CN1147731C - 一种经改进的在200℃使用的剪切型绝缘压电加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可在200℃高温下使用的剪切型底部绝缘的压电加速度计，属于振动传感器领域。特征在於压电敏感元件为Ca²⁺或Ba²⁺置换，添加稀土氧化物的改性偏铌酸铅高温压电陶瓷；同时提出了用高比重钨铜合金质量块以及信号输出件的绝缘材料是以玻璃体取代氟塑料，并用可在200～250℃高温下长时间使用的而且自身阻抗高耐磨性能好的聚酰亚胺材料制成绝缘体，绝缘体的内腔可以是内六角、四方或梅花形中的任何一种，采用螺纹和环氧胶双重连接使其和加速度计的底座固定。安装加速度计的螺纹镶嵌件的外形应与绝缘体内腔形状相对应，本发明提供的压电加速度计具有绝缘阻抗高，采用钢制螺孔耐磨性好的特点，可用于环境温度到达200℃而又需要与被测物体绝缘的场合。

Description

一种经改进的在200℃使用的剪切型绝缘压电加速度计

技术领域

本发明涉及一种经改进的在200℃高温下使用的底部绝缘的剪切型压电加速度计，属于振动传感器领域。

背景技术

振动量的大小可反映了物体、设备的运行状况如何，对振动量的检测，几乎涉及到各个工程领域。要检测振动就要有振动测量仪，就少不了振动传感器。这其中人们使用最多的是内部无活动部件，体积较小，性能可靠的压电加速度计。压电加速度计的选择得当以及性能如何，对拾取被检信号的准确性、可靠度、安全性至关重要。

压电加速度计是高输出阻抗器件，从连接电缆中诱发出的噪声讯号有时会给检测造成很大的麻烦。这些干扰来自：与大地构成的回路、摩擦电的干扰和电磁干扰。摩擦电干扰是由于电缆的机械运动而进入加速度计。它来源于电缆中各层之间的动态歪曲、压缩及拉伸而引起局部电容和电荷的变化。防止的方法是采用石墨化的加速度计电缆并在尽可能靠近加速度计的地方用胶布或粘结剂固定起来。电磁干扰常在加速度计的电缆靠近运转机器时产生。这可用双层屏蔽线或可采用平衡式加速度计及差动式前置放大器的办法加以解决。而最令现场使用者烦恼的是接地回路问题。由于加速度计和测量仪表是分别接地的，接地回路有时会在加速度计电缆的绝缘层(表面)流动。还有，在检测电机时，如果遇到电机本身的接地不好，或因接地回路的影响，可能使被测的交变信号产生不稳定而影响测试精度。另外，在对民用的移动电机，在对诸如飞机、舰船等运动物体的振动检测中，因无非接地而必须要用“浮地”测试方法，或者是在不能做到随时可靠接地的场合等等。诸如此类，都归结到对检测的一次仪表——加速度计的底部绝缘问题。过去人们对底部要求绝缘的测试，采用的是或用绝缘螺栓和在加速度计的底部垫云母片的办法，来防止形成接地回路，但这种方法很不方便。原因是：用诸如胶木类的绝缘螺栓耐磨性差；而在加速度计的底部垫云母片的办法，云母片极易碎。为了安全、可靠、快捷的安装，以及增加加速度计的抗干扰能力，这就引出了本发明提出的底部绝缘型压电加速度计的设想。由于剪切型压电加速度计的横向灵敏度、环境灵敏度都明显较传统的中心压缩式优良，所以在不少现场的测试环境下，用剪切型底部绝缘型的压电加速度计测得的数据要比用一般的压电加速度计测得的结果，更可靠、准确，有效地提高了测试精度。在一些高温环境下，就需要能有底部绝缘的剪切型压电加速度计供使用。

图1为一般剪切型压电加速度计的结构示意图。图中1—底座；2—壳体；3—压电陶瓷片；4—质量块；5—预紧筒；6—衬套；7—插孔。从图可见，剪切型压电加速度计的底部是和被测物体的表面直接并紧密连贴的，即与大地构成了回路。而被检系统产生的回路信号，有可能对测试结果，对检测仪器及测试人员带来不良后果，且设有的剪切型压电加速度计只能在室温下使用。

发明内容

本发明的目的在於提供一种经改进的可在200℃高温下使用的，底部绝缘的剪切型压电加速度计。这种压电加速度计除了通常加速度计的性能外，它的显著特点是：绝缘阻抗极高，采用的钢制螺孔，耐磨性强，能在200℃的高温下正常工作。

本发明的目的是通过组合改进的方式实施的。对一般剪切型压电加速度计作了四方面改进，以保证压电加速度计能在200℃的高温下使用。1)选用了改性偏铌酸铅高温敏感陶瓷材料作为压电加速度计的压电敏感元件；2)将质量块的材料由原来的不锈钢类改为高比重(钨铜)合金；3)信号输出件中的绝缘材料是玻璃体；4)设计新的绝缘体安放在压电加速度计底座与被测物体之间绝缘。现就四方面的改进逐一详细阐述。

