高溫壓電式加速度傳感器的溫度響應測試評價

杜曉輝, 劉 帥, 朱敏杰, 盧鐵林, 張祖偉, 袁宇鵬

1. 機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所, 北京 100055；2. 中電科技集團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電等領域重大裝備健康監測的重要手段[1-3]，而渦輪發動機、汽輪機、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 ℃，國內已開發出工作溫度可達482 ℃的商品化壓電加速度傳感器產品[5]，但是國內市場基本仍被Brüel&Kjr、Endevco、PCB和Kistler等國外公司壟斷。

造成上述技術和市場差距的主要原因是國產高溫加速度傳感器的溫度響應相關研究相對滯后。高溫加速度傳感器開發的技術難點集中在高溫對壓電元件穩定性、傳感器應變、接插件和線纜可靠性等方面的系統影響，這些方面的研究均需要在高溫振動環境中開展。在傳感器設計階段，高溫振動環境主要以虛擬設置為主；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境下的可用性[6]；李建義等仿真研究了壓阻式加速度計的高溫失效機理并開展了實驗驗證[7]。在傳感器測試評價階段，高溫振動環境主要以真實構建測試系統為主。孔令楓等利用管式爐和激振臺等設備建立了高溫振動測試系統，用于獲得自研CTGS和YCOB高溫壓電加速度計的靈敏度溫漂特性[8]；譚祥虎等利用加速度計校準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系[10]；Ji Li等利用微型跌落系統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[11]。總體來看，目前國產高溫加速度傳感器仍處在技術跟跑階段，配套搭建的高溫振動系統主要用于獲取自研傳感器的靈敏度溫漂特性，但是，傳感器的技術評價需要量化自研傳感器與國外同類先進產品的溫度響應性能差異，傳感器的推廣應用也需要更多的高溫穩定性數據作支撐。

針對現有國產高溫加速度傳感器需要量化與同類進口產品的溫度響應差距的開發需求，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備的高溫振動綜合測試系統，研究了國產高溫加速度傳感器的靈敏度溫漂和高溫穩定性等溫度響應測試評價技術。該方法的優勢在于能夠量化測試對比國產傳感器和同類進口傳感器，并將對比數據反饋給國產廠家，輔助傳感器性能優化；另一方面能夠為潛在用戶提供來自第三方的傳感器典型功能和性能測試數據，達到真實反應國產傳感器性能的目的。本文以某型號國產高溫壓電加速度傳感器為例，開展測試方法研究、測試系統設計及測試結果討論。

1 測試方法

比較法是標準規定的壓電加速度計測試校準方法之一[12-13]，但在相關文獻的測試系統中，作為參考的標準傳感器均工作在室溫環境下，被測傳感器和標準傳感器無法實現背靠背安裝，自研傳感器的溫度響應特性評價無對照組可以參照。因此，本文在傳統比較法測試基礎上，創新地提出了同步高溫振動對比測試方法。對被測傳感器和標準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，以及功能指標與實時溫度的關系。經過數據量化比對，形成自研傳感器與標準傳感器的溫度響應對比測試評價，進一步找出國產高溫加速度傳感器與同類進口產品的溫度響應差距，指導反饋優化傳感器設計和工藝等。根據JB/T 6822—2018 壓電式加速度傳感器，加速度傳感器的溫度響應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；而傳感器高溫穩定性主要考核傳感器在極限高溫環境下的靈敏度穩定度。

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。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，傳感器系統的靈敏度是傳感器靈敏度與電荷放大器的電荷轉換系數的乘積。傳感器系統靈敏度穩定度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。

在測試系統中，國產高溫壓電加速度傳感器作為實驗組，同類進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，同步開展溫變響應試驗和高溫穩定性試驗。依據壓電式加速度傳感器技術標準，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

為了實施上述對比測試，本文搭建了壓電加速度傳感器高溫性能測試系統，包含環境應力發生裝備、傳感器和信號測試儀器3部分。與傳統加速度傳感器功能測試系統相比，本系統的環境應力發生裝備不僅包括激振力發生裝備，還包括高溫應力發生裝備，以實現溫度和機械振動應力的精確實時復合加載。由于現有傳感器的供電方式不同，部分傳感器系統需要配套直流供電設備，以保證電荷放大器正常工作，因此，本系統配置了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信號檢測儀器。測試系統的原理圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 加速度傳感器高溫測試系統原理圖

