CN106768289B - 一种高温压电振动传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温压电振动传感器，包括：底座；外壳，底座上连接外壳，形成压电振动传感器的密封内腔；固定在底座上的陶瓷棒；依次套放在陶瓷棒上的多片压电晶片、金属块、绝缘片、穿有高温引线的预紧件；两路电极线，放置在压电晶片之间；压电晶片为(XYw/45°)切YGdCOB晶片。(XYw/45°)切YGdCOB晶片的有效压电常数为～5pC/N，室温到1000℃范围，压电常数变化率低于5％，加工平整度误差小于0.02mm，具有特别优异的高温压电性能及温度稳定性，使得压电振动传感器耐高温高达600℃以上。

Description

一种高温压电振动传感器
技术领域
本发明涉及一种高温压电振动传感器，可用于检测高温环境下关键部件的振动状况，用于航空航天、汽车工业、核电能源、石油探测等行业。属于电子材料与器件技术领域。
背景技术
晶体受挤压或拉伸时两端会产生不同的电荷，这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。利用晶体的正压电效应可以研制成各类压电传感元器件，探测各类非电物理量，例如形变、位移、压力、压强、振动、加速度等。随着科学技术的发展特别是航空航天、核电能源和汽车工业等的发展，人们对传感器的要求越来越高。其中最为关键的是传感器的性能及工作温度范围问题。
中国专利文献CN1618021A公开了一种压电加速传感器，包括一个加速检测单元，它具有固定在振动膜一个表面上的重物，以及另一个表面上的压电元件，通过将压电元件的背面在此粘合而固定该压电元件；以及分别形成在压电元件的各表面上的表面电极和背面电极，其中用于在振动膜和表面电极之间维持均匀距离的一个支持图形成在压电元件的背面上，以抑制压电元件和振动膜连接时的粘合不均匀，并消除每个轴的检测敏感性的变化。本专利压电加速度传感器有可能抑制压电元件与振动磨连接时的粘合不均匀性，统一加速检测单元每个部分的浮动电容的发生，所以抑制检测敏感性的变化。它有效的增加了传感器的稳定性，但是它传感核心元件是压电陶瓷，它的热学性能不好，一般工作温度在250℃以下，严重限制了它的应用范围。
中国专利文献CN1646887A公开的压电振动传感器载体是塑料材料的带，被保持在相同的支撑部分，框架中可以安装多个传感器单元构成具有传感器矩阵的薄片，专利指出可以用在对患者进行的计算计辅助听诊中，或用于感应振动已生成机器和机构部分的振动分析，但是，该发明仅仅停留在常用的环境中，不能用于高温环境，例如，核能，发动机，航空航天的尖端领域。
中国专利文献CN103080707A公开的振动传感器，压电振动传感器和信号处理基板并排布置在大致垂直于振动传感器的振动方向的平面上，该发明也能抑制横轴灵敏度与主轴灵敏度比率的串扰的影响，但是，由于很多材料只能在常温下使用，因此，同样不适用于高温苛刻环境。
在高温压电传感器件方面，中国专利文献CN1763548A公开了一种可承受480℃高温的差分压电加速度计，但是，它的稳定性没有根本上解决，并且结构复杂在持久剧烈振动情况下很难保证器件能够正常工作；存在这样那样的致命问题，特别是，振动传感器的稳定性、安全性、可靠性、灵敏性都存在问题。
中国专利文献CN105277617A公开的振动传感器包括动力源、激振器腔体，激振器缸体，激振钢锤，振动传感腔体，PVDF压电传感器薄膜和控制电路。由于涉及激振动力源为卫星集镇马达或电磁铁限制了传感器是用的持久性，又由于使用PVDF压电薄膜作为感应中心，该材料长期使用温度为-40～150℃，因此也不能用于苛刻环境的持久运行。
综上所述，目前报道的高温压电振动传感器，由于灵敏元件和器件组装的不足，在高温600℃及以上时会发生松动或者严重的疲劳现象，引起器件的失效。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有低介电损耗、高温度稳定性的压电振动传感器件，该器件能够在600℃以上环境正常工作。
术语解释
1、压电效应：当一些电介质沿一定方向上受到外力的作用发生形变时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它可以恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生形变，电场去掉后，电介质的形变随之消失，这种现象称为逆压电效应。
2、YGdCOB晶体：化学式为YxGd1-xCa4O(BO3)3，属于单斜晶系m点群。
本发明的技术方案为：
一种高温压电振动传感器，包括：
底座；
外壳，所述底座上连接所述外壳，形成所述压电振动传感器的密封内腔；
固定在所述底座上的陶瓷棒；
依次套放在所述陶瓷棒上的多片压电晶片、金属块、绝缘片、穿有高温引线的预紧件；
两路电极线，放置在压电晶片之间；
所述压电晶片为(XYw/θ)切YGdCOB晶片,θ的取值范围为30°～50°，YGdCOB晶片的化学式为YxGd1-xCa4O(BO3)3，x的取值范围为0.1～0.9。X是指物理学x轴，Y是指物理学Y轴，w是指沿着压电晶片宽度方向旋转的角度，θ是指沿着压电晶片宽度方向旋转的角度的具体数值。
进一步优选的，θ＝45o，x＝0.3。
此处设计的优势在于，(XYw/45o)切YGdCOB晶片的有效压电常数为～5pC/N，室温到1000℃范围，压电常数变化率低于5％，加工平整度误差小于0.02mm，具有特别优异的高温压电性能及温度稳定性，使得压电振动传感器耐高温高达600℃。
根据本发明优选的，多片所述压电晶片成对套放在所述陶瓷棒上，相邻两片所述压电晶片电极方向相反。
此处设计的优势在于，一方面有利于提高了压电振动传感器的灵敏度，另一方面可以抵消或降低横向电荷引起的传感误差。
根据本发明优选的，所述电极线的材质为镍金属片或镀铂金的镍金属片，所述金属块的材质为蒸镀一层150-250nm厚的铂金的钨金属。
此处设计的优势在于，钨金属热膨胀系数4～5之间，提高了振动传感器的灵敏度，钨金属上蒸镀一层150-250nm厚的铂金，防止高温钨块的挥发。
根据本发明优选的，所述电极线包括电极带及电极环，所述电极带的两端为电极环，一路电极线的一端电极环设置在所述压电晶片与所述底座之间并套进所述陶瓷棒，一路电极线的另一端电极环设置在所述压电晶片与所述金属块之间并套进所述陶瓷棒；另一路电极线的一端电极环设置在两片压电晶片之间并套进所述陶瓷棒，另一路电极线的另一端电极环设置在所述绝缘片与所述预紧件之间并套进所述陶瓷棒。
电极环的内径、外径均保持与压电晶片相同的尺寸，内径略大于陶瓷棒的直径，外径略小于单晶片的直径，电极带的长度依据压电晶片的厚度和金属块的厚度，电极带的长度25mm，其他的长度在10mm；
根据本发明优选的，所述外壳包括：外壳套管、外壳上盖、陶瓷螺栓，所述陶瓷螺栓匹配连接所述外壳上盖，所述外壳上盖匹配连接所述外壳套管，所述外壳套管连接所述底座，所述陶瓷螺栓中心带孔，通过该孔引出所述高温引线。
此处设计的优势在于，陶瓷螺栓一方面可以将高温引线引出，另一方面可以隔绝高温引线与外壳上盖的接触，除此之外，采用高温无机胶填充孔后对整个器件起到密封作用。
根据本发明优选的，所述绝缘片与所述预紧件之间设有防松垫圈，防松垫圈包括通过锯齿槽咬合的上、下两个部分，上、下两个部分的端面设有锯齿槽，所述防松垫圈、所述陶瓷螺栓、所述陶瓷棒的材质均为纯度大于等于95％的氧化铝陶瓷。
此处设计的优势在于，防松垫圈功能特点：在发生松动时，上下断面的锯齿产生与其它相邻构件之间的摩擦力，依靠该摩擦力产生自锁效果，确保在强振动下保持连接件的夹紧力，从而防止陶瓷棒上其它构件的松动，提高器件的使用可靠性。
根据本发明优选的，所述高温引线和所述陶瓷螺栓的缝隙间，以及所述陶瓷棒和所述底座的缝隙间均填充有耐高温1500℃的无机胶。
此处设计的优势在于，提高了器件的密封性及牢固性。
根据本发明优选的，所述高温引线底端设有圆形铂片，所述高温引线为直径为0.8mm的铂金丝。
此处设计的优势在于，高温引线采用耐高温、不易被氧化、导电性好、柔韧度高的金属，在剧烈振动情况下也不易疲劳断裂。
根据本发明优选的，所述预紧件上端的中间设有与所述高温引线同等直径大小的孔。
预紧件的作用是防止在振动环境下金属块、绝缘片、压电晶片的松脱。通过螺纹和陶瓷棒紧密连接。使高温引线顺利穿过，便于电荷信号引出。
上述压电振动传感器的安装方法，具体步骤包括：
(1)将陶瓷棒带有螺纹的一端蘸取稀的无机胶，旋转进入底座上，保持陶瓷棒与底座垂直。将胶合后的陶瓷棒和底座放进烘箱中在150℃保持10小时以上，待无机胶固化；
(2)无机胶固化后，把压电晶片6和电极线7成对安装进陶瓷棒中，注意将相同极性的压电晶片端面相对放置，压电晶片之间夹放电极线，共有两路，一路为正极，一路为负极。当最后一片压电晶片装进陶瓷棒中后，将该压电晶片上面的一路电极线(通常选择负极)用金属块压住，同时安放绝缘片、另一路电极线(通常为正极)被防松垫圈固定住；
(3)将穿有高温引线的预紧件旋进陶瓷棒中，在防松垫圈的协同作用下，加固陶瓷棒上的所有零部件；
(4)把外壳套管固定在底座上，将外壳上盖与外壳套管通过旋转螺纹固定在一起，至此核心部件安装完毕；
(5)将高温引线的外围以及中心带孔的陶瓷螺栓的外螺纹涂稀的高温无机胶，将高温引线穿过陶瓷螺栓，将陶瓷螺栓旋进外壳上盖中；
(6)将整个器件放进烘箱中，在150℃保持10小时以上，将无机胶充分固化，并确保构件高温引线、陶瓷螺栓、外壳上盖之间，以及底座与陶瓷棒之间充分密封结合；
(7)将整个器件放在惰性气氛箱中，充入惰性气体并采用电阻焊将外壳上盖与外壳套管，以及外壳套管与底座之间充分焊牢，完成器件封装。
本发明的有益效果为：
1、针对振动传感器件高温工作要求，本发明采用压电性能稳定且灵敏度较高的YGdCOB晶体的(XYw/45°)切型作为敏感元件，使得压电振动传感器耐高温高达600℃；
2、本发明采用压电晶片多片组合的方式，提高传感器的灵敏度。
3、本发明采用镍合金以及镀铂金的金属块以及电极线，提高器件的服役温度上限。
4、针对器件密封性及安装绝缘性的问题，本发明设计了具有耐高温且性质稳定的防松垫圈，防松垫圈的材质为1Cr25Ti号钢，可在小载荷情况下承受温度1100℃，设计了95％Al2O3材质的防松垫圈、陶瓷螺栓、陶瓷棒，配合高温无机胶来密封压电振动传感器，结构简单，可行性高，便于生产，成本低，从而达到产业化的目的。
5、针对当前器件高温容易松动的问题，本发明设计有防松垫圈，能够有效防止高温工作时预紧件和其他构件间的松动，提高器件的使用可靠性。
附图说明
图1为本发明压电振动传感器的整体结构示意图；
图2为本发明所述高温引线的结构示意图；
图3为本发明外壳上盖的结构示意图；
图4(a)为本发明所述底座的主视图；
图4(b)为本发明所述底座的俯视图；
图5为本发明所述电极环的结构示意图；
图6为本发明所述防松垫圈的结构示意图；
图7为本发明所述陶瓷棒的结构示意图；
图8(a)为本发明所述压电晶片放置的结构示意图；
图8(b)为本发明所述压电晶片受压后电荷分布图；
图9为实施例1中压电晶片的坐标图；
1、高温引线；2、陶瓷螺栓；3、外壳上盖；4、外壳套管，5、底座；6、压电晶片；7、电极线；8、预紧件；9、金属块；10、绝缘片；11、防松垫圈；12、陶瓷棒。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种高温压电振动传感器，如图1所示，包括：
底座5；如图4(a)、图4(b)所示，底座5上端和下端都设有固定螺口，上端的固定螺口固定陶瓷棒12，下端的固定螺口固定压电传感器。
外壳，底座5上连接所述外壳，形成压电振动传感器的密封内腔；
固定在底座5上的陶瓷棒12；上、下两端设计有螺纹，与底座5紧密固定；如图7所示；
依次套放在陶瓷棒12上的多片压电晶片6、金属块9、绝缘片10、穿有高温引线1的预紧件8；
两路电极线7，放置在压电晶片6之间；
压电晶片6为(XYw/45°)切YGdCOB晶片，YGdCOB晶片的化学式为Y0.3Gd0.7Ca4O(BO3)3；
(XYw/45°)是指：压电晶片6的厚度方向平行于物理学x轴，压电晶片6长度方向平行于物理学Y轴，再沿着压电晶片6宽度方向(即物理学Z轴)逆时针旋转45°。如图9所示。
此处设计的优势在于，(XYw/45°)切YGdCOB晶片的有效压电常数为～5pC/N，室温到1000℃范围，压电常数变化率低于5％，加工平整度误差小于0.02mm，具有特别优异的高温压电性能及温度稳定性，使得压电振动传感器耐高温高达600℃。
实施例2
根据实施例1所述的压电振动传感器，其区别在于，
多片压电晶片6成对套放在陶瓷棒12上，相邻两片压电晶片6电极方向相反。如图8(a)所示，压电晶片受压后电荷分布图如图8(b)所示，阴影指向右上表示上正下负，指向右下表示上负下正。一方面有利于提高了压电振动传感器的灵敏度，灵敏度提高了12％，另一方面可以抵消或降低横向电荷引起的传感误差。
电极线7的材质为镍金属片或镀铂金的镍金属片或其他耐高温的电极材料，金属块9的材质为蒸镀一层200nm厚的铂金的钨金属。钨金属热膨胀系数4～5之间，提高了振动传感器的灵敏度，钨金属上蒸镀一层200nm厚的铂金，防止高温钨块的挥发。
电极线7包括电极带及电极环，如图5所示，电极带的两端为电极环，一路电极线7的一端电极环设置在压电晶片6与底座5之间并套进陶瓷棒12，一路电极线7的另一端电极环设置在压电晶片6与金属块9之间并套进陶瓷棒12；另一路电极线7的一端电极环设置在两片压电晶片6之间并套进陶瓷棒12，另一路电极线7的另一端电极环设置在绝缘片10与防松垫圈11之间并套进陶瓷棒12。
电极环7的内径、外径均保持与压电晶片6相同的尺寸，电极带的长度依据压电晶片6的厚度和金属块9的厚度。
实施例3
根据实施例2所述的压电振动传感器，其区别在于，
外壳包括：外壳套管4、外壳上盖3、陶瓷螺栓2，陶瓷螺栓2外围设计有与外壳上盖3相匹配的螺纹，由此匹配连接外壳上盖3，外壳上盖3设计有外螺纹，能够配套M5螺母使用，如图3所示，由此外壳套管4连接所述底座5，陶瓷螺栓2中心带孔，通过该孔引出高温引线1。外壳套管4、外壳上盖3、底座5均采用耐高温的镍合金钢(Conel600或Conel600合金钢)加工而成。
陶瓷螺栓2一方面可以将高温引线1引出，另一方面可以隔绝高温引线1与外壳上盖3的接触，除此之外，采用高温无机胶填充孔后对整个器件起到密封作用。
绝缘片10与预紧件8之间设有防松垫圈11，防松垫圈11实际上由上下两个部分组成，两部分通过锯齿槽咬合在一起，另外，上下两部分的端面也设计有小型锯齿槽，如图6所示，防松垫圈11材质为1Cr25Ti号钢，可在小载荷情况下承受温度1100℃，陶瓷螺栓2、陶瓷棒12的材质均为纯度95％的氧化铝陶瓷。防松垫圈11功能特点：在发生松动时，上下断面的锯齿产生与其它相邻构件之间的摩擦力，依靠该摩擦力产生自锁效果，确保在强振动下保持连接件的夹紧力，从而防止陶瓷棒12上其它构件的松动，提高器件的使用可靠性。
高温引线1和陶瓷螺栓2的缝隙间，以及陶瓷棒12和底座5的缝隙间均填充有耐高温1500℃的无机胶。此处设计的优势在于，提高了器件的密封性及牢固性。
高温引线1的直径为0.5～0.8mm，高温引线1的材质为铂金，高温引线1底端设有铂金圆形铂片，厚度为0.2mm，可通过激光焊接方式将其与高温引线1连接。如图2所示，高温引线1采用耐高温、不易被氧化、导电性好、柔韧度高的金属，在剧烈振动情况下也不易疲劳断裂。
预紧件8上端的中间设有与高温引线1同等直径大小的孔。预紧件8采用耐高温的镍合金钢(Conel600或Conel600合金钢)加工而成。预紧件8的作用是防止在振动环境下金属块9、绝缘片10、压电晶片6的松脱。通过螺纹和陶瓷棒12紧密连接。使高温引线1顺利穿过，便于电荷信号引出。
上述压电振动传感器的安装方法，具体步骤包括：
(1)将陶瓷棒12带有螺纹的一端蘸取稀的无机胶，旋转进入底座5上，保持陶瓷棒12与底座5垂直。将胶合后的陶瓷棒12和底座5放进烘箱中在150℃保持10小时以上，待无机胶固化；
