CN1109248C - 改进型450℃高温压电加速度计 - Google Patents
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Abstract
一种改进型的高温450℃压电加速度计，属于高温振动传感器领域。它在一般高温加速度计上增加了组合隔热套管8和热应力垫圈9。前者的作用是使质量块3不直接与底座5和顶紧螺母2接触；后者的作用是使质量块3产生的热应力及时释放；压电陶瓷元件4采用的是复合置换及含缺位的铋层状陶瓷组合物；用隔热性好的PbWO4制成的质量块代替高比重合金材料制的质量块；经这四方面的改进可确保高温加速计在450℃使用及测量的精度。
Description
本发明涉及一种改进型450℃高温压电加速度计，属于高温振动传感器领域。
振动是现代各种工程，如导弹、飞机、船舶、汽车、桥梁乃至堤坝和大坝建筑物的各种结构设计中的重要参数。以导弹为例，据六十年代中美国统计表明，在飞行中出现的破坏，其中一半是因为振动的原因所造成。因此世界各国对振动结构参数十分关注，设计和制造了各种类型的测振传感器，用以确定动态环境的等效载荷。
在各种类型的测振传感器中，压电加速度计因其具有尺寸小、重量轻、频率范围宽(3～20,000Hz)等优点而受到广泛应用。加速度计总是处于苛刻(光、温度、噪声、应变)的工作环境，实际使用结构均较复杂，在材料选择上，除考虑压电系数大小与稳定性之外还应注意材料的热释电效应，这是因为作为压电式加速度计用的传感元件—铁电材料永久极化强度随温度而变化。工作方式不同时，同种材料在相同温度变化下产生的电荷信号是不同的。不论是一般压缩型、单端压缩型、隔离压缩及倒装中心压缩型以及剪切型加速度计，均应考虑到压电传感元件环境温度的稳定性以保证振动的精确度和拓宽压电加速度计的使用范围。在众所周知的中心压缩型压电加速度计结构中，高温压电陶瓷元件直接与传感器底座和预紧螺丝接触，底座的温度直接传到高温敏感元件上，致使高温压电陶瓷元件的工作温度随基座影响，从而使测量精度受到影响，致使压电陶瓷元件的使用温度范围变窄。图1为一般高温压电加速度计结构图，图中1-壳体；2-顶紧螺母；3-质量块；4-压电陶瓷元件；5-传感器底座；6-输出接插件；7-引电片。从图可清楚地看出传感器底座5和顶紧螺母2直接与压电传感元件4接触。其次，从公式S＝Q/a＝d33m中可见，加速度计的输出灵敏度S与压电常数d33和质量块的质量m成正比，在高温下工作时，加速度计底座感受到的温度通过压电陶瓷传递到质量块上，压电陶瓷的压电常数d33会随着温度的升高而变化，而质量块也会因产生热膨胀，由于质量块是紧压在压电陶瓷上，所以质量块的热膨胀也会影响到压电陶瓷，从而加剧了高温压电加速度计的输出变化，影响测试精度。
由此可见，影响压电加速度计的使用测量精度主要是压电陶瓷元件受到底座的温度影响以及质量块因热膨胀的影响，欲提高测量精度，就必须使这方面的影响减小到最低限度。
影响压电加速度计使用温度则是压电陶瓷元件的本身特性所决定的。如何在材料选择方面，既能使居里温度高于850℃，而d33超过15PC/N同时，使品质因素同时大於5000，如能找到这类材料，则可使高温压电加速度计的使用温度大大提高，这就导出本发明的发明构思。
人们已知，铋层状陶瓷中，分子式为PbBi4Ti4O15和CaBi4Ti4O15陶瓷组合物，显示出较高的居里点(分别为570℃和790℃)以及良好的压电性，已提议作为钛酸铅取代用的压电陶瓷材料。
钙-铋-钛系是一类铋层状型化合物的压电陶瓷材料，其组成通式可写成：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，其中A为适合于12配位的一、二、三、四价阳离子或它们的复合；B为适合于八面体配位的三、四、五、六价阳离子或它们的复合；m为正整数，表示铋层状的层数，其值为1-5。L.KORZUNOVA通过在CaBi4Ti4O15中添加7～10wt％BiWO6和0.2wt％Cr2O3可使烧结温度降低，使d33从4.4×10-12提高到(10～14)×10-12，且升降温稳定性进一步提高，但遗憾的是该组成物仅在700℃以下是稳定的，而欲在800℃以上使用他建议采用Bi3TiNbO9系统化合物；又如SU1458356A，发明人在CaBi4Ti4O15系统中也添加BiWO6和Cr2O3(具体组份见表1)可使居里温度提高到865甚至875，最高d33达16.1，但相应品质因素甚低，只有3817。从表1可以看出，迄今为止Ca-Bi-Ti系统，经改性后Tc已提高超过850℃，但d33介于14～16，而且d33超过15之后Qm低于4000。所以仍有不尽人意之处。如何进一步改进Ca-Bi-Ti系材料的性能，成为本领域科研人员努力追求的目标。