第一.偏铌酸铅压电陶瓷的低机械品质因素(Qm＜10)、单一的振动模式(Kt＞Kr)和较高的居里温度(Tc＝579℃)，使其在工业检测、医疗诊断与高温传感器方面有着十分广阔的应用前景。然而纯偏铌酸铅PbNb₂O₆，其铁电相位于高温区(～123℃)，需用淬冷的技术把它冻结至常温或低温区进行使用，这就导致纯偏铌酸铅压电陶瓷材料与元件的制备工艺变得十分复杂、困难，因而大大限制了这类陶瓷材料的生产与广泛应用。为了制得可供实际应用的偏铌酸铅压电陶瓷材料与元件，人们进行了大量及掺杂改性研究，最常用的是采用K⁺、Ba²⁺离子置换和添加ZrO₂、TiO₂和Nb₂O₅等办法来实现。K⁺、Ba²⁺等离子的置换和各种氧化物的添加，虽然能较有效的改善材料的工艺性和提高材料的压电性能，但材料的各向异性变差、Qm增大，居里温度降低，这就使纯偏铌酸铅材料的优良性能大大下降，而且不宜在高温下使用。

本发明使用的改性偏铌酸铅高温陶瓷材料是一种含有效添加剂和少量Ca²⁺或Ba²⁺的置换所制得的改性偏铌酸铅压电陶瓷材料，以保持材料在具有纯偏铌酸铅优点的同时，改善材料的高温压电性能和工艺性能，从而使材料能在200℃的高温下应用。

具体地说，改性偏铌酸铅压电陶瓷材料的组成通式可表示为Pb_1-xMe_xNb₂O₆+y。式中：Me为Ca²⁺或Ba²⁺，0.01＜x＜0.10，y为稀土氧化物，如CeO₂、Sm₂O₃、Nd₂O₃或TeO₂中的一种，加入量占陶瓷材料的重量的0.05-0.30％；

按上述组份，采用陶瓷的一般工艺，即进行配料、球磨混合、干燥、压块(压力为10MPa)、合成800℃/2小时)、细磨(球磨)、烘干、加粘造粒，成型(成型压力为150-200Mpa)、排塑(800℃/小时)，烧结(1260-1300℃/20′-30′)，烧结的瓷坯经冷加工、清洗、上电极、极化(极化温度180℃，极化电压5KV/mm)，最后进行性能测试，即制备成可以使用的高温压电陶瓷元件。

这种改性偏铌酸铅的特性为：

1.改善了材料的工艺性能，陶瓷元件在烧结后无需淬火，随炉自然冷却即可将高温铁电相保持到室温；

2.提高了材料的Kt值，介於0.38～0.45之间；

3.提高了材料的居里温度，T_c＝530～570℃；

4.降低Q_m至10以下；

5.可以方便地制备各种形状(圆片、长方片、半球。空心球、圆环、圆管和圆柱等)的元件，其尺寸可以达到直径5～200mm和厚度0.2～10mm或5×5～200×200mm厚度为0.2～10mm的长方形或正方形片。在本发明中用的压电敏感元件为长方形状，其尺寸为宽6mm，长8mm，厚1mm。

第二.众所周知，压电加速度计的输出灵敏度S≈md₃₃(质量×压电系数)。由于改性偏铌酸铅压电陶瓷的压电系数d₃₃＝80，仅为一般发射型压电陶瓷的1/4～1/6，因此用改性偏铌酸铅压电陶瓷作为敏感元件，T_C虽然提高不少，使用温度相应提高到了200℃以上，但压电加速度计的输出灵敏度降低。而高比重(钨铜)合金的比重达17左右，是不锈钢类材料的两倍，为提高压电加速度计的输出灵敏度，本发明中提出用高比重(钨铜)合金代替不锈钢作为质量块的材料。钨铜合金由上海市有色金属研究所生产。

第三.在一般常温压电加速度计中，信号输出件的外壳和它的内芯之间有一个用氟塑料类材料制成的绝缘子，以保证信号和地绝缘。而氟塑料在200℃～250℃左右就要老化即高温下绝缘程度下降，这将影响信号的检测。为此本发明中提出在信号输出件中的绝缘材料以玻璃体取代氟塑料，从而有效提高信号输出件的绝缘阻抗，以保证信号检测的精度。

第四.设计了绝缘体，如图2所示安放在压电加速度计的底部中间。本发明设计的绝缘体如图2中8，其高度应小于加速度计的六角底座的高度，其外圆A应该小于加速度计底座六角的对称面，它的高度在1～2mm之间。绝缘体的内腔形状或是内六角、四方或梅花形中的任何一种。用於安装加速度计的螺纹镶嵌件的外形应与绝缘体内腔形状相对应。镶嵌件的安装螺孔内径为M3～M8mm。

这种用于安装加速度计的螺纹镶嵌件可以事先和绝缘体压制成一体，也可以靠螺纹加胶粘剂把其固定在绝缘体内。由于用于固定加速度计的安装螺孔也与加速度计本体完全绝缘，这就有效地防止了来自大地构成回路的干扰，从而提高了检测精度和可靠性。

