高溫壓電式加速度傳感器的溫度響應(yīng)測試評價

杜曉輝, 劉 帥, 朱敏杰, 盧鐵林, 張祖?zhèn)? 袁宇鵬

1. 機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所, 北京 100055；2. 中電科技集團(tuán)重慶聲光電有限公司，重慶 401332)

0 引言

振動檢測是航空航天和發(fā)電等領(lǐng)域重大裝備健康監(jiān)測的重要手段[1-3]，而渦輪發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)、核電主泵等部位的原位振動檢測需要能夠耐受250～500 ℃的高溫加速度傳感器[4]。目前，國外商品化的加速度傳感器的最高工作溫度已突破780 ℃，國內(nèi)已開發(fā)出工作溫度可達(dá)482 ℃的商品化壓電加速度傳感器產(chǎn)品[5]，但是國內(nèi)市場基本仍被Brüel&Kjr、Endevco、PCB和Kistler等國外公司壟斷。

造成上述技術(shù)和市場差距的主要原因是國產(chǎn)高溫加速度傳感器的溫度響應(yīng)相關(guān)研究相對滯后。高溫加速度傳感器開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)集中在高溫對壓電元件穩(wěn)定性、傳感器應(yīng)變、接插件和線纜可靠性等方面的系統(tǒng)影響，這些方面的研究均需要在高溫振動環(huán)境中開展。在傳感器設(shè)計(jì)階段，高溫振動環(huán)境主要以虛擬設(shè)置為主；陳艷香等利用ANSYS有限元工具證明了SiC加速度傳感器在高溫環(huán)境下的可用性[6]；李建義等仿真研究了壓阻式加速度計(jì)的高溫失效機(jī)理并開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[7]。在傳感器測試評價階段，高溫振動環(huán)境主要以真實(shí)構(gòu)建測試系統(tǒng)為主。孔令楓等利用管式爐和激振臺等設(shè)備建立了高溫振動測試系統(tǒng)，用于獲得自研CTGS和YCOB高溫壓電加速度計(jì)的靈敏度溫漂特性[8]；譚祥虎等利用加速度計(jì)校準(zhǔn)工作站配合恒溫箱測試加速度傳感器在25～530 ℃的靈敏度溫漂特性[9]；石維等利用激振系統(tǒng)和溫度控制儀研究了BGSPT壓電加速度傳感器的靈敏度與溫度依賴關(guān)系[10]；Ji Li等利用微型跌落系統(tǒng)和電加熱爐研究了壓電加速度傳感器在不同溫度下的輸出響應(yīng)[11]。總體來看，目前國產(chǎn)高溫加速度傳感器仍處在技術(shù)跟跑階段，配套搭建的高溫振動系統(tǒng)主要用于獲取自研傳感器的靈敏度溫漂特性，但是，傳感器的技術(shù)評價需要量化自研傳感器與國外同類先進(jìn)產(chǎn)品的溫度響應(yīng)性能差異，傳感器的推廣應(yīng)用也需要更多的高溫穩(wěn)定性數(shù)據(jù)作支撐。

針對現(xiàn)有國產(chǎn)高溫加速度傳感器需要量化與同類進(jìn)口產(chǎn)品的溫度響應(yīng)差距的開發(fā)需求，本文提出一種同步高溫振動對比測試的方法，并搭建了基于管式爐和激振臺等設(shè)備的高溫振動綜合測試系統(tǒng)，研究了國產(chǎn)高溫加速度傳感器的靈敏度溫漂和高溫穩(wěn)定性等溫度響應(yīng)測試評價技術(shù)。該方法的優(yōu)勢在于能夠量化測試對比國產(chǎn)傳感器和同類進(jìn)口傳感器，并將對比數(shù)據(jù)反饋給國產(chǎn)廠家，輔助傳感器性能優(yōu)化；另一方面能夠?yàn)闈撛谟脩籼峁﹣碜缘谌降膫鞲衅鞯湫凸δ芎托阅軠y試數(shù)據(jù)，達(dá)到真實(shí)反應(yīng)國產(chǎn)傳感器性能的目的。本文以某型號國產(chǎn)高溫壓電加速度傳感器為例，開展測試方法研究、測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試結(jié)果討論。