表1 已报导陶瓷材料的物性
| 编号 | 组成物 | 性能 | 数据来源 | ||||
| Tc(℃) | d33(pC/N) | ε33 T/ε0 | tanδ(％) | Qm | |||
| 1 | PbBi4Ti4O15 | 790 | 4.4 | 130 | LANDOLT-BORNSTEINVol.16，P.239 | ||
| 2 | PbBi4Ti4O15外加Cr2O3 0.2wt％Bi2WO6 7～10wt％ | ＜700 | 10～14 | L.KORZUNOVAFerroelectrics，Vol.134，P.175～180(1992) | |||
| 3 | CaBi4Ti4O15 98.27wt％Bi2WO6 1.72wt％ Cr2O30.01wt％ | 865 | 14.0 | 121 | 0.23 | 5230 | HOBHKOBA，等Su 1458356 A1 |
| 4 | CaBi4Ti4O15 97.62wt％Bi2WO6 2.18wt％Cr2O3 0.20wt％ | 865 | 16.1 | 118 | 0.37 | 3817 | 同上 |
| 5 | CaBi4Ti4O15 98.24wt％Bi2WO6 1.71wt％Cr2O3 0.05wt％ | 865 | 14.2 | 120 | 0.24 | 4013 | 同上 |
本发明的目的在於提供一种改进型450℃高温压电加速度计，其改进主要在以下方面：
(1)增加一个特殊结构的组合套管，用它安放在传感器底座上，使高温敏感无件不直接与底座和预紧螺丝接触，可免受来自加速度计底座和预紧螺丝温度变化的直接影响，从而提高了加速度计的使用温度范围和检测精度。
(2)增加一个热应力垫圈，将它放在质量块和顶紧螺母之间，可使在高温条件下质量块产生的热应力得以及时释放，从而提高压电加速度计的使用温度和检测精度。
(3)以热膨胀系数小、绝缘、隔热性能好的钨酸铅陶瓷为材料制成的质量块，取代钨铜合金(通称高比重合金)材料制成的质量块，以提高在高温条件下，高温压电加速度计的使用温度范围和精度。
(4)关键性的改进是用一类经复合离子部分置换取代形成缺位的铋层状陶瓷组合物，作为压电陶瓷元件(传感元件)。使之在现有他人工作基础上，居里温度提高的同时，使材料的压电性能及高温下体电阻率进一步提高。
下面结合图面说明，详述本发明的实质性的特点和显著的进步。图2为经改进后450℃高温压电加速度计的结构示意图。图中1-7与图1相同。图中8为组合套管，9为热应力垫圈。
(1)隔热组合套管8，安放在传感器底座5上，使高温敏感无件不直接与底座和顶紧螺母接触。隔热组合套管具体性状8如图3-1所示，实际结构是由上下二块尺寸相同的垫块10和一个套管11构成，如图3-2所示。图中10为垫块，两端面平行且平整度为＜0.03mm即可，11为套管。垫块10中央有一园孔，其大小正好和套管11的外径相匹配，套管11的壁厚一般为0.4～2mm，内孔中央允许预紧螺丝通过，其内径与顶紧螺母的内径相配合，间隙为0.05-0.1mm。组合套管8(图3-1)是由上下二块垫块10和一个套管11组合而成，垫块10的厚度一般为0.5～2mm，直径与压电元件直径相当。套管11的内孔中央可通过预紧螺丝，在两者间隙允许范围内，其外表面与压电陶瓷片之间间隙为0.05～0.5mm范围。垫块10和套管11由导热系数低的耐温陶瓷制成，如各种组份(75瓷、85瓷、90瓷、95瓷、99瓷)氧化铝、莫来石、氮化硅及粘土材料；壁厚的取值与制成材料的热导系数有关，导热系数低的材料制成时壁厚可相应小，反之壁厚较大。上下垫块分别与质量块3和传感器底座5接触，它们之间用一般市售陶瓷与金属粘结剂结合。
