基于CTGS和YCOB晶体的高温压电加速度计灵敏度和温漂特性研究

发布时间：2020-10-13 00:24

　　 在航空发动机、高速飞行器、核反应堆、大型轮船内燃机等高温工作的环境中(600℃以上,甚至高达1000℃),其核心部件的结构健康监测迫切需要耐高温加速度计。而基于压电材料的高温加速度计具有高灵敏度、高稳定性、高带宽等优势,在高温环境中也具有较好的稳定性优势受到研究者的广泛关注。目前国外商业化高温压电式加速度计可以在650℃长时间稳定工作,在777℃短时间工作;国内商业化的高温压电加速度计只能在482℃以下工作,显然不能满足上述高温领域的应用。高温压电加速度计中的核心材料压电材料在高温下不稳定是限制其向更高工作温度上发展的重要因素。比如说,传统的压电陶瓷材料会丧失压电性能因超过其居里温度(典型的温度如PZT为100～200℃);石英(α-Si02)在573℃时发生α-β相变;铌酸锂(LN)从300℃开始发生化学分解。近年来有文献报道硅酸镓钽钙(CTGS)和稀土硼酸盐(YCOB)两种压电晶体材料在高温下具有高电阻率、高化学稳定性和良好的压电性能,有望应用于高温加速度计。目前基于上述两种材料的加速度计处于初步探索阶段,限制其应用的主要原因是传感器灵敏度偏小,温漂过大。针对上述问题,本文提出采用切向优化的方式提高灵敏度和不同温度系数压电晶体叠加降低温漂的方法,探索基于高温压电晶体(CTGS和YCOB)的压缩式压电加速度计在高温上应用。本文开展的主要研究工作如下:1、通过理论分析加速计的等效模型(质量块-弹簧振动的一维数学模型),推导出压缩式压电加速度计的灵敏度与压电材料的压电应变常数(dii)成正比;通过切型优化的方式提高dii从而提高灵敏度;同时依托于YCOB和GdCOB(与YCOB都属于ReCOB系列的晶体材料)其dii具有相反的温度特性,提出采用的多层压电材料叠加的方式来降低灵敏度温漂。2、为了对基于CTGS和YCOB晶体的高温压电加速度计进行优化设计,实测了两种压电晶体材料参数随温度的变化趋势。测量了 450～800℃温度区间CTGS和YCOB的电阻率随温度变化的趋势从电阻率的角度初步探索分析两种材料高温应用的可能性,结果表明,在高温下YCOB的电阻率优于CTGS的电阻率且变化率相比于CTGS较小,仅从电阻率的角度说明YCOB比CTGS更适合于高温应用。采用IEEE标准法(阻抗法)测量了 20～800℃温度区间内全套的CTGS和YCOB压电应变常数,利用旋转矩阵公式从理论上计算压电晶体材料绕单轴旋转所获得的切型的压电常数,找出具有最大压电应变常数的切型即理论上认为该切型制备的压缩式加速度计具有最高灵敏度。计算结果表明CTGS晶体的X片切型具有最大压电应变常数(d11),YCOB晶体的YZl/45°切型具有最大的压电应变常数(d22_YZl/45°)。3、从实验上验证通过切型优化的方式可以提高灵敏度和不同温度系数的压电材料叠加的方式可以降低温漂,首先制备了高温压电加速度计,接着测试了加速度计20～800℃的灵敏度。对于CTGS所制备的加速度计来说高于500℃以后因器件的电阻急剧降低而失效;对于YCOB采用两种不同切型(YZl/15°和YZl/45°)的样片分别制备压缩式加速度计,测试结果表明采用YZl/15。制备的加速度计灵敏度低于YZl/45°切向所制备的加速度计,证明采用切型优化的方式来提高加速度计的灵敏度是可行的;采用具有负温度系数的压电晶体GdCOB,与正温度系数的压电材料YCOB叠加补偿的方法来降低器件的灵敏度温漂,实验结果表明仅仅用YCOB压电加速度计温漂到达34.17%,而用GdCOB所制备的加速度计温漂-65%,当YCOB与GdCOB叠加数量比例为2:1时,温漂最小12%,说明利用不同温度系数材料叠加的方式是可以降低温漂的。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH824.4
【部分图文】：

图１－１髙温加速度计的应用??不断发展与进步，在航空航天领域上，发动机不断的展；在国防军事领域，导弹和高速飞行器不断向更高电工业领域上，随着对能源的日益需求，核电站将从对加速度计的工作温度范围提出了更高的要求。根据振动加速度计最高工作温度在５５０°Ｃ［Ｉ５ｌａ还属于实验化产品，商业化的产品最高工作温度为４８２°Ｃ，国外７７７°Ｃ?（短时间工作）并且对我国实行禁运，显温度不能满足航空发动机、高速飞行器、核反应堆等

产生形变时该材料的电阻率会发生变化，电阻率与应变在弹性范围内??成正比的关系１２（），２３］。悬臂梁式的结构是常见的电阻式加速度计结构之一，其基本??结构原理如图１－２所示，在梁的正中心有一质量块，靠近梁的根部贴装了应变片??（压阻材料），当外界加速度作用在该加速度计上时，通过质量块施加力到梁上，??致使梁形变带动应变片发生形变，进一步应变片的电阻发生变化，通过检测电阻??的大小来获取加速度大小［２３］。压阻式加速度计有较高的灵敏度和较好的抗电磁??干扰性，但是由于其电阻敏感材料的电阻受到温度影响较大致使其在高温下不精??确，因此采用电阻式原理的加速度计不适合高温环境的应用［２１，２４＿２６］。??ｎ＾ｎ??１???：泫??§?质量块?：??Ｉ??＿??■?????＼??Ｉ???电极??Ｉ???—?????Ｉ??图１－３电容式加速度计的结构??电容式加速度传感器是利用载荷改变电容大小来测量加速度大小的原理，在??外界惯性力的作用下通过改变电容两个极板之间的距离、重合面积或中间绝缘介??质材料与极板重合的面积大小来改变电容如图ｉ＿３所示，是电容式加速度??３??

Ｉ?梁?丨??ｉｌｌ??ｒ?Ｈ??图１－２压阻式悬臂梁结构的加速度计结构??电阻式加速度传感器是利用外部载荷改变了材料的电阻的原理，当对压阻材??料施加力，产生形变时该材料的电阻率会发生变化，电阻率与应变在弹性范围内??成正比的关系１２（），２３］。悬臂梁式的结构是常见的电阻式加速度计结构之一，其基本??结构原理如图１－２所示，在梁的正中心有一质量块，靠近梁的根部贴装了应变片??（压阻材料），当外界加速度作用在该加速度计上时，通过质量块施加力到梁上，??致使梁形变带动应变片发生形变，进一步应变片的电阻发生变化，通过检测电阻??的大小来获取加速度大小［２３］。压阻式加速度计有较高的灵敏度和较好的抗电磁??干扰性，但是由于其电阻敏感材料的电阻受到温度影响较大致使其在高温下不精??确
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本文编号：2838491