级纳米畴的四方相结构, 其在电场下会不可逆的重构为三方-四方共存结构, 从而获得了d33约为380 pC/N和TC约为483 ℃的优异综合性能, 与此同时, 该材料含铅量低且不需淬火等复杂工艺, 使得它在高温钙钛矿材料中展现出明显的优势. 在可持续发展的大环境背景下, K0.5Na0.5NbO3(KNN)和Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)等环境友好型无铅压电陶瓷成为研究的热点[56–59]. 但由于碱金属元素高温易挥发, 无铅压电陶瓷的压电性能和居里温度较低、矫顽场高、机械加工性能差等限制了实际应用[60]. 研究人员通过各种掺杂取代、引入新组元及改善烧结条件的方法对其压电性能进行优化, 已取得不错的成果, 然而对于提升居里温度的研究较少, 因此高温应用困难[57,58,61–66].

      钨青铜结构化合物是仅次于钙钛矿结构的第二大类铁电体, 化学通式为[(A1)2(A2)4C4][(B1)2(B2)8]O30, 其中A和B分别位于氧八面体形成的间隙和氧八面体中心位置, 结构如图4(b)所示[40]. 钨青铜结构压电材料具有高居里温度、大自发极化、低介电常数和良好的热释电性, 但烧结密度低、温度稳定性差等缺点限制了其使用. 偏铌酸铅(PbNb2O6)是最早发现的钨青铜结构铁电体, 居里温度为570 ℃, 具有很强的抗退极化性能和较大的压电常数各向异性, 同时存在压电性能差、机电耦合系数较低和烧结困难等缺点[67,68]. 现有的报道常通过掺杂改性及工艺改进的手段提高PbNb2O6的压电特性和烧结性能. 偏铌酸铅中掺杂Bi和Ti元素能使电学性能得到优化, 压电常数达到92 pC/N, 居里温度TC达到593 ℃, 显著改善了材料结构和压电性能的热稳定性[69]. 通过用Ba2+取代PbNb2O6中Pb2+, 并分别掺杂Cr2O3, Y2O3, Sm2O3, Nd2O3和CeO2等不同化合物, 能使压电性能和工艺稳定性均得到提高, 居里温度达到了420—600 ℃[70]. 在PbNb2O6中掺杂CuO作为烧结助剂, 使陶瓷体密度显著提高11%, 压电常数d33提高到190 pC/N[71]. 在改进工艺方面, 可以采用溶胶-凝胶法及两段式热处理法得到高密度PbNb2O6[72]; 或是使用脉冲热处理技术保持PbNb2O6正交铁电相的稳定性[73]; 也可以运用模板生长法控制PbNb2O6陶瓷晶粒取向保持高居里温度[74]; 或是采用分层生长法制备出具有合适织构度的晶粒取向PbNb2O6[75]. 使用这些工艺制备的偏铌酸铅陶瓷相比于传统陶瓷来说, 能有效提升压电铁电性能. 除此之外, 在A位引入适量空位缺陷能有效提高PbNb2O6的介电和压电性能. Fang等[76]在PbNb2O6中通过非化学计量掺杂引入A位空位, 有效地抑制晶粒异常长大, 在保持较高TC (543 ℃)的情况下, 将介电常数$ {\varepsilon }_{{\mathrm{r}}} $从197提升到523, 压电常数d33从30增加到83 pC/N. 现有的使用偏铌酸铅基压电陶瓷材料作为敏感元件的加速度计使用温度范围可达480 ℃.

      高温应用最具潜力的压电陶瓷材料是铋层状结构氧化物, 它是由一个(Am–1BmO3m+1)2– 类钙钛矿层与一个(Bi2O2)2+类萤石的氧化铋层沿c轴方向有规律的交替排列而成, 其中A为具有12配位的 +1, +2, +3价离子或它们的组合, B通常是适合于八面体配位的阳离子, m为整数, 是相邻(Bi2O2)2+层之间的氧八面体层数, 其值一般为1—5, 结构如图4(c)所示[40]. 铋层状结构压电陶瓷材料种类繁多, 到目前为止, 已报道50多种, 具有高居里温度、良好的温度稳定性、大自发极化、低介电常数、高电阻率、高机械品质因数、低老化率等优点. 它们的居里温度差别很大, 一般而言m值越大居里温度越低. 居里温度在400 ℃以下的铋层状结构压电陶瓷, 压电性能远低于BS-PT, KNN基等压电陶瓷体系. 因此, 对铋层状结构压电陶瓷的研究多集中于具有较高居里温度的铋层状结构体系. 按居里温度高低, 主要分为三个系列: TC约为600 ℃, TC约为800 ℃, TC约为900 ℃, 比如m = 3的Bi4Ti3O12(TC约为600 ℃), m = 4的Na0.5Bi4.5Ti4O15(TC约为600 ℃), m = 4的CaBi4Ti4O15(TC约为800 ℃), m = 2的CaBi2Nb2O9(TC约为900 ℃)和m = 2的Bi3TiNbO9(TC约为900 ℃)[77]. 然而, 铋层状结构压电陶瓷作为高温压电材料, 存在诸多问题, 一是其特殊的晶体结构使自发极化的转向受限于a-b面, 导致压电常数d33较低[78]; 二是其高的矫顽场EC不利于极化; 三是陶瓷在高温烧结过程中, Bi元素的挥发会导致组成偏离化学计量比. 为了提高铋层状压电陶瓷的压电性能, 现阶段主要采取以下几种方法: 一种是掺杂改性, 包括A位、B位、AB位掺杂以及形成固溶体. 掺杂可以引起相结构转变, 改变结构畸变大小, 增大理论自发极化强度, 降低EC, 降低体系内的氧空位进而减小介电损耗、增强绝缘性能, 增大击穿场强, 提高铁电压电等电学性能. Long等[79]用稀土元素Ce/Nd和Li共掺Na0.5Bi2.5Nb2O9, 压电性能可以分别提高到31 pC/N和29 pC/N. 另一种是优化工艺, 比如通过一些特殊的工艺处理控制晶粒的生长取向, 包括模板晶粒生长、火花等离子烧结、热压烧结等方法, 从而得到织构化的陶瓷. Li等[80]使用模板晶粒生长法得到高织构度(98%)的Ca0.85(LiCe)0.075Bi4Ti4O15压电陶瓷, 压电常数d33提升到了33 pC/N. 铋层状压电陶瓷织构化可以使其具备高度的各向异性, 大大增强压电性能. 或者还可以添加烧结助剂, 能在低于常规烧结温度下引入液相, 降低陶瓷的烧结温度, 避免Bi元素大量挥发, 也能引起铋层状压电陶瓷晶胞参数的变化, 进而影响其电学性能. Pan等[81]在制备CaBi2Nb2O9(CBN)陶瓷的过程中添加B2O3作为烧结助剂, 引起了晶格畸变和自发极化强度的增加, 同时诱导出了一定的(001)取向织构, 提升了其压电性能(d33约为20.4 pC/N)和电阻率. 总体而言, 铋层状结构氧化物居里温度高, 适合作为高温压电陶瓷材料应用, Endevco公司曾发布一款使用堆叠CaBi2Nb2O9陶瓷作为传感器敏感元件的加速度计样机, 灵敏度达到4 pC/g, 可在630 ℃高温下持续工作, 在较宽温度范围内的热偏差约为10%[82].