(2)热应力垫圈9，将它放在质量块3和顶紧螺母2之间，可使在高温条件下质量块产生的热应力得以及时释放，从而提高压电加速度计的使用温度和检测精度。热应力垫圈9为简单的环状，它由耐高温材料，如GH600或GH169等制成，其外径等于或小于质量块3的外径，中间内孔直径为φ3-φ5，以与预紧螺母2的螺纹外径相匹配为准，内孔与外径之间的壁厚为0.5-2mm，厚度范围为0.5-2mm，热应力垫圈上下两端面的不平行度小于0.05mm，表面粗糙度在
以上，热应力圈9如图4所示安放在预紧螺母2和质量块3之间，环的不平行度和表面粗糙度要保证技术要求，以保证环的上下面接触，以确保质量块3受热产生的热应力得以及时释放。
(3)质量块3是以热膨胀系数小、绝缘、隔热性能好的钨酸铅(PbWO4)陶瓷材料制成。其外径为φ10～φ20mm，内径为φ3～φ5mm，厚度范围为4～10mm。由于钨酸铅陶瓷的比重为8.22，仅是我们通常用的钨铜合金比重(16～17)g/cm3的50％左右，所以在此可用增加复合置换含缺位的铋层状陶瓷的片数和增加以钨酸铅陶瓷为材料制成的新型质量块的体积来保证加速度计的输出灵敏度不变。
(4)采用改进的压电陶瓷元件。针对Ca-Bi-Ti系中m＝4时CaBi4Ti4O15铋层状压电陶瓷，通过A位Ca2+由复合离子部分置换取代，复合取代离子为(Na+、Ce3+)或(K+、Ce3+)或(Li+、Ce3+)，并有意形成一价M+离子空位，其组成通式为(Bi2O2)2+[CaxM(1-x)/2-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2-(式中0.8＜x＜1.0，y为M+离子缺位，0.00＜y＜0.05)。当y＝0，亦即未形成缺位时，则(M+、Ce3+)部分复合置换通式为CaxM(1-x)/2Ce(1-x)/2Bi4Ti4O15(M+为一价碱金属离子，如：Na+，K+，Li+)。
当(Na+、Ce3+)复合取代并形成缺位时，其组合物通式为：
(Bi2O2)2+[CaxNa[(1-x)/2]-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2-
式中0.8＜x＜1.0，0＜y＜0.05；
当(Li+、Ce3+)复合取代并形成缺位时，其组合物通式为：
(Bi2O2)2+[CaxLi[(1-x)/2]-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2-
式中0.8＜x＜1.0，0＜y＜0.05；
当(K+、Ce3+)复合取代并形成缺位时，其组合物通式为：
(Bi2O2)2+[CaxK[(1-x)/2]-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2-
式中0.8＜x＜1.0，0＜y＜0.05；
经复合取代并有缺位的Ca-Bi-Ti系铋层状陶瓷组成物，采用一般压电陶瓷制备工业进行制备，为了使CeO2原料中Ce4+转化为Ce3+，采用了预合成工艺。由此可见，本发明提供的经改进型450℃高温压电加速度计，可确保在450℃高温下的使用温度范围及测量精度。这是因为：
(1)组合套管的作用是：将它安放在传感器底座上，使高温敏感无件不直接与底座和预紧螺母接触，可免受来自加速度计底座和预紧螺母温度变化的直接影响；
(2)热应力垫圈的作用是：将它放在质量块和预紧螺母之间，可使在高温条件下质量块产生的热应力得以及时释放。
(3)复合置换的含缺位的高Tc、高d33和Qm的铋层状陶瓷取代一般压电陶瓷的作用是提高检测温度范围和检测灵敏度。
(4)用低膨胀系数、隔热性能好的钨酸铅(PbWO4)材料制成的质量块，替代常用的高比重合金材料制成的质量块，尽管密度低，但可通过增加质量块的体积和压电陶瓷元件的片数来达到同样的灵敏度。这样毕竞可使压电陶瓷元件受热影响降至到最低限度。
上述四点也体现出本发明的区别於现有技术的特点。下面结合实施进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步，但绝非限制于本发明。
实施例1
