CN105334348A

CN105334348A - 一种高温加速度传感器

Info

Publication number: CN105334348A
Application number: CN201410403085.8A
Authority: CN
Inventors: 林全明; 郑燕青; 涂小牛; 孔海宽; 熊开南; 李亚乔; 施尔畏
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2014-08-15
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2016-02-17

Abstract

本发明涉及一种高温加速度传感器，所述高温加速度传感器以结构有序型压电晶体Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄、Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄、Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄和/或Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄作为敏感元件。

Description

一种高温加速度传感器

技术领域

本发明属于高温压电传感器领域，具体涉及一种以结构有序型系列晶体作为敏感元件的高温加速度传感器。

背景技术

压电加速度传感器是一类利用介质材料压电效应制成的加速度传感器。当介质材料受力作用而发生形变时，由于极化现象，其表面会产生电荷，从而实现非电量测量。它已广泛应用于动态力、加速度、压力的测量。随着现代科技的发展，航天航空、军事工业、冶金等领域迫切需要能在高温环境下正常工作的压电加速度传感器。

现使用的压电介质材料可分为三类，分别是高分子压电材料、压电陶瓷、压电单晶。但高分子压电材料的工作温度适合范围为100℃以下，不适合高温苛刻环境，而压电陶瓷具有热释电性，易对力学量测量造成干扰。因此，压电单晶成为高温压电传感器的首选材料。现已商业化的压电单晶主要包括α-石英和铌酸锂单晶。但α-石英在350℃产生双晶，573℃附近产生α-β相变，严重影响其综合性能，制约了其高温应用。铌酸锂单晶的机电耦合系数虽然较大，但其频率稳定性、温度稳定性较差，使其在高温应用方面受到限制。

硅酸镓镧(La₃Ga₅SiO₁₄:LGS)系列晶体(结构无序型：La₃Ga₅SiO₁₄、La₃Nb_0.5Ga_5.5O₁₄、La₃Ta_0.5Ga_5.5O₁₄，结构有序型：Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄、Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄、Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄、Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄)是一类备受关注且性能优异的新型高温压电晶体。其压电系数大，机电耦合系数约为α-石英的2～3倍，至熔点(1300～1500℃)不存在相变，具有零频率温度系数切型，这些优点使其高温应用成为可能。

在2004年之前的20多年内，科研工作者对该系列晶体在传感器方面应用的研究主要集中在-60～200℃。而近10年来，该系列晶体高温传感器应用的研究迅速发展，主要集中在结构无序型LGS系列晶体的表面声波传感器与体声波传感器。HuankiatSeh等人系统研究了LGS晶体表面声波谐振器在高温传感方面的应用(～1000℃)，设计并研制了LGS高温气体传感器。G.Tortissier等人研究了LGS晶体体声波高温传感器，用于苛刻环境下化学成分的检测，并测试了25～450℃范围内延迟线的频率变化。

关于结构无序型LGS系列晶体的高温加速度传感器应用的研究较少，而关于结构有序型LGS系列晶体的高温传感器应用未见报道。

发明内容

本发明旨在进一步拓展现有高温加速度传感器的类型，本发明经过锐意的研究发现敏感原件的高温电阻率高有利于拓展加速传感器的下限频率，因此提供了一种以结构有序型硅酸镓镧系列晶体作为敏感元件的高温加速度传感器。

本发明提供了一种高温加速度传感器，所述高温加速度传感器以结构有序型压电晶体Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄、Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄、Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄和/或Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄作为敏感元件。

较佳地，所述构成敏感元件的材料属于三方晶系，空间群P321，点群32。

较佳地，所述敏感元件的形状可为方形、圆形或圆环形。

较佳地，所述敏感元件可单独使用或多个敏感元件并联使用。

较佳地，所述高温加速度传感器可使用敏感元件的正压缩模式或剪切模式。

较佳地，所述高温加速度传感器工作温度可为-55-649℃，工作频率可为10-2500HZ，能够在1-10g加速度下工作。

较佳地，所述高温加速度传感器的误差可≦10％。

本发明的有益效果：

在高温加速度传感器应用方面，有序型LGS系列晶体具有更多优势。一方面，有序型LGS系列晶体的每种阳离子格位只被一种阳离子占据，其组分的均匀性比无序型LGS系列晶体更好，因此其压电系数、介电系数、电阻率等的稳定性更好。另一方面，当频率低于下限频率，传感器中的感应电荷就会在检测到之前消失。结构有序型LGS系列晶体具有更大的高温电阻率，由于传感器的下限频率与晶体材料的RC时间常数成反比，因此其可应用于更低的频率。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方式中制备的硅酸镓钽钙传感器的灵敏度频率响应，即灵敏度随频率的变化；