      图5对比了不同体系陶瓷的压电常数d33与居里温度TC之间的关系, 可以看出大部分铅基陶瓷的压电常数很高, 但其居里温度低; BNT, KNN等无铅压电陶瓷经过掺杂改性后压电常数较高, 居里温度仍偏低, 这些压电陶瓷材料使用温度往往低于500 ℃, 属于中低温压电材料范畴. BS-PT, BF-PT, BF-BT等压电陶瓷具备较高的居里温度, 压电性能良好, 普遍应用于高温传感器和驱动器[44,83,84]; 钨青铜结构压电陶瓷压电常数较高, 但居里温度适中, 介电损耗大且容易老化; 铋层状结构压电陶瓷虽然压电活性偏低(约20 pC/N), 但居里温度通常在500—1000 ℃之间, 普遍高于其他压电陶瓷, 具有广泛应用于高温压电振动传感器的潜力[77,85,86].

      • 3.2.   高温压电单晶

    • 高温压电单晶是高温压电材料的重要组成部分, 压电晶体的性能稳定、均匀性好、居里温度高, 有些压电晶体甚至在熔化前不会发生相变, 因此广泛应用于高温压电领域. 目前常见的高温压电单晶材料有石英、电气石、黄长石、磷酸镓、铌酸锂、氮化铝、硅酸镓镧系列、硅酸钛钡和硼酸氧钙稀土系列晶体等.

      石英晶体是最早被使用的压电材料, 主要成分为SiO2. 它的化学物理性能稳定, 机械品质因子高, 电阻率良好(室温可达1017 Ω·cm), 机械损耗和介电损耗低, 熔点高(1750 ℃), 可以用水热法人工合成, 制备成本低[87]. 石英晶体元件能在宽的温度范围内稳定工作, 热释电输出很低, 但最高应用温度仅在300 ℃, 高于此温度会有机械孪生发生, 介电损耗增高且压电性能降低, 573 ℃时会发生结构相变, 870 ℃时压电性能消失, 所以在高温压电领域的应用受到限制[88].

      电气石是第一种被发现具有压电效应的材料, 属于三方晶系, 化学通式为XY3Z6Si6O18(BO3)3W4, 成分复杂. 它具有良好的电阻率, 1000 ℃时可达106 Ω·cm, 熔点介于1105—1725 ℃之间, 在熔点之前没有相变和孪生, 但会受到强烈的热电效应. 电气石的压电常数较低, 仅在1.1—3.4 pC/N. 由于成分复杂且是天然晶体, 很难人工合成, 目前人工生长的方法还在进一步摸索中[89].

      矿物质黄长石是丰富的固溶体, 存在于火成岩、变质岩、陨石和高温炉炉渣中. 黄长石的晶体结构为四方对称, 空间群为$P\bar42_1m$. 它的化学组成范围很广, 化学通式为(A1A2)2{(B1B2)(C1C2)}3O7, 采用提拉法可以很容易生长出黄长石晶体[90,91]. 黄长石在500 ℃以内具有优异的压电性能、弹性性能和高电阻率, 是高温压电传感应用的良好候选材料[90,92,93].

      GaPO4晶体性能良好, 具有高电阻率、高机械品质因数、高机电耦合系数和良好的压电性能, 但970 ℃左右时会发生相变[94], 机械品质因数下降, 使工作温度限制在700 ℃以下. GaPO4晶体可用高温助熔剂法制备, 但由于原料成本高, 生长困难, 可生产的晶体尺寸小限制了其高温应用[95,96].

      铁电晶体LiNbO3具有较高压电常数(d15可达75 pC/N)和高的机电耦合系数0.6, 居里温度高达1150 ℃[97], 用提拉法易于生长制备大尺寸单晶, 但高温损耗大且电阻率降低, 600 ℃电阻率只有106 Ω·cm, 使其应用温度限制在600 ℃以下. 最近有研究表明如果能提高该晶体的高温电阻率, LiNbO3有望应用于600 ℃以上的环境中[98].

      AlN为六方纤锌矿结构, 压电性能优异, 具有高电阻率和高介电性能, 熔点很高, 可达2200 ℃, 且从室温到熔点不存在相变[99]. 通常采用物理气相传输法制备, 故晶体中缺陷比较多, 难以获得大尺寸优质单晶[100,101].

      硅酸镓镧La3Ga5SiO14(LGS)系列晶体化学通式为A3BC3D2O14 (又称ABCD结构), 属于三方晶系[102], 不具有热电性, 压电性能较好(d33为4— 7 pC/N), 稳定性高, 熔点最高达1500 ℃, 采用提拉法很容易生长出大尺寸晶体, 但在高温下电阻率较低, 使用范围限制在800 ℃以下[103]. 目前, 可以通过掺杂改性和有序化晶体的方法提升LGS晶体的性能[104–106]. 通过不同阳离子元素取代可获得La3Nb0.5Ga5.5O14(LGN)和La3Ta0.5Ga5.5O14(LGT)等无序型晶体, 它们具有与LGS相当的优异压电性能, 但高温电阻率仅有限提高[107–109]. 有序型Ca3TaGa3Si2O14(CTGS)晶体的高温电阻率相较于无序型晶体有大幅提升, 同时介电和机电性能的热稳定性良好. 目前研究人员已制备了大量有序化晶体, 如Ca3NbGa3Si2O14(CNGS), Ca3TaAl3Si2O14(CTAS), Sr3TaGa3Si2O14(STGS), Sr3NbGa3Si2O14(SNGS)等, 并证明了结构有序型晶体较无序型晶体具有更好的高温电学性能, 已成为高温压电晶体材料的研究热点.

      Ba2TiSi2O8(BTS)晶体属于四方晶系, 在熔点1445 ℃之前没有发生结构相变, 具有良好的热稳定性和高压电常数, 剪切压电常数d15达到18 pC/N, 600 ℃时沿Z轴方向的电阻率大于109 Ω·cm, 介电常数高 (1 kHz可达到5000), 介电损耗低(<4%), 可采用提拉法进行生长, 是高温传感应用的潜在候选者[110,111].

      硼酸氧钙稀土类晶体ReCa4O(BO3)3(ReCOB)属于单斜晶系, 不存在对称中心[112], 具有良好的高温压电性能、高机电耦合系数、高电阻率[113], 熔点高达1500 ℃, 能在1000 ℃高温环境中稳定工作, 可以通过提拉法生长高质量大尺寸晶体[114], 是超高温传感应用的理想材料. 其中, 硼酸氧钙钇晶 体YCa4O(BO3)3(YCOB)压电常数d15达到6— 10 pC/N, 机械品质因数高达10000以上, 介电损耗低(<0.1%)[115], 1000 ℃时的电阻达到10 MΩ, 比LGS晶体高了2—3个数量级[116], 已被用于制作超高温振动传感器.

      图6(a)总结了这些常见的高温压电单晶材料压电常数d33与居里温度或熔点之间的关系, 可以看出单晶压电常数基本不高. 对于高温压电材料来说, 实际最高使用温度受材料居里温度或相变温度、熔点、电阻率、压电性能稳定性、介电损耗等因素的影响. 其中, 电阻率尤为重要, 压电材料的电阻率会随着温度的升高而降低, 当电阻率低于106 Ω·cm时将直接导致传感器失效. 图6(c)和图6(d)为高温压电晶体电阻率随温度的变化情况, 电阻率最高的是ReCOB类晶体, 基本上在1000 ℃时电阻率仍保持在107 Ω·cm以上[117,118], 能应用于1000 ℃以上温度, 是最具应用潜力的超高温压电材料. 图6(b)反映了不同压电材料的最大使用温度范围, 其中红色条纹部分表示相变温度或熔化温度, 紫色条纹部分表示可使用的温度范围[119], 可以发现, LiNbO3晶体虽然居里温度超过1150 ℃, 但由于电阻率较低, 使用温度只能控制在600 ℃以下; GaPO4晶体具有较高的电阻率, 但其相变温度限制在970 ℃; 电气石熔点高且具有良好的电 阻率, 最高使用温度可达1000 ℃, 但化学成分复杂, 人工合成困难, 限制了其应用; 虽然LGS晶体在熔化之前不会发生相变, 但电阻率的下降将使用 温度限制在800 ℃以下; ReCOB晶体综合性能最好, 在1200—1300 ℃的温度范围内, 电阻率保持在106 Ω·cm左右, 可用作超高温压电振动传感器的敏感元件[85,120].

    4.   压电振动传感器模式

    • 压电振动传感器相较于其他压阻式、电容式、应变式传感器, 具有更好的线性度、长效稳定性和动态测试特性, 受到越来越广泛的关注. 根据不同应用场景的需求特性不同, 压电振动传感器主要有三种设计结构: 弯曲模式(悬臂梁式)、压缩模式和剪切模式[34], 图7展示了压电振动传感器三种模式的结构简图. 弯曲模式设计是由附在梁型质量块的压电元件组成的, 重量轻、灵敏度高、响应速度快、分辨率高、背底噪声低、易于微型化集成, 能够实现微米级尺度微弱信号的高速度和高精度实时检测, 广泛用于需要测量低频和低加速度信号的工作场景[121,122]. 但由于压电材料存在固有的电荷泄漏现象, 影响了弯曲模式传感器测量准静态微尺度力的精度[123], 整体结构比较脆弱, 频率范围比较窄. 压缩模式传感器结构简单、加工便捷、制作成本低, 同时具有较高的强度、刚度, 表现出更高的共振频率和更宽的频带, 能承受高水平瞬态振动, 但它的压电元件位于底座和质量块之间, 振动信号直接通过底座作用于压电片, 因此对外界力和温度的变化更加敏感, 底座的弯曲或热膨胀容易引起较大测量误差, 背底噪声高, 横向灵敏度大, 抗干扰能力较差. 剪切模式传感器结构较为复杂, 它的压电片与基座之间由于中心柱的作用多了一个缓冲区域, 压电片垂直于底座固定, 与底座不直接接触, 抗干扰能力强, 宽温度范围内的性能稳定. 这种结构提供了高电荷输出, 有效地提高了传感器的灵敏度, 但也存在固有频率低、可用频率带宽窄等缺点[124]. 表1总结了不同结构类型压电振动传感器的优缺点和应用场景.

      • 4.1.   弯曲模式

    • 图8展示了弯曲模式压电振动传感器的四种基本构型[34], 图8(a)是一种单悬臂梁结构, 质量块与基底的连接处只有一个梁, 质量块除了沿z轴平移之外, 还会沿x轴和y轴旋转. 图8(b)和图8(c)为双悬臂梁结构, 两者区别在于图8(c)是对称双悬臂梁结构, 而图8(b)是不对称双悬臂梁结构. 图8(d)展示的是四对称悬臂梁结构, 存在四个压电元件, 由四根对称悬臂梁悬挂的中心质量块只沿z轴方向振动, 在其他方向上的振动可以忽略不记. 弯曲模式压电振动传感器中除了梁悬挂的弯曲应力外, 还会存在拉应力, 但由于位移极小, 所以拉应力对加速度计线性度的影响基本可以忽略不记[34].

      弯曲模式压电振动传感器性能优异, 适用于检测运动中的微小变化, 是测量低频振动和稳态加速度的理想设备. 近年来, 随着微机电(MEMS)加速度传感器的广泛应用, 带悬臂梁的弯曲模式压电加速度计的研究得到进一步发展[125]. Guo[126]设计了一种LGS声表面波温度-加速度传感器, 如图9(a)所示, 在传感器中考虑了加速度灵敏度随温度变化的补偿方式, 将加速度和温度完全解耦, 实现了加速度温度补偿, 提高了传感器在不同温度下的加速度测试精度. Shi等[127]制作了一种d31模式的四悬臂梁集成拾振微球MEMS压电加速度计, 传感器结构如图9(b)所示, 包括框架基座, 中心拾振微球及四根结构对称的悬臂梁, 该加速度传感器的电压灵敏度在1152 Hz时可达到13.8 mV/g, 具有良好线性响应关系和抗干扰能力. Xu等[128]研制了一种基于PZT薄膜的d33模式压电振动传感器, 该传感器中压电薄膜的极化方向与形变方向都是水平的(图9(c)), 使用d33振动模式提高了加速度计的灵敏度和固有频率, 具有更好的实用性. 图9(d)展示了通过超声微加工获得的LGS和GaPO4压电振动传感器, Le Traon等[129]介绍了该传感器具有实现两种弯曲模态高绝缘的专用解耦结构, 实验结果表明LGS谐振器质量因子非常低, 而GaPO4谐振器具有高质量因子, 应用潜力巨大. Li等[130]提出了一种基于双U型槽复合梁的新型ZnO薄膜振动传感器, 它由双U型槽压电复合悬臂梁和串联结构的电极组成, 如图9(e)所示, 这种结构中ZnO薄膜的平均应力是常规压电复合悬臂梁结构的1.5倍, 电学串联方式可以获得3倍的输出电压, 通过实验可知该双U型槽压电加速度计的灵敏度是常规悬臂梁加速度计的4.5倍. Han等[131]介绍了一种基于微分谐振梁和力平衡电容板的三轴加速度计, 由1个质量块、4个两端夹持且工作在弯曲模式下的桥式谐振器、4个L型支撑梁、底板和顶板组成(图9(f)). 它通过弯曲模式下的桥式谐振器检测沿x轴和y轴的平面内加速度, 并在力平衡模式下使用差分板电容来检测z轴加速度.

      • 4.2.   压缩模式

    • 压缩模式振动传感器的结构如图10所示[132], 根据质量块和压电片的放置顺序不同, 可分为中心压缩式和倒装压缩式两种. 由于发展历程较早, 结构简单, 坚固耐用等因素, 现有的对压缩式压电振动传感器报道较多. Wang等[133]制作了一种基于Ho掺杂的CNGS晶体纵向d11模态的中心压缩式压电振动传感器, 结构如图11(a)所示, 它的平均灵敏度约为0.722 pC/g, 极端工作温度可达600 ℃, 最大灵敏度温度偏差小于5.2%, 能够实现稳定的高温传感应用. Chen等[134]提出采用AlN晶体作为压电元件制作耐高温传感器, 图11(b)展示了AlN高温压电振动传感器结构示意图和实物图, 它具有优于压电陶瓷振动传感器的高温灵敏度稳定性, 同时能够获得很好的灵敏度和频率响应特性. Zhang等[135]设计并制作了一种六自由度压缩式加速度传感器, 简化模型和样机实物如图11(c)所示, 通过建立压电六自由度加速度计灵敏度的多参数分析数学模型、进行有限元仿真分析及样机测试实验, 验证了所提出的多参数模型和方法的可靠性, 为进一步研究设计六自由度压电加速度计奠定了理论基础. 图11(d)为某型号高温压缩式压电加速度传感器实物图及其内部结构图, Pan[136]利用有限元分析方法进行固有频率定量计算, 分析了传感器在一定激励下的响应情况以及温度效应的影响, 在此基础上测试了使用两种不同切型的YCOB晶体的传感器在高温下的灵敏度变化, 得出通过晶体切型优化来提高传感器灵敏度的方法.

      • 4.3.   剪切模式

    • 剪切模式的压电振动传感器是当前最流行的设计, 结构如图12所示[137], 主要由压电片、质量块、底座、预紧螺栓和外壳组成, 按结构可细分为平面剪切式、三角剪切式和环形剪切式三种. 剪切型传感器一般使用多片压电片, 采用电学并联方式连接, 结合电荷放大型电路从而获得大的电荷灵敏度. 环形剪切型传感器采用了空心柱形的压电材料, 将环状质量块置于压电柱外层, 通常用于测量冲击加速度. 三角剪切型传感器结构较为复杂, 与其他类型剪切式传感器相比, 具有最高的灵敏度和较高共振频率[138]. 考虑到结构简易程度, 目前最常用的还是平面剪切型压电振动传感器.

      剪切型压电加速度传感器的性能要远远优于压缩型压电加速度传感器, 故近些年来对剪切模式压电振动传感器的研究日益增多. Ding[139]从传感器螺栓预紧力和接触刚度、动力学模型和有限元仿真等方面对剪切式高温压电加速度传感器进行了研究, 分析了传感器结构参数、材料以及温度对传感器性能的影响, 总结了一种完善的剪切式高温压电加速度传感器设计方法, 并分别设计了偏心剪切式加速度计(图13(a))和对称剪切式加速度计(图13(b)). Zeng等[140]通过优化CTGS晶体切型设计并制备了基于CTGS的平面剪切式压电振动传感器, 结构如图13(c)所示, 它的质量块设计成弧形结构以充分利用传感器内部空间, 能在600 ℃高温环境下稳定工作, 1.1 kHz时平均电荷灵敏度为2.56 pC/g, 具有较高的频率稳定性. Shi等[141]提出了一种三角剪切结构的微震监测用压电振动传感器(图13(d)), 谐振频率为6150 Hz, 工作频率范围为0.1—2050 Hz, 电荷灵敏度高达1600 pC/g, 满足微地震信号监测的频率范围和超高灵敏度要求. 图13(e)展示了Wu等[138]设计的平面剪切式加速度计和三角剪切式加速度计, 两者采用了不同的预紧结构. 平面剪切式结构将压电元件固定在中心柱与质量块之间, 通螺栓施加预紧力; 三角剪切式结构中三个质量块与压电元件通过预紧环进行紧固, 灵敏度和谐振频率更好. 图13(f)是美国Dytran公司生产的一款环形剪切式高温加速度传感器, 采用圆柱形中心柱和环形压电元件, 弯曲的质量块与压电元件贴合并用预紧环固定, 工作温度范围为–51—649 ℃, 灵敏度为1—2 pC/g, 频率响应范围能达到2500 Hz, 重量仅35 g. Kapusuz等[142]将该加速度计应用于炼钢过程中从钢水中分离钢渣及熔渣的监测, 有效地避免人工控制造成的故障率及钢铁质量问题. Metz[143]介绍了两款成熟的商用平面剪切式高温加速度计, 实物外形如图13(g)所示, 左边是357D90型剪切式高温加速度计, 已成功应用于地面及航空衍生涡轮发动机, 右侧是该系列新产品EX611A20型差动剪切式高温加速度计. 两者均采用人工合成晶体UHT-12TM作为压电元件, 该晶体具有较高的高温绝缘电阻和相对较低的电容, 无热释电输出, 与差分电荷放大器一起使用时, 工作噪声很低. 这两款剪切式高温振动传感器均能长期安全可靠的工作于649 ℃高温环境中.

    5.   振动传感器校准装置

    • 为了测试振动传感器的性能是否满足设计要求, 需要搭建振动传感器校准测试装置. 校准测试系统通常包括常温测试系统和高温测试系统. 常温测试系统比较简单, 适合验证优化设计是否有效, 高温测试系统相对来说较为复杂, 适合测试传感器的高温特性. 除高温测试系统所需的加热设备外, 一般都是由激励产生设备、信号采集设备和图形显示设备组成的. 激励产生设备包括信号发生器、功率放大器和标准激振器, 信号采集设备一般是由电荷放大器和信号采集器组成, 图形显示设备指的是计算机或示波器, 加热设备包含升温装置、温度测试及控制电路.

      目前常用的压电加速度传感器常温标定实验测试平台如图14所示, 图中展示了各个器件之间的工作关系[141]. 在测试系统中, 首先采用激振器提供稳态正弦激励, 利用信号发生器和功率放大器对产生的激励进行控制, 通过信号发生器改变所需的振动频率, 通过控制功率放大器的增益调节加速度的大小. 然后使用电荷放大器对标准压电加速度传感器和所设计的压电加速度传感器电信号进行放大, 经过信号调理后传送到信号采集器, 再经过A/D转换后传送到计算机进行数据处理, 最后记录压电加速度传感器和标准压电加速度传感器的灵敏度测试曲线.

      高温环境的测试装置如图15所示, 这里展示了报道过的两种传感器高温校准方法. 一种是振动比较法, 如图15(a)所示, 它在常温测试平台的基础上增加了高温炉和高温支架, 从而为传感器提供高温测试环境[35]. 传感器通过氧化铝棒放置在垂直管式炉中, 将氧化铝棒通过铝螺栓连接到激振器上. 首先利用信号发生器产生正弦信号, 经功率放大器放大, 再驱动激振器产生所需振动. 从待测传感器输出的电荷信号通过电荷放大器转换并放大为电压信号被锁相放大器记录, 同时电压信号也被示波器记录, 用于瞬态信号分析. 然后使用一个标准加速度传感器作为参考来测量来自激振器的加速度, 通过信号调节器记录在示波器上. 为了降低电磁噪声, 用铝箔对激振器进行屏蔽. 最后对两个传感器的输出信号进行比较和处理, 即可得到待测传感器的性能参数. 另一种是图15(b)展示的利用激光干涉仪标定加速度传感器的激光干涉振动绝对校准法, 该标定系统由绝对法振动校准装置和智能温度控制装置两部分组成[144,145]. 绝对法振动校准装置包括信号发生器、功率放大器、激振器、信号处理器、激光干涉仪、数据采集卡及计算机等, 智能温度控制装置包括半开放式温度室, 其腔体顶部用玻璃密封一个孔便于激光通过. 首先利用计算机控制程序让温度室加热升温, 创造传感器校准所需的温度环境. 然后使用信号发生器产生稳定的激励波形, 利用功率放大器放大此信号并驱动标准激振器产生振动, 传感器在振动台振动作用下敏感元件输出相应的电信号, 同时以激光干涉仪作为标定标准, 利用外差激光干涉仪对传感器的振动量值进行测量, 由数据采集卡对传感器的电信号和激光干涉仪信号进行采集, 利用计算机软件对这两个信号解调计算, 即可得到传感器的灵敏度幅值和相移情况. 振动比较法校准本质上是将待测传感器与标准传感器相比较而获得待测传感器灵敏度的方法, 在较窄频率范围内只能得到加速度计的灵敏度量级偏差, 校准的不确定度比较大, 而振动绝对法校准是通过激光干涉仪将振动量级及传感器的特征参数直接溯源到长度和时间等基本物理量, 振动校准的不确定度较小[146].

    6.   高温压电传感器研究进展

    • 高温压电振动传感器因高灵敏度、低复杂度、低质量和低成本等因素广泛应用于高温领域. 面对一些超高温应用场景如航空航天发动机、核反应堆核电机组、动力涡旋机燃烧室等, 传感器需要承受的温度可达到1000 ℃, 这对传统压电振动传感器的设计与研制提出了巨大的挑战. 为了满足实际应用的迫切需求, 近年来国内外学者均开展了相关的超高温压电振动传感器的研制工作, 在现有的一些基础研究中, 高温振动传感器的应用温度范围也大大提升.

      • 6.1.   弯曲式压电振动传感器

    • Paul等[147]设计了一款宽加速度负载范围的高温悬臂梁式加速度计, 能在室温至538 ℃温度范围内工作. 加速度计结构如图16(a)和图16(b)所示, 它包含不锈钢封装外壳, 纵向延伸的陶瓷横梁及固定在横梁上的质量块. 当传感器受到振动加速度时, 质量块由于惯性导致横梁发生偏移, 在横梁上下表面产生相反的弯矩, 横梁内部产生拉伸和压缩应力并转化为上下表面的最大应变, 由固定在横梁上下表面的两组钨铂合金应变片感应, 从而产生与加速度成比例的信号. 为防止横梁在高加速度下无限制移动导致断裂, 在外壳上固定止动组件(图16(c))将横梁端部固定在可释放的约束装置上以防止横梁的横向位移. 由图16(d)可看出, 横梁端部插入安装柔性衬垫组件的缓冲件凹槽中, 图16(e)中的约束装置位于缓冲件框架的背面, 用于柔性衬垫组件的固定. 质量块由上下两块钨合金组成, 热膨胀系数与横梁兼容, 下质量块结构如图16(f)所示, 它与横梁对接固定在横梁上. 由这些设计制成的悬臂梁式加速度计能承受宽负载范围的加速度, 且稳定服役于高温环境, 性能可靠、成本低, 具有良好的应用前景.

      Brian等[148]提出了一种可温度补偿的悬臂梁式加速度计, 通过两个力传感元件约束质量块的运动, 有效地克服了悬臂梁式加速度计中振动梁和质量块之间热膨胀的不利影响, 能用于高温环境的振动测试. 如图17(a)所示质量块包括主体部分和两个横向延伸梁, 通过挠性铰链安装在加速度计的外壳上, 两个力传感元件连接于外壳与质量块的两个横向延伸梁之间. 挠性铰链允许质量块沿敏感轴SA方向上下移动, 也允许质量块沿与SA垂直的补偿轴CA方向做有限的旋转. 当沿SA方向的加速度作用于加速度计时, 会在两个力传感元件上分别产生压缩力和拉力, 导致一个力传感元件的输出信号频率降低, 另一个力传感元件的输出信号频率升高, 从而得出加速度大小. 当加速度计工作于高温环境时, 力传感元件与质量块、挠性铰链和外壳之间的热膨胀或收缩差异也会产生力. 但这个力使质量块绕CA旋转, 而不会影响SA方向的运动, 因此热膨胀引起的频率变化将趋于抵消. Brian等[148]将这种设计原理运用到矩形质量块(图17(b)和图17(c))、圆柱形质量块(图17(d)和图17(e))和方形质量块(图17(f)和图17(g))的三款悬臂梁式加速度计中. 圆柱质量块除了具有上述设计优势外, 由于质量块和空腔体都呈圆柱状, 当其绕CA转动时, 还具有质量块与外壳之间的阻尼间隙的宽度不会随温度变化而改变的优势. 通过这种使用两个振动梁力传感元件的结构设计, 能消除许多与悬臂梁加速度计相关的误差源, 提高传感器的高温测试精度.

      近年来, Kubasov等[149]提出了一种用于探测亚纳米级振幅振动的LiNbO3单晶低频振动传感器. 它使用扩散退火后的LiNbO3单晶平板作为压电元件, 该LiNbO3单晶中形成有两种极性相反的铁电畴(简称为B-LN). 传感器采用悬臂梁结构, 通过两个带螺母的不锈钢螺钉将B-LN单晶悬臂梁夹持在多晶氧化铝基座上, 再通过夹具和垫圈将两片铝箔压在钽电极上, 如图18(a)所示. 图18(b)展示了传感器在不同位移幅值的正弦振动激励下产生的电压, 即使在位移幅值仅有0.1 nm时, 产生的电压也相对较强, 该传感器在38 Hz以上频率时, 即使没有任何前置放大仍能够检测位移幅值为0.1 nm的正弦振动. 图18(c)为传感器的频响情况, 在97.25 Hz的谐振频率下传感器的最高灵敏度达到2443 V/g. 该传感器可检测到的最小振动取决于激发频率, 从100 nm(7 Hz) 到0.1 nm(38 Hz以上)不等. 实验结果表明以铌酸锂单晶为敏感元件的悬臂梁式传感器在宽温度范围和超低频振动探测中具有广阔的应用前景.

      • 6.2.   压缩式压电振动传感器

    • Chen等[150]用0.75 BiFeO3-0.25 BaTiO3-1%MnO2(BFBT25-Mn, 其中Mn的含量为原子百分比)陶瓷制作了一种压缩式高温压电传感器, 对其在室温到550 ℃的灵敏度变化情况进行了表征. 图19(a)为所制备的传感器结构示意图, 将BFBT25-Mn压电陶瓷制成厚度为1.2 mm直径为10 mm的圆片并置于高纯氧化铝绝缘块中间, 选用镍铬铁合金作为质量块, 并使用一对弹簧来提供预紧力. 图19(b)比较了在1 g加速度和1000 Hz频率下不同压电陶瓷材料所制传感器的温度敏感性, 压电传感器的灵敏度随温度的变化曲线先增加再急剧下降, BFBT25-Mn的最高工作温度比图中其他压电陶瓷高且灵敏度表现出更好的热稳定性. 为了评估压电传感器在高温下的工作能力和可靠性, 图19(c)展示了将传感器置于不同高温环境连续工作5 h灵敏度随时间的变化情况. 当温度高达450 ℃时, BFBT25-Mn压电传感器灵敏度随时间变化稳定, 表明BFBT25-Mn压缩式传感器具有较高的工作温度、良好的热稳定性和耐久性.

      Cavalloni等[151]研究了一种PiezoStar®商用晶体KI100的高温稳定性情况并将其应用到高温压缩式加速度传感器. KI100晶体结构类似于LGS或LGT, 具有优异的绝缘性能, 电阻非常高, 常温可达到1014 Ω, 800 ℃时仍有108 Ω, 灵敏度是石英晶体的两倍, 温度系数很小, 没有热释电现象. KI100晶体所制成的高温振动传感器使用温度可达700 ℃, 实物如图20(a)所示, 采用压缩模式将多个KI100晶体环堆叠在一起, 使用晶体的d11模式工作. 该传感器接地绝缘, 为了减小电磁干扰, 还配备了一个对称电容的两引脚连接器连接到地. Cavalloni 等[151]对传感器进行了高温稳定性测试, 首先将加速度计在500 ℃环境中老化336 h, 接着在600 ℃老化672 h, 最后在700 ℃老化168 h, 每个老化阶段的灵敏度和电阻随测试温度变化情况如图20(b)和图20(c)所示, 可知不同老化阶段传感器的灵敏度和绝缘电阻变化存在差异, 但差距基本不大. 实验结果表明KI100晶体可连续工作于600 ℃高温环境中, 具有实现更高应用温度的潜力.

      考虑到压电振动传感器压电元件与电极之间的接触刚度会直接影响传感器的振动频率和动态性能, Liu等[152]提出了压电振动传感器的刚度模型并设计组装了一款BTS单晶压缩式高温压电振动传感器, 结构如图21(a)和图21(b)所示. 传感器采用ZXl/47°切型的BTS单晶圆片作为压电元件, 在镍电极片的表面溅射一层铂薄膜, 通过螺栓和螺母将压电圆片和质量块固定在底座上. 它的底座采用具有抗高温氧化和耐腐蚀的Inconel 601合金制成, 质量块与壳体以及金属底座之间是电隔离的, 并在充满纯氩气的手套箱通过激光焊接的方法对传感器进行封装. 图21(c)展示了不同预紧扭矩下传感器灵敏度随温度的变化, 当扭矩为0.4 N·m时传感器在室温至650 ℃的温度范围内灵敏度偏差最小, 将BTS压电振动传感器置于500 ℃环境中连续工作72 h灵敏度基本保持一致(图21(d)). 结果表明, 适当的预紧扭矩可以降低灵敏度的温漂, 提高传感器的性能稳定性, 所制造的压电振动传感器具有良好的温度稳定性, 与市场上现有的482 ℃的同类产品相比稳定性更好.

      此后, 他们对传感器结构进行改进, 设计了一款倒装装配的BTS压缩式高温压电振动传感器(图22(a))[153]. 该传感器由底座外壳、内部信号发生部和侧面连接器组成, 采用ZXl/45°切型的BTS晶体作为敏感元件. 整个信号发生部倒装于底座外壳上能有效地降低传感器装配和测试产生的横 向振动, 避免底部基座变形对输出信号产生的干扰. 底座外壳两端的圆弧形钳口用于将传感器固 定到待测机械表面, 能提高传感器与被测接触面的接触刚度, 降低装配不当引起传感器失效的风险. 图22(b)为传感器的温度响应情况, 随着测试温度的升高, 传感器的热漂移率低于5%, 由图22(c)可以看出, 该传感器能在600 ℃和650 ℃稳定工作. 这种改进的传感器结构简单稳定、介电损耗低、热释电小、灵敏度高、温漂低, 可在600 ℃高温环境中长时间服役.

      Jiang等[154]也使用BTS单晶制造了一款用于650 ℃高温结构健康检测的压缩式振动传感器, 如图23(a)所示. 传感器使用了三层Z/47°切型的BTS晶体环, 利用纵向d33振动模式工作, 晶体环两侧表面覆盖有铂电极且三个晶体环并联连接, 直立压缩设计将压电晶体夹在质量块和刚性基座 之间, 具有灵敏度高、坚固耐用且易于制造的特点. 为了隔离电磁干扰, 每个晶体环产生的感应电荷通过Inconel外壳和特殊的外部接入屏蔽电缆收集. 图23(b)显示了传感器在不同温度和160 Hz频率下随加速度变化的电荷输出情况, 输出电荷线性增加, 表明噪声水平非常低. 通过图23(c)不同频率下灵敏度随温度的变化情况可知, 传感器从室温到650 ℃温度范围内具有良好的稳定性, 平均灵敏度约为2.62 pC/g, 变化低于2%. 此外, 对传感器在高温下长期性能稳定性进行了测试(图23(d)), 600 ℃时传感器的平均灵敏度可保持在2.54 pC/g, 持续200 h以上. 与使用压电陶瓷或铁电晶体作为敏感元件的传统商用传感器相比, 非铁电BTS晶体的老化可以忽略不计, 使传感器工作时间更长, 大大提高了结构系统的耐久性和安全性.

      Zhang等[155]开发了使用单片YCOB单晶的压缩式高温加速度传感器, 结构如图24(a)所示, 它在900 ℃高温环境中表现出良好的稳定性, 且灵敏度维持在(2.4±0.4) pC/g. 传感器采用尺寸为$ 15\;{\mathrm{m}}{\mathrm{m}}\times 7\;{\mathrm{m}}{\mathrm{m}}\times 2\;{{\mathrm{m}}{\mathrm{m}}}^{} $的(XYlw)-15°/45°切YCOB单晶作为压电元件, 选用热膨胀系数与单晶、螺栓、预紧套筒匹配的高密度Inconel高温合金作为质量块材料, 电气绝缘片为高纯氧化铝, 上下电极为铝箔制成. 图24(b)显示了加速度计的灵敏度随频率和温度的变化, 单片YCOB压缩式加速度计的灵敏度在测试温度(0—1000 ℃)和频率(100—600 Hz)范围内变化不大. 图24(c)总结了传感器900 ℃时不同频率下的灵敏度与工作时间的关系, 传感器在900 ℃下连续工作3 h的平均灵敏度为(2.4±0.4) pC/g. 该传感器温度稳定性高、温度系数低, 在高温传感应用中具有很好的发展前景.

      近年来, 还有一些其他构造的压缩式高温振动传感器被提出. 图25(a)是一款带螺帽紧固部的高温振动传感器, 图25(b)为该传感器的剖视图, 在传感器外壳上端增加了螺帽紧固部, 可以通过转动紧固部提高旋合强度, 将传感器稳定安装在待测物体上, 除此之外传感器的固定座与中心轴是一体成型的, 外壳和固定座分离, 方便引脚和压电导电片组件连接, 能降低装配难度, 通过注入惰性气体进行封装, 有效地延长传感器在高温环境的使用寿命[156]. 图25(c)是一款改进的450 ℃高温压电加速度计, 它在一般高温压电加速度计的结构上增加了组合隔热套管和热应力垫圈, 能将质量块与底座、预紧螺母隔开, 及时释放质量块产生的热应力[157]. 图25(d)和图25(e)为Xu等[158]提出的一种耐高温高压的差分式压电加速度传感器, 使用了差分高温铠装电缆, 将电缆内部导线作为传感器的正负极输出信号, 实现了整个传感器的电绝缘, 该传感器在常温至400 ℃的灵敏度变化率低于7%, 灵敏度温度系数不超过0.2%, 可在350 ℃, 17.5 MPa的恶劣环境长期稳定服役. 为了降低高温加速度计的温度漂移, Zhang等[159]设计了一种带温度补偿的高温压电加速度传感器, 如图25(f)所示, 它的压电元件由上面一层负温度系数GdCOB单晶和下面五层正温度系数YCOB单晶堆叠而成, 传感器在常温至800 ℃全温度范围内灵敏度漂移小于±3%, 这种设计能有效地降低传感器的灵敏度温漂, 提高传感器在高温环境的测试精度.