本发明在原一般高温压电加速度计的结构上增加了隔热组合套管8和热应力垫圈9(如图2所示)。并对质量块和压电陶瓷元件的组成进行了改进。隔热组合套管8放置在图2所示的印影位置，使压电陶瓷元件4不直接与传感器底座5和预紧螺母2接触，垫块10和套管11(图3-1)均由90氧化铝材料制成，垫块10的厚度为1mm，套管壁厚为0.5mm，公差为自由公差，组合套筒的两片垫块分别与传感器底座5接触和质量块3接触，它们之间用一般市售陶瓷与金属粘结剂结合，套筒11外表面与压电陶瓷元件间留有的孔隙为0.3mm，内壁与预紧螺丝之间的孔隙0.08mm。热应力环状垫圈，其内孔为φ4.5mm(与预紧螺丝的螺纹外径相匹配)，厚度为1.5mm，内孔与外径之间的壁厚为0.8mm，两端面的不平行度为0.025mm，表面粗糙度为
，其安放位置如图2的9位置，起到及时释放质量块3因受热产生的热应力；质量块3是由钨酸铅(PbWO4)陶瓷材料制成。其外径为φ15mm，内径为φ4mm，厚度范围为5mm；压电陶瓷元件2是经(Na+、Ce3+)复合置换含缺位的Ca-Bi-Ti铋层状陶瓷，当x＝0.90 y＝0.01时的具体组成式为：
Ca0.9Na0.040.01Ce0.05Bi4Ti4O15 (1150℃烧结)
其Tc为866℃，d33为20.0PC/N，Qm为5440。
经上述四方面改进后的高温压电加速计可稳定地在450℃使用并可保证测量的精度。
实施例2
组合套管8是由耐热陶瓷莫来石制成，其余同实施例1。
实施例3
热应力环状垫圈，其内孔为φ3，厚度为1mm，内孔与外径之间的壁厚为2mm，两端面的不平行度为0.03mm，其余同实施例1。
实施例4～11。使用的压电陶瓷元件的组成如下表2、表3所述，其余同实施例1。
由实施例可知，最佳组分为：x＝0.90 y＝0.10由(Na+、Ce3+)
复合取代的并形成缺位的组分，而(Li+Ce3+)复合取代并形成Li的缺位有利提高Tc。
表2 形成Na+缺位组份与性能汇总
| 实施例编号 | 组成CaxNa(1-x)/2-YYCe(1-x)/2Bi4Ti4O15 | 性能 | 烧结条件(℃) | |||||||
| x | y | Tc(℃) | d33(PC/N) | ε33 T/ε0 | tanδ(％) | Qm | Kt | Kp | ||
| 1 | 0.90 | 0.010 | 866 | 20.0 | 134 | 0.11 | 5440 | 0.29 | 0.052 | 1150 |
| 4 | 0.90 | 0.005 | 812 | 18.5 | 133 | 0.12 | 1130 | |||
| 5 | 0.90 | 0.015 | 772 | 17.0 | 130 | 0.12 | 1170 | |||
| 6 | 0.90 | 0.020 | 770 | 16.0 | 130 | 0.18 | 1170 | |||
表3 (M+，Ce3+)复合离子部分置换取代组成与性能汇总
| 实施例编号 | 组成 | 性能 | 烧结条件(℃) | |||||
| Tc(℃) | d33(PC/N) | ε33 T/ε0 | (％)tanδ | Kt | Kp | |||
| 7 | Ca0.92Na0.04Ce0.04Bi4Ti4O15 | 790 | 17.0 | 140 | 0.20 | 0.25 | 0.054 | 1100 |
| 8 | Ca0.92Li0.04Ce0.04Bi4Ti4O15 | 800 | 18.0 | 129 | 0.30 | 0.31 | 0.06 | 1100 |
| 9 | Ca0.92K0.04Ce0.04Bi4Ti4O15 | 787 | 17 | 135 | 0.18 | 0.05 | 1100 | |
| 10 | Ca0.90Li0.0450.005Ce0.05Bi4Ti4O15 | 890 | 18 | 134 | 0.22 | 1115 | ||
| 11 | Ca0.90K0.0350.015Ce0.05Bi4Ti4O15 | 860 | 17 | 138 | 0.21 | 1120 | ||
Claims (10)
1.一种改进型的450℃高温压电加速度计用由传感器底座、压电陶瓷元件、引电片、质量块、预紧螺母、壳体和输出接插件构成，其特征在于：
(1)(a)隔热组合套管由上下两垫块和套管组合而成；
(b)隔热组合套管安放在传感器底座上面，上垫块与质量块接触，下垫块与传感器底座接触，套管内孔中央允许顶紧螺丝通过，套管外表面与压电陶瓷元件之间间隙为0.05-0.5mm；