图3所示的底座内绝缘体是选用了可在200～250℃高温下长时间使用的聚酰亚胺材料。这种材料的自身阻抗很高且耐磨性好。绝缘体和加速度计底座之间的结合靠螺纹和环氧胶双重连接。由此可见，本实用新型提供的剪切型绝缘压电加速度计除了具有通常加速度计的特性外，其显著特征点是绝缘阻抗高，采用的钢制螺孔，耐磨性好，且能在200℃高温下安全使用。

附图说明

图1为一般剪切型压电加速度计的结构示意图。

图2为本发明提出的一种经改进的可在200℃高温下使用的剪切型绝缘压电加速度计的结构示意图。

图3为本实用新型设计的一种内六角绝缘体的剖面示意图。

图中1—底座；2—壳体；3—压电陶瓷片；4—质量块；5—预紧筒；6—衬套；7—插孔；8—绝缘体；9—安装螺孔；10—螺纹镶嵌件；11—高温压电陶瓷片。

从图1可见，剪切型压电加速度计的底部是和被测物体的表面直接并紧密连贴的，即与大地构成了回路。而被检系统产生的回路信号，有可能对测试结果，对检测仪器及测试人员带来不良后果。

图3所示的绝缘体是选用了可在200～250℃高温下长时间使用的聚酰亚胺材料。这种材料的自身阻抗很高且耐磨性好。由于用于固定加速度计的安装螺纹也与加速度计本体完全绝缘，这就有效地防止了来自大地构成回路的干扰，从而提高了检测精度和可靠性。

具体实施方式

通过下面实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于实施例。

实施例1

压电陶瓷片组成Pb_0.95Ca_0.05Nb₂O₆，以CeO₂为添加剂，加入y的量为陶瓷材料重量的0.10％，经一般陶瓷工艺制成高温压电陶瓷元件，其Tc＝540℃，Kt＝0.40，Qm＜10，加工成尺寸为宽6mm，长8mm，厚1mm的长方形状，用比重达17左右的钨铜合金作为质量块，绝缘体的内腔为六角形(如图3所示)，高度为1mm的内，它是由可在200-250℃高温下长时间使用的聚酰亚胺材料制成。绝缘体和加速度计之间采用螺纹和环氧树脂双重连接。用于安装加速度计的螺纹镶嵌件预先和绝缘体压制成一体，镶嵌件内的安装螺孔尺寸为4mm，它位于底座的中心位置，且与底座绝缘。经过这四方面的改进，使制造出来的剪切形绝缘压电加速度计可在200℃高温下使用。

实施例2

压电陶瓷片组成为Pb_0.93Ba_0.07Nb₂O₆，添加剂为以Sm₂O₃，加入y的量为陶瓷材料重量的0.15％，Tc＝545℃，Kt＝0.42，绝缘体的内腔为四方形，高度为1.5mm，其螺纹的镶嵌件的外形也为四方形，是由聚酰亚胺材料制成，靠螺纹加胶粘剂把其固定在绝缘体内。其余同实施例1。

Claims (4)

1.一种经改进的可在200℃高温下使用的剪切型底部绝缘压电加速度计，包括底座、质量块、压电陶瓷元件、预紧筒、绝缘体、安装螺孔，其特征在于：

(1)选用通式为Pb_1-xMe_xNb₂O₆+y的改性偏铌酸铅高温敏感陶瓷材料作为高温压电敏感元件，式中：Me为Ca²⁺或Ba²⁺，0.01＜x＜0.10，y为CeO₂、Sm₂O₃、Nd₂O₃或TeO₂中的一种，加入量占陶瓷材料的重量的0.05-0.30％；

(2)采用钨铜合金作为质量块；

(3)在压电加速度计底座的中间设置一个绝缘体，绝缘体采用螺纹和环氧树脂双重连接方法，使其和加速度计固定；安装加速度计的螺纹镶嵌件在绝缘体内，镶嵌件内的安装螺孔位于加速度计的中间，与加速度计底座完全绝缘；

(4)信号输出件的外壳和内芯之间的绝缘子由玻璃体制成。

2.按权利要求1所述的可在200℃高温下使用的剪切型底部绝缘压电加速度计，其特征在于所述的绝缘体的内腔形状或是内六角、或是四方或梅花形中的任何一种；用于安装加速度计的螺纹镶嵌件的外形应与绝缘体内腔形状相对应。

3.按权利要求书1或2所述的可在200℃高温下使用的剪切型底部绝缘压电加速度计，其特征在于所述的螺纹镶嵌件或与绝缘体压制成一体，或靠螺纹加胶粘剂把其固定在绝缘体内；镶嵌件上的安装螺孔内径为M3-M8mm。

4.按权利要求书1所述的可在200℃高温下使用的剪切型底部绝缘压电加速度计，其特征在于所述的绝缘体选用了在200-250℃高温下长时间使用的聚酰亚胺材料制成；高度在1-2mm之间，外圆应该小于加速度计底座六角的对称面。

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