      • 6.3.   剪切式压电振动传感器

    • Ochiai[160]早在1998年就研制了一种灵敏度与温度无关的双边剪切型压电加速度计, 结构如图26(a)所示. 传感器包含一种特殊的复合元件, 由两个矩形板压电元件和一个矩形板电容元件组成, 均为铁电陶瓷材料, 中心开有孔并通过螺栓连接到底座中心柱上. 压电元件为掺杂摩尔分数0.7% Nb2O5的PbZr0.51Ti0.49O3, 电容元件为Pb0.8La0.2(Zr0.4Ti0.6)0.95O3或Pb0.7Sr0.2La0.1(Zr0.5Ti0.5)0.975O3. 在–50 ℃至300 ℃温度范围内压电元件介电常数的正温度依赖性被电容元件的负温度依赖性所补偿, 所制传感器的灵敏度为42 pC/g, 偏差在5%以内. 图26(b)为传感器的温度依赖性曲线, 可看出未经电容元件补偿的传感器灵敏度在–50 ℃至300 ℃温度范围内变化很大, 由Pb0.8La0.2(Zr0.4Ti0.6)0.95O3电容元件补偿的传感器比Pb0.7Sr0.2La0.1(Zr0.5Ti0.5)0.975O3补偿的传感器在所测温度范围具有更小的灵敏度偏差. 图26(c)为传感器的频响情况, 灵敏度在1 Hz—3 kHz频率范围内下降, 然后由于基座和压电元件的机械共振而急剧上升到8 kHz, 所制传感器可在1 Hz—8 kHz频率范围内使用.

      Qin等[161]发明了一款全温区近恒预紧力的剪切型压电加速度传感器, 通过简单的结构设计来控制预紧力变化改善传感器的高温性能. 图27(a)为传感器示意图, 结构简单紧凑, 采用三角安装形式的外壳, 通过激光焊接的方式进行封装. 在传感器截面图27(b)中可以看出螺栓的头部具有一定锥度, 在螺栓头部与质量块中间增加了螺栓垫, 能够有效地缓解加速度传感器中金属部件与压电材料由于热膨胀系数不一致造成的高温热失配, 保证传感器在全工作温区处于近恒预紧状态. 传感器的螺栓预紧力随温度的变化如图27(c)所示, 从室温至900 ℃螺栓预紧力的变化小于10%, 表明通过螺栓垫这个简单的结构设计可使传感器实现全温区范围内的近恒预紧力, 提升传感器在高温时的线性度及抗冲击能力, 降低传感器的灵敏度温漂.

      Liu等[162]制作了一种基于LGT单晶的横向振动型压电加速度传感器, 在20—350 ℃温度范围内160 Hz时传感器样机的平均灵敏度为3.3 pC/g, 线性度达到1.2%. 传感器的结构模型如图28(a)所示, 选用具有良好温度稳定性的XY切型LGT单晶作为压电元件, 四块单晶对称的组装在中心柱两侧, 采用其横向d12振动模态, 传感器总体尺寸为$ 34\;{\mathrm{m}}{\mathrm{m}}\times 30\;{\mathrm{m}}{\mathrm{m}}\times 20\;{{\mathrm{m}}{\mathrm{m}}}^{} $. 质量块和中心柱由Inconel 601合金制成, 为避免薄膜电极在高温下的降解, 采用无电极设计, LGT晶体产生的感应电荷直接通过Inconel 601合金中心柱和质量块收集. 图28(b)为传感器在室温下测试的频率响应, 传感器的固有谐振频率为2.8 kHz, 室温下100—2000 Hz的平均灵敏度约为3.82 pC/g. 图28(c)为160 Hz时不同测试温度的传感器输出电荷随加速度的线性变化, 所制传感器在测试加速度范围内的线性度小于1.2%, 表明基于LGT的压电振动传感器具有良好的线性度和高灵敏度.

      Salazer等[163]设计制作了一种结构简单的剪切式YCOB超高温压电振动传感器, 能稳定工作于1250 ℃超高温环境中. 该传感器选用具有最高厚度剪切压电性能和机电性能的YXt/30°切型YCOB单晶作为压电元件, 质量块、中心柱、螺栓和螺母均由Inconel 601高温合金制成. 在螺母上施加0.6 N·m的夹紧力矩将垫圈和压电元件紧紧固定在中心柱和两个质量块上, 无电极的设计可以避免更高温度下电极退化问题, 图29(a)展示了高温测试后传感器的实物图. 传感器在室温至1250 ℃, 100—300 Hz条件下进行测试, 结果如图29(b)所示, 室温灵敏度为(0.99±0.19) pC/g, 室温至1250 ℃范围内的平均灵敏度为(1.26±0.33) pC/g. 图29(c)为传感器在1250 ℃工作10 h的灵敏度变化曲线, 尽管传感器的灵敏度在前两个小时急剧增加, 但在第4个小时后表现出非常稳定的性能, 平均灵敏度为(8.7±1.63) pC/g. 这些测试结果为开发具有1500 ℃工作潜力的新一代压电传感器迈出了重要的第一步.

      上述基于YCOB单晶设计的高温压电振动传感器灵敏度不高且尺寸相对较大, 为避免这些因素对测试结构动态响应的影响, Kim等[164]研制了一种AlN单晶剪切型加速度计. 它使用两片几何尺寸为$ 7\;{\mathrm{m}}{\mathrm{m}}\times 7\;{\mathrm{m}}{\mathrm{m}}\times 0.8\;{{\mathrm{m}}{\mathrm{m}}}^{} $的AlN单晶片作为压电敏感元件, 采用热膨胀率低(1000 ℃时低于1.78×10–5)的Inconel 601合金作为质量块和基础结构. 为了保持电气绝缘, 将高温浆料沉积在Inconel 601镍铬铁合金面向压电元件的一侧表面, 再将铂导线插入铂电极膜(约 1 μm)和AlN之间, 使用螺栓和螺母固定, 如图30(a)所示. 图30(b)展示了不同温度下传感器的频率响应情况, 传感器在40—600 Hz频率范围内具有平坦的响应, 平均灵敏度达到9.2 pC/g. 传感器在可用频率范围内不同温度下的响应情况如图30(c), 随着温度不断增加传感器始终保持稳定的灵敏度. 由图30(d)可知在1000 ℃高温暴露环境中传感器能稳定工作10 h, 测试后未发现明显的机械损伤. 图30(e)为该传感器经γ射线辐照1个月后不同频率下的感应电荷随加速度的变化情况, 灵敏度未发生明显变化. 研究表明这种AlN加速度计能在超过1000 ℃的高温和长期的γ射线暴露环境中工作, 是监测核电站结构完整性的良好选择.

      Kerrigan[165]在上述单轴AlN单晶剪切型加速度计的基础上进行改进, 制作出一款多轴AlN单晶传感器, 它由三个AlN单晶片组成, 实物和模型如图31(a)所示. 该加速度计质量块同样为Inconel 601合金, 使用HexaTech公司生产的AlN单晶片作为压电元件, 并在AlN晶体的侧壁上沉积了一层金作为电极. AlN单晶通过不锈钢螺钉固定在中心质量块和三个相邻侧面基板之间, 使用高温浆料对其进行绝缘处理, 再通过铂线连接到每个AlN传感元件进行电荷输出. 通过对多轴加速度计的性能进行仿真分析可知, 当x方向施加1 g加速度时y轴和z轴对此加速度无响应(图31(b)所示), 当三轴方向均施加1 g加速度时, 传感器各轴性能相似, 灵敏度均在72 mV/g附近, 工作频率范围在600 Hz以下(图31(c)所示). 同样, 这种多轴AlN单晶剪切型加速度计也适用于高温、辐照和腐蚀环境, 具有核电站检测等实际应用的潜力.

      除此之外, 还有一些其他的结构设计可保障剪切式压电振动传感器的高温性能. 图32(a)为报道过的一款在压电组件外部套设隔热罩的环形剪切式微型集成电子压电加速度计(IEPE加速度计), 通过增设隔热罩能有效地降低压电元件和内部电路板的温度, 隔热罩的内外表面均涂有防热辐射层, 隔热罩和壳体处于真空状态, 在传感器的安装座内还设置了螺旋形结构的散热通道, 通过这些结构设计能将IEPE传感器的使用温度提升至260 ℃[166]. 图32(b)和图32(c)为Howard等[167]提出的两种LiNbO3高温剪切式压电加速度计结构示意图, 使用X切型的LiNbO3晶体作为压电元件, 具有很高的灵敏度和频率响应, 能在538 ℃环境中有效工作. 两者区别在于图32(b)传感器的中心柱两边包含对称的压电元件和质量块, 图32(c)传感器仅单边使用压电传感单元. 这两个传感器都使用了由氧化铝和氮化硼制成的绝缘垫圈, 不仅不导电, 而且摩擦系数很低, 能有效地防止短路以及降低热膨胀不匹配产生的应力. Denis等[168]考虑到了氧化物压电材料在真空或封闭容器会发生高温降解, 使电阻率严重损失, 导电性增强, 传感器失效. 为避免这种情况发生, 他们利用金属银在一定活化温度下允许氧扩散或渗透的特性设计了带有金属银窗的高温压电加速度计, 如图32(d)和图32(e), 利用金属银窗来补偿和调节封装传感器内部的氧平衡. 通过实验验证了银窗结构能延长传感器高温使用寿命, 所制剪切式压电振动传感器能有效工作于566 ℃高温环境. 图32(f)展示的是一种偏心剪切式小型高温振动传感器, 在压电元件两侧设置了陶瓷隔离垫片进行电气绝缘, 采用横向剪切式设计有效地改善了传感器的抗高温冲击性能, 所制传感器体积小、质量轻, 耐高温能力达到650 ℃[169].

      表2汇总了近年来部分高温压电加速度传感器的性能情况, 平面剪切式传感器是当前主流的压电加速度计. 压电陶瓷材料PZT, BF-BT等由于压电性能高、居里温度略低, 作为敏感元件时加速度计的灵敏度高, 但只适用于中低温环境. CNGS, CTGS, BTS, AlN和YCOB等压电单晶由于在高温下性能良好且稳定而广泛应用于高温加速度计, 特别是YCOB高温加速度计, 即使在超过1000 ℃超高温环境下也能表现出高度稳定和可靠的性能. 目前国内外还有许多生产高温压电加速度传感器的商用公司包括PCB Piezotronics, Endevco Corporation, B&K, Vibro-Meter, Kistler USA, Dytran Instruments、厦门乃尔、上海慧石测控和中国电子科技集团公司第二十六研究所等[31,170]. 它们生产的高温加速度计产品性能成熟稳定, 普遍采用外接信号调理设备的电荷输出模式, 通过外部设备如电荷放大器或固定的在线电荷转换器等将传感器的输出信号放大[8]. 其中, 美国和西欧的一些公司生产的用于实际应用的高温压电振动传感器产品主要包含260 ℃, 482 ℃, 538 ℃, 649 ℃, 760 ℃等不同系列, 最高可使用温度达到了815 ℃. 而我国国内高温振动传感器的研究由于起步较晚, 与国外产品存在一定差距, 迫切需求进一步自主研发设计超高温压电振动传感器.

    7.   总结与展望

    • 本文介绍了高温压电振动传感器的实际应用场景及压电传感技术工作原理; 回顾了一些常见的高温压电陶瓷和压电单晶材料; 分析了不同类型的压电加速度传感器结构、原理、优缺点和研究进展, 除此之外还对目前现有的传感器振动校准装置进行了总结. 高温压电振动传感器具有稳定性好、可靠性高、结构简单、响应速度快、易于集成等优点, 是目前最具发展前途的传感技术之一. 然而, 在高温振动传感器的实际应用过程中仍面临着一些困难和挑战.

      1) 作为高温振动传感器敏感元件的压电陶瓷和单晶材料存在一些缺点. 陶瓷材料的压电性能和居里温度两者基本上存在负相关关系, 如大部分铅基陶瓷、铌酸钾钠和钛酸铋钠无铅陶瓷在掺杂改性后压电性能优异但居里温度降低, 铋层状压电陶瓷材料居里温度较高, 但压电常数小. 压电单晶材料居里温度或熔点都很高, 但压电常数低且制备工艺复杂. 在超高温环境中, 一般只能使用压电单晶材料作为压电敏感元件, 如YCOB作为最具潜力的超高温压电单晶材料可应用于1000 ℃环境中, 但由于热释电效应的存在会对传感器产生不良电噪声干扰.

      2) 压电材料作为压电振动传感器的关键核心元件, 它的性能变化决定了传感器的性能稳定性. 高温环境中压电材料的电阻率至关重要, 为了防止电阻率下降干扰到压电效应产生的表面电荷的迁移, 一般情况下传感器使用时的极限电阻率不低于106 Ω·cm, 而且传感器的低频响应也需要考虑电阻大小, 所以必须保证压电材料的电阻率在极端环境中足够大. 然而某些氧化物压电材料在高温密封环境中会缺氧产生氧空位, 使电阻率大大降低, 严重影响传感器性能稳定性. 目前关于高温压电陶瓷和压电单晶材料在各种苛刻环境中电学性能稳定性的研究相对较少, 为了保障高温振动传感器的正常稳定工作, 需要进一步研究高温压电材料在各种极端环境中长期服役的性能变化情况.

      3) 国内关于高温压电振动传感器的研究由于起步较晚, 还没有能应用于600 ℃以上环境的成熟高温压电振动传感器. 然而, 目前国内对于高温振动传感器需求很大, 使用的超高温压电振动传感器基本来自进口. 为了能突破目前面临的超高温振动传感技术瓶颈, 需要加快超高温宽频高灵敏度压电传感器研发工作.

      4) 对于高温压电振动传感器的研究不能仅停留在基础研究水平, 需要提高传感器在超高温环境中的长时工作稳定性, 结合应用场景不断优化设计, 在保证性能的基础上降低成本, 将研究成果走向应用, 开发出成熟的高温压电振动传感器产品, 进一步加快国内压电传感技术发展.

      5) 关于高温压电振动传感器的相关测试还没有国家标准, 需要联合相关单位一起研究起草制定相关国家标准.

    参考文献 (170)

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