1 測試方法

比較法是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓電加速度計(jì)測試校準(zhǔn)方法之一[12-13]，但在相關(guān)文獻(xiàn)的測試系統(tǒng)中，作為參考的標(biāo)準(zhǔn)傳感器均工作在室溫環(huán)境下，被測傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器無法實(shí)現(xiàn)背靠背安裝，自研傳感器的溫度響應(yīng)特性評價無對照組可以參照。因此，本文在傳統(tǒng)比較法測試基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地提出了同步高溫振動對比測試方法。對被測傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器同時施加高溫條件，同步測試兩種傳感器的功能指標(biāo)，以及功能指標(biāo)與實(shí)時溫度的關(guān)系。經(jīng)過數(shù)據(jù)量化比對，形成自研傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的溫度響應(yīng)對比測試評價，進(jìn)一步找出國產(chǎn)高溫加速度傳感器與同類進(jìn)口產(chǎn)品的溫度響應(yīng)差距，指導(dǎo)反饋優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)和工藝等。根據(jù)JB/T 6822—2018 壓電式加速度傳感器，加速度傳感器的溫度響應(yīng)主要考核溫度變化引入的靈敏度誤差，即靈敏度的溫度漂移；而傳感器高溫穩(wěn)定性主要考核傳感器在極限高溫環(huán)境下的靈敏度穩(wěn)定度。

加速度傳感器正常工作需要與電荷放大器組成傳感器系統(tǒng)。傳感器輸出電荷(或電壓)與所承受的加速度值之比即為傳感器靈敏度，傳感器系統(tǒng)的靈敏度是傳感器靈敏度與電荷放大器的電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積。傳感器系統(tǒng)靈敏度穩(wěn)定度ω為

ω=(S2-S1)/S1×100%

(1)

式中S1，S2分別為前一次、后一次的靈敏度。

在測試系統(tǒng)中，國產(chǎn)高溫壓電加速度傳感器作為實(shí)驗(yàn)組，同類進(jìn)口傳感器作為對照組，兩組傳感器背靠背剛性連接在激振臺上，同步開展溫變響應(yīng)試驗(yàn)和高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)。依據(jù)壓電式加速度傳感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選定200 Hz以下的某一頻率和10g(g=9.8 m/s2)以下的某一加速度值，采用正弦振動激勵開展對比測試。

2 測試系統(tǒng)

為了實(shí)施上述對比測試，本文搭建了壓電加速度傳感器高溫性能測試系統(tǒng)，包含環(huán)境應(yīng)力發(fā)生裝備、傳感器和信號測試儀器3部分。與傳統(tǒng)加速度傳感器功能測試系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力發(fā)生裝備不僅包括激振力發(fā)生裝備，還包括高溫應(yīng)力發(fā)生裝備，以實(shí)現(xiàn)溫度和機(jī)械振動應(yīng)力的精確實(shí)時復(fù)合加載。由于現(xiàn)有傳感器的供電方式不同，部分傳感器系統(tǒng)需要配套直流供電設(shè)備，以保證電荷放大器正常工作，因此，本系統(tǒng)配置了IEPE、PE和直流電源3種供電模式，滿足多型號傳感器同時測試需求。多傳感器同時測試時，需要通用多路壓電加速度傳感器系統(tǒng)信號檢測儀器。測試系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 加速度傳感器高溫測試系統(tǒng)原理圖