(2)无机胶固化后，把压电晶片6和电极线7成对安装进陶瓷棒12中，注意将相同极性的压电晶片6端面相对放置，压电晶片6之间夹放电极线7，共有两路，一路为正极，一路为负极。当最后一片压电晶片6装进陶瓷棒12中后，将该压电晶片6上面的一路电极线7(通常选择负极)用金属块9压住，同时安放绝缘片10、另一路电极线7(通常为正极)被防松垫圈11固定住；
(3)将穿有高温引线1的预紧件8旋进陶瓷棒12中，在防松垫圈11的协同作用下，加固陶瓷棒12上的所有零部件；
(4)把外壳套管4固定在底座5上，将外壳上盖3与外壳套管4通过旋转螺纹固定在一起，至此核心部件安装完毕；
(5)将高温引线1的外围以及中心带孔的陶瓷螺栓2的外螺纹涂稀的高温无机胶，将高温引线穿过陶瓷螺栓2，将陶瓷螺栓2旋进外壳上盖3中；
(6)将整个器件放进烘箱中，在150℃保持10小时以上，将无机胶充分固化，并确保构件高温引线1、陶瓷螺栓2、外壳上盖3之间，以及底座5与陶瓷棒12之间充分密封结合；
(7)将整个器件放在惰性气氛箱中，充入惰性气体并采用电阻焊将外壳上盖3与外壳套管4，以及外壳套管4与底座5之间充分焊牢，完成器件封装。

Claims (10)

1.一种高温压电振动传感器，包括：
底座；
外壳，所述底座上连接所述外壳，形成所述压电振动传感器的密封内腔；
固定在所述底座上的陶瓷棒；
依次套放在所述陶瓷棒上的多片压电晶片、金属块、绝缘片、穿有高温引线的预紧件；
两路电极线，放置在压电晶片之间；
其特征在于，所述压电晶片为(XYw/θ)切YGdCOB晶片,θ的取值范围为30°～50°,YGdCOB晶片的化学式为YxGd1-xCa4O(BO3)3，x的取值范围为0.1～0.9。
2.根据权利要求1所述的一种高温压电振动传感器，其特征在于，θ＝45°，x＝0.3。
3.根据权利要求1所述的一种高温压电振动传感器，其特征在于，多片所述压电晶片成对套放在所述陶瓷棒上，相邻两片所述压电晶片电极方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种高温压电振动传感器，其特征在于，所述电极线的材质为镍金属片或镀铂金的镍金属片，所述金属块的材质为蒸镀一层150-250nm厚的铂金的钨金属。
5.根据权利要求1所述的一种高温压电振动传感器，其特征在于，所述电极线包括电极带及电极环，所述电极带的两端为电极环，一路电极线的一端电极环设置在所述压电晶片与所述底座之间并套进所述陶瓷棒，一路电极线的另一端电极环设置在所述压电晶片与所述金属块之间并套进所述陶瓷棒；另一路电极线的一端电极环设置在两片压电晶片之间并套进所述陶瓷棒，另一路电极线的另一端电极环设置在所述绝缘片与所述预紧件之间并套进所述陶瓷棒。
6.根据权利要求1所述的一种高温压电振动传感器，其特征在于，所述外壳包括：外壳套管、外壳上盖、陶瓷螺栓，所述陶瓷螺栓匹配连接所述外壳上盖，所述外壳上盖匹配连接所述外壳套管，所述外壳套管连接所述底座，所述陶瓷螺栓中心带孔，通过该孔引出所述高温引线。
7.根据权利要求6所述的一种高温压电振动传感器，其特征在于，所述绝缘片与所述预紧件之间设有防松垫圈，防松垫圈包括通过锯齿槽咬合的上、下两个部分，上、下两个部分的端面设有锯齿槽，所述防松垫圈、所述陶瓷螺栓、所述陶瓷棒的材质均为纯度大于等于95％的氧化铝陶瓷。
8.根据权利要求6所述的一种高温压电振动传感器，其特征在于，所述高温引线和所述陶瓷螺栓的缝隙间，以及所述陶瓷棒和所述底座的缝隙间均填充有耐高温1500℃的无机胶。
9.根据权利要求1所述的一种高温压电振动传感器，其特征在于，所述高温引线底端设有圆形铂片，所述高温引线为铂金丝。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种高温压电振动传感器，其特征在于，所述预紧件上端的中间设有与所述高温引线同等直径大小的孔。
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