圖2 加速度傳感器高溫測試系統實物圖

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只某型號國產高溫傳感器作為實驗組。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數據采集儀，Kistler公司的電荷放大器需要直流24 V供電。傳感器系統實物如圖3所示，傳感器系統特性數據如表1所示，傳感器系統的靈敏度由出廠校準證書查得。Kistler、PCB和N1傳感器用于溫變響應測試評價，Kistler、N1、N2和N3傳感器用于高溫穩定性測試評價；同時配置了K型熱電偶，實時采集傳感器工作原位的溫度數據；其最高工作溫度均為482 ℃。

圖3 高溫對比試驗的傳感器系統實物圖

表1 待測試傳感器系統特性數據統計

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

續表

序號傳感器系統品牌,型號規格和產地系統靈敏度/(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 測試結果及討論

3.1 溫變響應試驗

正弦振動頻率設為標準推薦的160 Hz，系統采集了傳感器工作環境的實時溫度，以及對照組和實驗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。實驗組(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。國產傳感器在3 000 s以前出現無規律的輸出突變，可能是傳感器集中型工藝殘余應力在高溫膨脹下突然釋放導致。

圖4 傳感器輸出隨時間變化的統計曲線

選取時間點分別為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情況。將上述7個時間點的最大加速度示值和溫度隨時間變化曲線合并統計，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左右基本穩定，實測最高溫度為(402±2) ℃；根據式(1)可得傳感器在前4個時間點上相對室溫的靈敏度穩定度，繪制傳感器靈敏度穩定度與對應溫度值的關系曲線，如圖5(b)所示。統計結果表明，在23～400 ℃升溫階段內，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 ℃還未達到試驗傳感器所用壓電材料的居里溫度點，且Kistler和PCB傳感器的靈敏度穩定度在200 ℃后基本穩定，而N1傳感器的靈敏度穩定度在300 ℃后才穩定。在高溫穩定階段內，傳感器靈敏度穩定度均有一定程度的波動。在升溫階段內，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，靈敏度穩定度實現穩定的溫度最低；PCB傳感器次之，國產傳感器的溫度漂移約為Kistler傳感器的2.53倍，靈敏度穩定度實現穩定的溫度最高。造成該差異的主要原因是溫度對國產傳感器壓電元件的壓電系數影響更大，國產傳感器可從該方面入手優化傳感器溫變特性。

圖5 傳感器溫變響應試驗結果

3.2 高溫穩定性試驗

高溫穩定性試驗的對照組是Kistler傳感器，國產N1、N2和N3傳感器作為實驗組，考察實驗組傳感器在10周內的輸出穩定性。信號發生器輸出頻率160 Hz、峰-峰值1 V的正弦信號，調整功率放大器增益，使對照組傳感器輸出加速度示值穩定在2g左右，并在后續測試中保持不變。為了探究傳感器在極限溫度環境下的輸出穩定性，按照可靠性強化試驗的設置，將高溫穩定試驗的溫度設為487 ℃(最高工作溫度為+5 ℃)。溫度穩定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，與進口傳感器相比，3只國產傳感器的極限高溫輸出均存在隨機的示值突變，原因可能是國產傳感器壓電材料的居里溫度點在試驗溫度附近，導致傳感器的溫度漂移隨機波動較大，因此，國產傳感器可從提高壓電材料居里溫度點方面優化高溫輸出波動問題。

圖6 傳感器高溫穩定性試驗結果

將10次測試的溫度值和最大加速度示值峰值分別計算平均值，合并統計如圖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定度最好，國產傳感器的高溫靈敏度穩定度是Kistler傳感器的2倍左右，且3只國產傳感器之間的靈敏度和靈敏度穩定度差異較明顯。因此，國產傳感器不僅要從材料方面優化高溫穩定性，還要從控制工藝一致性方面進行批生產的質量控制。

圖7 高溫穩定性測試的加速度示值峰值和溫度均值統計

4 結束語

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，對比開展了某型號國產高溫壓電加速度傳感器與同類進口傳感器的溫變響應試驗和高溫穩定性試驗。試驗結果表明，在23～400 ℃升溫段內，壓電式加速度傳感器的靈敏度隨著溫度升高均呈現增大的基本趨勢，國產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；在高溫穩定性方面，國產壓電加速度傳感器的高溫靈敏度穩定度均值約為Kistler傳感器的2倍。因此，國產傳感器需從溫度響應相關的材料熱穩定性、系統噪聲抑制和工藝一致性等方面開展性能優化。