圖2 加速度傳感器高溫測試系統(tǒng)實(shí)物圖

本文選用Kistler公司8207A型和PCB公司的357B69型高溫壓電加速度傳感器作為對照組，3只某型號國產(chǎn)高溫傳感器作為實(shí)驗(yàn)組。傳感器通過高溫線纜與各自公司配套的在線電荷放大器連接，電荷放大器再連接至多通道壓電傳感器動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，Kistler公司的電荷放大器需要直流24 V供電。傳感器系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示，傳感器系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)如表1所示，傳感器系統(tǒng)的靈敏度由出廠校準(zhǔn)證書查得。Kistler、PCB和N1傳感器用于溫變響應(yīng)測試評價，Kistler、N1、N2和N3傳感器用于高溫穩(wěn)定性測試評價；同時配置了K型熱電偶，實(shí)時采集傳感器工作原位的溫度數(shù)據(jù)；其最高工作溫度均為482 ℃。

圖3 高溫對比試驗(yàn)的傳感器系統(tǒng)實(shí)物圖

表1 待測試傳感器系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

序號傳感器系統(tǒng)品牌,型號規(guī)格和產(chǎn)地系統(tǒng)靈敏度/(mV·g-1)供電和信號采集模式1Kistler,8207A,瑞士94.6624 V/PE

續(xù)表

序號傳感器系統(tǒng)品牌,型號規(guī)格和產(chǎn)地系統(tǒng)靈敏度/(mV·g-1)供電和信號采集模式2PCB,357B69,美國3.18IEPE3N1,CAYD341V,中國33.30IEPE4N2,CAYD341V,中國32.03IEPE5N3,CAYD341V,中國32.08IEPE

3 測試結(jié)果及討論

3.1 溫變響應(yīng)試驗(yàn)

正弦振動頻率設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)推薦的160 Hz，系統(tǒng)采集了傳感器工作環(huán)境的實(shí)時溫度，以及對照組和實(shí)驗(yàn)組傳感器測得的加速度示值，采樣頻率為1 kHz，采集時間為9 800 s。實(shí)驗(yàn)組(N1)傳感器測得的最大加速度約為3.65g，對照組(Kistler & PCB)測得的最大加速度分別約為3.00g和2.50g，如圖4所示。國產(chǎn)傳感器在3 000 s以前出現(xiàn)無規(guī)律的輸出突變，可能是傳感器集中型工藝殘余應(yīng)力在高溫膨脹下突然釋放導(dǎo)致。

圖4 傳感器輸出隨時間變化的統(tǒng)計(jì)曲線

選取時間點(diǎn)分別為1 500 s、3 500 s、5 500 s、6 500 s、7 500 s、8 500 s、9 500 s最近的正常最大加速度示值和溫度值，評價傳感器溫變響應(yīng)情況。將上述7個時間點(diǎn)的最大加速度示值和溫度隨時間變化曲線合并統(tǒng)計(jì)，如圖5(a)所示。由圖可見，升溫速率在6 300 s左右開始降低，溫度在7 000 s左右基本穩(wěn)定，實(shí)測最高溫度為(402±2) ℃；根據(jù)式(1)可得傳感器在前4個時間點(diǎn)上相對室溫的靈敏度穩(wěn)定度，繪制傳感器靈敏度穩(wěn)定度與對應(yīng)溫度值的關(guān)系曲線，如圖5(b)所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在23～400 ℃升溫階段內(nèi)，壓電式加速度傳感器的靈敏度均隨著溫度升高而增大，說明400 ℃還未達(dá)到試驗(yàn)傳感器所用壓電材料的居里溫度點(diǎn)，且Kistler和PCB傳感器的靈敏度穩(wěn)定度在200 ℃后基本穩(wěn)定，而N1傳感器的靈敏度穩(wěn)定度在300 ℃后才穩(wěn)定。在高溫穩(wěn)定階段內(nèi)，傳感器靈敏度穩(wěn)定度均有一定程度的波動。在升溫階段內(nèi)，相對23 ℃時的傳感器最大加速度示值，N1、Kistler和PCB傳感器的靈敏度穩(wěn)定度最大變化量分別為6.17%、2.44%和4.63%。因此，在溫升對靈敏度影響方面，Kistler傳感器溫度漂移最小，靈敏度穩(wěn)定度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度最低；PCB傳感器次之，國產(chǎn)傳感器的溫度漂移約為Kistler傳感器的2.53倍，靈敏度穩(wěn)定度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度最高。造成該差異的主要原因是溫度對國產(chǎn)傳感器壓電元件的壓電系數(shù)影響更大，國產(chǎn)傳感器可從該方面入手優(yōu)化傳感器溫變特性。

圖5 傳感器溫變響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)的對照組是Kistler傳感器，國產(chǎn)N1、N2和N3傳感器作為實(shí)驗(yàn)組，考察實(shí)驗(yàn)組傳感器在10周內(nèi)的輸出穩(wěn)定性。信號發(fā)生器輸出頻率160 Hz、峰-峰值1 V的正弦信號，調(diào)整功率放大器增益，使對照組傳感器輸出加速度示值穩(wěn)定在2g左右，并在后續(xù)測試中保持不變。為了探究傳感器在極限溫度環(huán)境下的輸出穩(wěn)定性，按照可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的設(shè)置，將高溫穩(wěn)定試驗(yàn)的溫度設(shè)為487 ℃(最高工作溫度為+5 ℃)。溫度穩(wěn)定10 min、傳感器上電5 min后開始測試，測試時長為10 min，測試周期為每周1次。4只傳感器的第一次測試輸出曲線如圖6所示，與進(jìn)口傳感器相比，3只國產(chǎn)傳感器的極限高溫輸出均存在隨機(jī)的示值突變，原因可能是國產(chǎn)傳感器壓電材料的居里溫度點(diǎn)在試驗(yàn)溫度附近，導(dǎo)致傳感器的溫度漂移隨機(jī)波動較大，因此，國產(chǎn)傳感器可從提高壓電材料居里溫度點(diǎn)方面優(yōu)化高溫輸出波動問題。

圖6 傳感器高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

將10次測試的溫度值和最大加速度示值峰值分別計(jì)算平均值，合并統(tǒng)計(jì)如圖7所示。Kistler、N1、N2和N3傳感器各自輸出的最大值與最小值之差分別為0.11g、0.25g、0.20g、0.18g，說明Kistler傳感器的高溫靈敏度穩(wěn)定度最好，國產(chǎn)傳感器的高溫靈敏度穩(wěn)定度是Kistler傳感器的2倍左右，且3只國產(chǎn)傳感器之間的靈敏度和靈敏度穩(wěn)定度差異較明顯。因此，國產(chǎn)傳感器不僅要從材料方面優(yōu)化高溫穩(wěn)定性，還要從控制工藝一致性方面進(jìn)行批生產(chǎn)的質(zhì)量控制。

圖7 高溫穩(wěn)定性測試的加速度示值峰值和溫度均值統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

本文建立了高溫加速度傳感器的同步高溫振動對比測試方法，搭建了專用測試系統(tǒng)，對比開展了某型號國產(chǎn)高溫壓電加速度傳感器與同類進(jìn)口傳感器的溫變響應(yīng)試驗(yàn)和高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在23～400 ℃升溫段內(nèi)，壓電式加速度傳感器的靈敏度隨著溫度升高均呈現(xiàn)增大的基本趨勢，國產(chǎn)壓電加速度傳感器的最大靈敏度溫度漂移量為6.17%，約為Kistler傳感器的2.53倍；在高溫穩(wěn)定性方面，國產(chǎn)壓電加速度傳感器的高溫靈敏度穩(wěn)定度均值約為Kistler傳感器的2倍。因此，國產(chǎn)傳感器需從溫度響應(yīng)相關(guān)的材料熱穩(wěn)定性、系統(tǒng)噪聲抑制和工藝一致性等方面開展性能優(yōu)化。