图2示出了本发明的一个实施方式中制备的硅酸镓钽钙传感器的灵敏度高低温特性，即灵敏度随温度的变化。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明涉及结构有序型硅酸镓镧系列晶体在高温加速度传感器方面的应用，属于高温压电传感器领域。所述晶体的化学式为Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄、Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄、Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄、Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄。该传感器以所述晶体为敏感元件，其灵敏度频率响应误差(10～2500HZ)与灵敏度随温度(-55～649℃)的变化幅度均小于5％。因而，该传感器具有良好的频率稳定性与温度稳定性。与结构无序型LGS系列晶体相比，所述晶体组分均匀性更好，高温电阻率更大。因此，该传感器压电系数、介电系数、电阻率等的稳定性更好，下限频率更低。

本发明提供了一种高温加速度传感器，以结构有序型LGS系列压电晶体为敏感元件材料，所述压电材料的化学式为Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄、Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄、Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄、Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄，属三方晶系，空间群P321，点群32。

所述的敏感元件形状为方形、圆形或圆环形。

所述的敏感元件可1个单独使用或多个并联使用。

所述的传感器使用敏感元件的正压缩模式或剪切模式。

所述的传感器，其频率响应误差小于一定值。所述一定值的取值范围为0.1％～10％。

所述的频率响应所使用的频率条件为10～2500HZ。

所述的传感器，其灵敏度随温度的变化幅度小于一定值。所述一定值的取值范围为0.1％～10％。

所述工作温度的取值范围为-55～649℃。

该传感器结构采用最普遍的形式，具有实现容易、装配简单等特点。首先将下绝缘片、下电极、多个敏感元件、上电极、上绝缘片、质量块依次套入支柱，支柱与底座垂直相连；接着，在最上端旋上螺母并固定；最后，将底座与外壳、连接器密封。

为了检验该传感器的测试能力，本发明人理论计算了多个敏感元件并联后的输出电阻，并测试了传感器的灵敏度、频率响应、高低温特性等指标。其中，高低温特性最为重要。

高温电阻是传感器高温工作是否稳定的标志，该值的极限为10KΩ。传感器的高温电阻越大越好，而其随温度增加而减小。因此必须保证多个敏感元件并联后的输出电阻在649℃时大于10KΩ。根据相关公式，求得该电阻大于1MΩ，满足传感器高温电阻的要求。

传感器灵敏度、频率响应、高低温特性测试使用的条件如下：加速度取值范围为1～10g，频率取值范围为10～2500HZ，温度取值范围为-55～649℃。

该传感器的灵敏度是利用中频振动台，在一定加速度、一定频率条件下测量的，并与标准传感器进行比较而获得。

该测试过程执行中国计量标准JJG233-2008和美国仪器仪表协会标准ISA–RP37.2–1982(R1995)，测得传感器灵敏度为0～100pC/g。

频率响应测试也执行以上标准，在一定温度、一定加速度条件下测试不同频率时的灵敏度。测试频率按照10Hz的倍频增长。

结果表明，传感器在10～2500HZ的频率响应误差小于5％。因此，该传感器的灵敏度具有良好的频率稳定性。

高低温特性主要是测试传感器灵敏度随温度的变化，在一定频率、一定加速度条件下测试不同温度时的灵敏度。

结果表明，传感器灵敏度随温度(-55～649℃)的变化幅度小于5％。因此，该传感器的灵敏度具有良好的温度稳定性。

以下进一步列举出一些示例性的实施例以更好地说明本发明。应理解，本发明详述的上述实施方式，及以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。另外，下述工艺参数中的具体配比、时间、温度等也仅是示例性，本领域技术人员可以在上述限定的范围内选择合适的值。

以硅酸镓钽钙(CTGS)传感器为例。本发明包括以下步骤：

(1)选用CTGS为传感器的敏感元件材料，属于结构有序型LGS系列晶体，其化学式为Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄，属三方晶系，空间群P321，点群32；

(2)定向CTGS单晶并将其加工成多个具有特定切型的圆环片，该传感器选择敏感元件的正压缩模式；

(3)采用最普遍的形式来组装传感器。该传感器主要包括底座、外壳、连接器三部分。底座上设有与之垂直的支柱，首先将下绝缘片、下电极、多个敏感元件、上电极、上绝缘片、质量块依次套入支柱；接着，在最上端旋上螺母并固定；最后，将底座与外壳、连接器密封；

(4)根据CTGS的高温电阻率计算多个敏感元件并联后的高温电阻。高温电阻是传感器高温工作是否稳定的标志，该值的极限为10KΩ。传感器的高温电阻越大越好，而电阻率随温度增加而减小，满足Arrhennius公式(ρ＝ρ₀exp(E_a/k_BT)，ρ₀是无限高温时的电阻率，E_a是激活能，k_B是玻尔兹曼常数，T为绝对温度)。因此必须保证多个敏感元件并联后的输出电阻在649℃时大于10KΩ。CTGS在649℃的电阻率数量级为10⁸Ω·cm，根据电阻与电阻率的关系(R＝ρl/A，R为电阻，l为材料的厚度，A为材料的面积)，并考虑多个敏感元件的并联关系，计算得出的电阻大于1MΩ，满足传感器高温电阻的要求；

(5)为了检验该传感器的测试能力，测试了传感器的灵敏度、频率响应、高低温特性等指标。传感器的灵敏度是利用中频振动台，在5.04g加速度、160HZ频率条件下测量，并与标准传感器进行比较而获得。该过程执行中国计量标准JJG233-2008和美国仪器仪表协会标准ISA–RP37.2–1982(R1995)，标准传感器为中航工业成都凯天电子股份有限公司所有，序列号为352M207-sn3587，振动校准系统为美国MB公司Win475校准系统，校准程序为JE1000fre。结果测得感器灵敏度为5.244pC/g；

(6)频率响应测试也执行以上标准，在室温、5.04g加速度(10Hz时为1g)条件下进行测试，按照10Hz的倍频增长其测试频率。测试结果如图1，由图可知，传感器在10～2500HZ的频率响应误差小于5％，其最大误差是在20HZ的3.17％。因此，该传感器的灵敏度具有良好的频率稳定性；

(7)高低温特性主要是测试传感器灵敏度随温度的变化。该测试的测试温度范围为-55℃～649℃，条件为5.04g加速度、160HZ频率。测试结果如图2，由图可知，传感器的灵敏度随温度的变化幅度小于5％，其最大误差是在-40℃与649℃的3.82％。因此，该传感器的灵敏度具有良好的温度稳定性。

Claims

1.一种高温加速度传感器，其特征在于，所述高温加速度传感器以结构有序型压电晶体Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄、Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄、Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄和/或Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄作为敏感元件。

2.根据权利要求1所述的高温加速度传感器，其特征在于，所述构成敏感元件的材料属于三方晶系，空间群P321，点群32。

3.根据权利要求1或2所述的高温加速传感器，其特征在于，所述敏感元件的形状为方形、圆形或圆环形。

4.根据权利要求1-3中任一所述的高温加速度传感器，其特征在于，所述敏感元件单独使用或多个敏感元件并联使用。

5.根据权利要求1-4中任一所述的高温加速度传感器，其特征在于，所述高温加速度传感器使用敏感元件的正压缩模式或剪切模式。

6.根据权利要求1-5中任一所述的高温加速度传感器，其特征在于，所述高温加速度传感器工作温度为-55-649℃，工作频率为10-2500HZ，能够在1-10g加速度下工作。

7.根据权利要求1-6中任一所述的高温加速度传感器，其特征在于，所述高温加速度传感器的误差≦10%。