(c)垫块与质量块和底座之间用一般市售陶瓷与金属粘结剂结合；
(2)热应力垫圈安放在顶紧螺母与质量块之间；
(3)(a)质量块由钨酸铅陶瓷材料制成；
(b)质量块安放在压电陶瓷片上面，其内孔中央允许压电加速度计底座上的螺丝通过顶紧螺母将其压紧；
(4)(a)所用的压电陶瓷片是用(M+、Ce3+)复合离子部分置换取代CaBi4Ti4O15陶瓷中的A位Ca2+离子，M+为一价碱金属离子，组合物通式为：
CaxM(1-x)/2Ce(1-x)/2Bi4Ti4O15 (0.8＜x＜1.0)； (1)
(b)在复合离子部分置换取代的基础上，再形成一价离子空位，其组合物通式为：
(Bi2O2)2+[CaxM[(1-x)/2]-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2- (2)
式中：0.8＜x＜1.0，0＜y＜0.05；
2.按权利要求1所述的改进型450℃高温压电加速度计，其特征在于所述的垫块和套管由耐热陶瓷，包括75氧化铝瓷、85氧化铝瓷、90氧化铝瓷、95氧化铝瓷、99氧化铝瓷、莫来石、氮化硅及粘土中一种耐热材料制成。
3.按权利要求1所述的改进型450℃高温压电加速度计，其特征在于：
(1)所述的垫块直径与压电传感元件直径相当，厚度为0.5～2mm，随制作耐热陶瓷的热传导率降低而减小；
(2)所述的套管的壁厚，随使用的耐热陶瓷的热传导率降低而减薄，壁厚的范围为0.4～2mm。
4.按权利要求1所述的改进型450℃高温压电加速度计，其特征在于所述的热应力垫圈的厚度为0.5-2mm，其中间圆孔直径为φ3-φ5mm，以与顶紧螺母的螺纹外径相匹配为准，其外径等于或小于质量块的直径。
5.按权利要求1或4所述的改进型450℃高温压电加速度计，其特征在于所述的热应力垫圈上下两端面不平行度小于0.05mm，表面粗糙度要求为
6.按权利要求1或4所述的改进型450℃高温压电加速度计，其特征在于热应力垫圈由GH600或GH169耐高温合金材料制成。
7.按权利要求1所述的改进型450℃高温压电加速度计，其特征在于所述的质量块的外径为φ10～φ20mm，内径为φ3～φ5mm，厚度范围为4～10mm。
8.按权利要求1所述的改进型450℃高温压电加速度计，其特征在于压电陶瓷元件经复合置换及形成含缺位的铋层状陶瓷组合物，一价金属离子为Li、Na、K中一种；
(1)当(Na+、Ce3+)复合取代，其组合物通式为：
CaxNa(1-x)/2Ce(1-x)/2Bi4Ti4O15与
(Bi2O2)2+[CaxNa[(1-x)/2]-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2- (3)
式中：0.8＜x＜1.0，0＜y＜0.05；
(2)当(Li+、Ce3+)复合取代，其组合物通式为：
CaxLi(1-x)/2Ce(1-x)/2Bi4Ti4O15与
(Bi2O2)2+[CaxLi[(1-x)/2]-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2- (4)
式中0.8＜x＜1.0，0＜y＜0.05；
(3)当(K+、Ce3+)复合取代，其组合物通式为：
CaxK(1-x)/2Ce(1-x)/2Bi4Ti4O15与
(Bi2O2)2+[CaxK[(1-x)/2]-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2- (5)
式中；0.8＜x＜1.0，0＜y＜0.05。
9.按权利要求1或8所述的改进型450℃高温压电加速度计，其特征在于压电陶瓷元件经复合置换及含缺位的铋层状陶瓷组合物，(Na+、Ce3+)复合取代时，形成Na+空位时最佳组成为x＝0.90，y＝0.01。
10.按权利要求1或8所述的改进型450℃高温压电加速度计，其特征在于压电陶瓷元件经(Li+、Ce3+)复合置换并形成Li+缺位的铋层状陶瓷组合物。
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Legal Events
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |