可在200℃高溫下使用的360°換向的壓電加速度計的製作方法

2023-05-04 02:47:01

專利名稱：可在200℃高溫下使用的360°換向的壓電加速度計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可在200℃高溫下使用的360°換向壓電加速度計，更確切地說涉及一種輸出電纜可360°換向和可在200℃的高溫下使用的中心壓縮式高溫壓電加速度計，屬于振動傳感器領域。
任何物體都會有振動，振動量的大小可反映一個物體、一臺設備的運行狀況是否良好。對振動量的檢測，幾乎涉及到每個工程領域。要檢測振動就離不開測振傳感器，壓電加速度計是其中應用最廣、品種最多的傳感器之一。
壓電加速度計的選擇得當以及性能如何，對拾取被檢信號的準確性、可靠度至關重要。由於壓電加速度計的本身會作為附加質量而有可能影響到被測物體的檢測精度，因此，人們一般要求作為一次儀表的加速度計的質量是被測物體重量的1/5～1/10。較輕的重量和輸出電纜可360°換向，是用戶所需要的。壓電加速度計的安裝無方向性，尤其適合於對設備的在線檢測和監控，比如在一些安裝的現場要求輸出的電纜有方向性，或者是在被檢測部位的空間比較小，或者是希望裝卸便捷，成了每個現場使用者共同所希望的，而現有的一般中心壓縮式壓電加速度計無法做到這一點。另外，在一些高溫環境下，而且被測的空間又比較小，這時就需要體積較小，輸出電纜可360°換向並可能在200℃的高溫下正常工作的壓電加速度計。


圖1為一般中心壓縮式壓電加速度計的結構示意圖。圖中1-底座；2-殼體；3-壓電敏感元件；4-質量塊；5-預緊螺母；6-信號輸出件；7-安裝螺孔；8-引電片。從圖可見，壓電加速度計將通過其底部的安裝螺孔7上的螺紋固定在被測物體上。由於在加工每個加速度計底部的安裝螺紋時，因加工造成了幾何尺寸有差異，故經常會發生側向輸出加速度計的輸出方向與安裝者所希望的輸出方向不一致，這給安裝者和測試者帶來了很大的不便，並且在被測部位空間比較小的場合，這也會給安裝方面帶來一定的難度。
本發明的目的在於提供一種可在200℃高溫下使用的，輸出電纜可360°換向的壓電加速度計，它具有裝卸容易，體積小，重量輕，靈敏度高，測試便捷，適合於對設備的在線檢測和監控，能在200℃的高溫下正常工作，尤其是在一些安裝的現場要求有方向性，或在被檢測部位的空間比較小，溫度又比較高，以及希望裝卸便捷，對輸出的電纜要求能隨意的場合。
本發明的目的是通過組合發明方式實施的。首先對一般中心壓縮式壓電加速度計作了四方面改進，以保證壓電加速度計能在200℃的高溫下使用。1)選用了改性偏鈮酸鉛高溫敏感陶瓷材料作為壓電加速度計的壓電敏感元件；2)信號輸出件和引電片的連接是用導電膠；3)將質量塊的材料由原來的不鏽鋼類改為高比重(鎢銅)合金；4)信號輸出件中的絕緣材料是玻璃體。其次，在結構上也進行了改進，以保證輸出可360°換向。現就四方面的改進逐一詳細闡述。
第一．偏鈮酸鉛壓電陶瓷的低機械品質因素(Qm＜10)、單一的振動模式(Kt＞Kr)和較高的居裡溫度(Tc=579℃)，使其在工業檢測、醫療診斷與高溫傳感器方面有著十分廣闊的應用前景。然而純偏鈮酸鉛PbNb2O6，其鐵電相位於高溫區(～123℃)，需用淬冷的技術把它凍結至常溫或低溫區進行使用，這就導致純偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料與元件的製備工藝變得十分複雜、困難，因而大大限制了這類陶瓷材料的生產與廣泛應用。為了製得可供實際應用的偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料與元件，人們進行了大量及摻雜改性研究，最常用的是採用K+、Ba2+離子置換和添加ZrO2、TiO2和Nb2O5等辦法來實現。K+、Ba2+等離子的置換和各種氧化物的添加，雖然能較有效地改善材料的工藝性和提高材料的壓電性能，但材料的各向異性變差、Qm增大，居裡溫度降低，這就使純偏鈮酸鉛材料的優良性能大大下降，而且不宜在高溫下使用。
本發明使用的改性偏鈮酸鉛高溫陶瓷材料是一種含有效添加劑和少量Ca2+或Ba2+的置換所製得的改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料，以保持材料在具有純偏鈮酸鉛優點的同時，改善材料的高溫壓電性能和工藝性能，從而使材料能在200℃的高溫下應用。
具體地說，改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料的組成通式可表示為Pb1-xMexNb2O6+ywt％。式中，Me為Ca2+或Ba2+，置換0.00＜x＜0.10,y為稀土氧化物，如CeO2、Sm2O3、Nd2O3或TeO2中一種，y=0.05-0.30wt％。
按上述組份，採用陶瓷的一般工藝，即進行配料、球磨混合、乾燥、壓塊(壓力為10MPa)、合成800℃/2小時)、細磨(球磨)、烘乾、加粘造粒，成型(成型壓力為150-200 MPa)、排塑(800℃/小時)，燒結(1260-1300℃/20』-30』)，燒結的瓷坯經冷加工、清洗、上電極、極化(極化溫度180℃，極化電壓5KV/mm)，最後進行性能測試，即製備成可以使用的高溫壓電陶瓷元件。
這種改性偏鈮酸鉛的效果如下1．改善了材料的工藝性能，陶瓷元件在燒結後無需淬火，隨爐自然冷卻即可將高溫鐵電相保持到室溫；2．提高了材料的Kt(Kt=0.38-0.45)；3．提高了材料的居裡溫度(Tc=530-570℃。)；4．降低Qm至10以下；5．可以方便地製備各種形狀(圓片、長方片、半球。空心球、圓環、圓管和圓柱等)的元件，其尺寸可以達到直徑5～200mm和厚度0.2～10mm或5×5～200×200mm厚度為0.2～10mm的長方形或正方形片。在本發明中用的壓電敏感元件為圓環狀，其尺寸為Φ10×Φ4×1mm。
第二．對一般常溫壓電加速度計來講，信號輸出件和壓電陶瓷片的連接是靠一根從信號輸出件中引出的導線用焊錫焊在引電片上的。由於焊錫的熔點不高於150℃，即在150℃左右或超過150℃，導線就要從引電片上脫落。在本發明系用耐溫度高於200℃的市售高溫導電膠代替焊錫，連接導線和引電片，可保證至少在200℃或超過200℃，信號輸出件中引出的導線和引電片之間不脫落。高溫導電膠的牌號為DAD-30，由上海市合成樹脂研究所生產。
第三．壓電加速度計的輸出靈敏度S≈md33(質量×壓電係數)。由於改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷的壓電係數d33=80，僅為一般發射型壓電陶瓷的1/4～1/6，因此用改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷作為敏感元件，會使壓電加速度計的輸出靈敏度降低。眾所周知，高比重(鎢銅)合金的比重達17左右，是不鏽鋼類材料的兩倍，為提高壓電加速度計的輸出靈敏度，本發明中提出用高比重(鎢銅)合金代替不鏽鋼作為質量塊的材料。鎢銅合金由上海市有色金屬研究所生產。
第四．在一般常溫壓電加速度計中，信號輸出件的外殼和它的內芯之間有一個用氟塑料類材料製成的絕緣體，以保證信號和地絕緣。而氟塑料在200℃～250℃左右就要老化即高溫下絕緣程度下降，這將影響信號的檢測。為此本發明中提出在信號輸出件中的絕緣材料以玻璃體取代氟塑料，從而有效提高信號輸出件的絕緣阻抗，以保證信號檢測的精度。
經過上述四方面的改進，使中心壓縮式壓電加速度計能在200℃高溫下使用，但還不能實現輸出可360°換向，欲實現這360°換向，在結構上又作了較大改進，從而真正達到本發明的兩個目的。
結構上的改進是先將安裝固定螺釘穿過中心壓縮式壓電加速度計的中心通孔11，然後把該加速度計的信號輸出件即輸出電纜的位置可調整到測試者所需要的方向，最後擰緊固定螺杆，將該加速度計完全安裝在被測物體上。通常安裝螺孔的內徑為3～6mm，安裝螺釘的外徑為M3～M6，可視被測物體所在位置的安裝螺孔而定。
圖2為本發明提供的輸出可360°換向的中心壓縮式高溫壓電加速度計的結構示意圖。圖中1-底座；2-殼體；5-預緊螺母；6-信號輸出件；8-引電片；9-改性後的高溫壓電敏感元件；10-高比重質量塊；11-中心通孔。從圖中可清楚地看到，操作者只要將安裝螺釘穿過壓電加速度計的中心通孔，將加速度計的輸出端(即輸出電纜的方向)轉動到自己需要的位置後，再把其固定在被測物體上，這便使安裝與測試者對輸出電纜的方向可360°隨意調整的願望得到實施。這種壓電加速度計的另一特點是體積較小，重量較輕。
圖3為本發明提供的可在200℃高溫下使用的，輸出可360°換向的中心壓縮式高溫壓電加速度計的安裝示意圖。圖中6-信號輸出件；12-安裝固定螺釘；13-被測物體；14-輸出可360°換向的中心壓縮式高溫壓電加速度計。可以看到，壓電加速度計14可通過中心通孔11方便地將固定螺釘12與被測物體13相連。由於採用了這種固定方法，既保持了中心壓縮式高溫壓電加速度計輸出靈敏度高的特點，又增大了壓電加速度計底部與被測物體表面的接觸剛度，使加速度計輸出信號的可靠性得到提高。通常安裝螺孔的內徑為4mm，安裝螺釘的外徑為M4，而信號輸出件6可調整到如圖所示的方向，即測試者所需的方向。
下面結合實施例，進一步說明本發明的進步和特點，但本發明決不僅僅局限於實施例。
實施例1．選用x=0.03(Me=Ca)，y=0.1(CeO2)的改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料取代一般壓電加速度計用的壓電陶瓷材料、用高溫導電膠代替焊錫，連接信號輸出件中的引出導線和引電片、用高比重(鎢銅)合金代替不鏽鋼作為質量塊的材料、以玻璃體取代氟塑料，作為信號輸出件中的絕緣材料，按圖2所示的輸出可360°換向的中心壓縮式高溫壓電加速度計的結構示意圖裝配而成。
實施例2．選用x=0.07(Me=Ba),y=0.1(Nb2O3)的改性偏鈮酸鉛高溫壓電陶瓷材料取代一般壓電加速度計用的壓電陶瓷材料，其餘同實施例1。
權利要求
1．一種可在200℃高溫下使用的360°換向中心壓縮式壓電加速度計，包括底座、質量塊、敏感元件、信號輸出件以及固定螺杆，其特徵在於(1)選用改性偏鈮酸鉛高溫敏感陶瓷材料作為敏感元件；(2)信號輸出件和引電片的連接改用耐高溫高於200℃的導電膠；(3)質量塊的材料採用高比重的鎢銅合金；(4)信號輸出件的外殼和內芯之間的絕緣體由玻璃體製作；(5)安裝螺孔與中心壓縮式壓電加速度計的中心通孔連通，使輸出電纜的位置可360°換向。
2．按權利要求1所述的可在200℃高溫下使用的360°換向壓電加速度計，其特徵在於所述的改性偏鈮酸鉛高溫敏感陶瓷材料組成通式為Pb1-xMexNb2O6+Yywt％，式中Me為Ca2+或Ba2+，摻入量0.00＜x＜0.10,y為稀土氧化物添加物，如CeO2、Sm2O3、Nd2O3或TeO2中的一種，加入量為0.05～0.30wt％。
3．按權利要求2所述的可在200℃高溫下使用的360°換向壓電加速度計，其特徵在於所述的改性偏鈮酸鉛高溫敏感元件的製備條件是(1)合成溫度為800℃保溫2小時；(2)燒結溫度是1260～1300℃保溫20～30分鐘；(3)極化溫度180℃，極化電壓5KV/mm。
4．按權利要求1所述的360°換向和200℃高溫使用的壓電加速度計，其特徵在於安裝螺孔的內徑為3～6mm，安裝固定螺釘的外徑為M3～M6。
全文摘要
本發明涉及一種200℃高溫下使用的360°換向中心壓縮式壓電加速度計,屬于振動傳感器領域。特徵在於將一般中心壓縮式壓電加速度計的安裝螺孔與壓電加速度計的中心孔連通;壓電敏感元件為Ca
文檔編號G01D5/14GK1318736SQ01113448
公開日2001年10月24日 申請日期2001年6月15日 優先權日2001年6月15日
發明者鬍子儉, 王志超 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所