專利名稱：經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種420℃高溫壓電加速度計，屬于高溫振動傳感器領(lǐng)域。
振動是現(xiàn)代各種工程，如導(dǎo)彈、飛機(jī)、船舶、汽車、橋梁乃至堤壩和大壩建筑物的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。以導(dǎo)彈為例，據(jù)六十年代中美國統(tǒng)計表明，在飛行中出現(xiàn)的破壞，其中一半是因為振動的原因所造成。因此世界各國對振動結(jié)構(gòu)參數(shù)十分關(guān)注，設(shè)計和制造了各種類型的測振傳感器，用以確定動態(tài)環(huán)境的等效載荷。
在各種類型的測振傳感器中，壓電加速度計因其具有尺寸小、重量輕、頻率范圍寬(3～20,000Hz)等優(yōu)點而受到廣泛應(yīng)用。加速度計總是處于苛刻(光、溫度、噪聲、應(yīng)變)的工作環(huán)境，實際使用結(jié)構(gòu)均較復(fù)雜，在材料選擇上，除考慮壓電系數(shù)大小與穩(wěn)定性之外還應(yīng)注意材料的熱釋電效應(yīng)，這是因為作為壓電式加速度計用的傳感元件-鐵電材料永久極化強(qiáng)度隨溫度而變化。工作方式不同時，同種材料在相同溫度變化下產(chǎn)生的電荷信號是不同的。不論是一般壓縮型、單端壓縮型、隔離壓縮及倒裝中心壓縮型以及剪切型加速度計，均應(yīng)考慮到壓電傳感元件環(huán)境溫度的穩(wěn)定性以保證振動的精確度和拓寬壓電加速度計的使用范圍。在眾所周知的中心壓縮型壓電加速度計結(jié)構(gòu)中，高溫壓電陶瓷元件直接與傳感器底座和頂緊螺絲接觸，底座的溫度直接傳到高溫敏感元件上，致使高溫壓電陶瓷元件的工作溫度隨基座影響，從而使測量精度受到影響，致使壓電陶瓷元件的使用溫度范圍變窄。

圖1為一般高溫壓電加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-殼體；2-預(yù)緊螺絲；3-質(zhì)量塊；4-壓電陶瓷元件；5-傳感器底座；6-輸出接插件；7-引電片。在現(xiàn)有的高溫壓電加速度計中，質(zhì)量塊3與預(yù)緊螺絲2是直接接觸，而預(yù)緊螺絲則通過加速度計底座上的螺紋，將質(zhì)量塊3與壓電陶瓷4緊緊的壓緊固定在壓電加速度計的底座5上。當(dāng)來自底座上高的溫度通過壓電陶瓷逐漸傳到質(zhì)量塊3時，由金屬材料制成的質(zhì)量塊3往往會因受熱而產(chǎn)生微量變形，而質(zhì)量3又受頂緊螺絲的作用，緊緊貼在壓電陶瓷上，導(dǎo)致高溫下壓電陶瓷的電荷輸出發(fā)生異常變化，結(jié)果帶來輸出誤差。如何使高溫敏感無件--壓電陶瓷免受溫度變化的直接影響，從而提高加速度計的溫度使用范圍和檢測精度，一直是本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員多年來渴望解決的問題，也是本實用新型所要解決的問題，從而導(dǎo)出了本實用新型的目的。
本實用新型的目的在于提供一種在420℃高溫用壓電加速計。本實用新型的目的是通過下述三個方面改進(jìn)而實施的；(1)增加一個特殊結(jié)構(gòu)的組合套管，用它安放在傳感器底座上，使高溫敏感無件不直接與底座和頂緊螺絲接觸；(2)增加一個熱應(yīng)力墊圈，將它放在質(zhì)量塊和頂緊螺絲之間，可使在高溫條件下質(zhì)量塊產(chǎn)生的熱應(yīng)力得以及時釋放，從而提高壓電加速度計的使用溫度和檢測精度；(3)使用復(fù)合及部分置換取代并形成缺位的鉍層狀陶瓷取代一般的壓電陶瓷片，因這類壓電陶瓷較一般的壓電陶瓷，不僅居里溫度高于850℃、d33高于15，而且Qm大于5000，經(jīng)這方面改進(jìn)，可使壓電加速計使用溫度大大提高，在420℃可穩(wěn)定使用。
圖2是經(jīng)改進(jìn)的420℃高溫壓電加速計的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-7所表示的與圖1相同，僅僅4所示的壓電陶瓷片在組成配方上不同。8為組合套管，9為熱應(yīng)力圈。本實用新型提供的隔熱組合套管8如圖3-1所示。圖3-2中10為墊片，兩端面平行且平整度為＜0.03mm即可，11為套管，墊片10中央有一園孔，其大小正好和套管11的外徑相匹配，套管11的壁厚一般為0.4～2mm，內(nèi)孔中央允許頂緊螺絲2通過，其內(nèi)徑與頂緊螺絲2直徑相配合，間隙為0.05-0.1mm。組合套管8(圖3-1)是由上下二塊墊片10和一個套管11組合而成，墊片10的厚度一般為0.5～2mm，直徑與壓電元件直徑相當(dāng)。套管11的內(nèi)孔中央有頂緊螺絲2，在兩者間隙允許范圍內(nèi)，外表面與壓電陶瓷片之間間隙為0.05～0.5mm范圍。墊片10和套管11由導(dǎo)熱系數(shù)低的耐溫陶瓷制成，如各種組份(75瓷、85瓷、90瓷、95瓷、99瓷)氧化鋁、莫來石、氮化硅及粘土材料；壁厚的取值與制成材料的熱導(dǎo)系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)低的材料制成時壁厚可相應(yīng)小，反之壁厚較大。上下墊片分別與質(zhì)量塊3和傳感器底座5接觸，它們之間用一般市售陶瓷與金屬粘結(jié)劑結(jié)合。
本實用新型提供的熱應(yīng)力墊圈為簡單的環(huán)狀，它由耐高溫材料，如GH600,GH169等制成，其外徑等于或小于質(zhì)量塊3的外徑，中間內(nèi)孔直徑為φ3-φ5，以與預(yù)緊螺絲2的螺紋外徑相匹配為準(zhǔn)，內(nèi)孔與外徑之間的壁厚為0.5-2mm，厚度范圍為0.5-2mm，熱應(yīng)力墊圈上下兩端面的不平行度小于0.05mm，表面粗糙度在
以上，熱應(yīng)力圈9如圖4所示安放在預(yù)緊螺絲2和質(zhì)量塊3之間，環(huán)的不平行度和表面粗糙度要保證技術(shù)要求，以保證環(huán)的上下面接觸，以確保質(zhì)量塊3受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力得以及時釋放。
本實用新型采用的壓電陶瓷是鉍層狀壓電陶瓷，通過A位由Ca2+復(fù)合離子置換取代，復(fù)合取代離子為(Na+,Ce3+)，并形成一價M+離子空位，其組成為(Bi2O2)2+[CaxNa(1-x)/2-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2-，(式中0.5＜x＜1.0,y為納離子缺位，0.00＜y＜0.05)本實用新型將一般高溫加速計經(jīng)過上述三方面改進(jìn)，可以成為使用在420℃的高溫壓電加速計。由此可見，其優(yōu)點有(1)本實用新型提供的隔熱組合套管具有結(jié)構(gòu)簡單，易加工，成本低，只需一般陶瓷制作工藝成型、燒結(jié)，而使用后的效果十分明顯，它可使高溫傳感元件工作環(huán)境免受傳感器底座熱量影響而提高了測量精度。(2)由于高溫加速計增加了一個環(huán)形熱圈，看似簡單但解決了質(zhì)量塊熱應(yīng)力的釋放，提高了檢測精度度相應(yīng)擴(kuò)大了使用溫度范圍，所發(fā)具有結(jié)構(gòu)簡單、方便實用的優(yōu)點，(3)經(jīng)三方面改進(jìn)可使用溫度從單一改進(jìn)的400℃提高420℃到，從而擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。作為本實用新型的實施例1結(jié)構(gòu)如圖2所示(1)隔熱組合套管8放置在圖中所示的印影位置，壓電陶瓷元件4不直接與傳感器底座5和頂緊螺絲2接觸，墊片10和套管11均由90氧化鋁材料制成，墊片10的厚度為1mm，套筒壁厚為0.5mm，公差為自由公差，組合套筒下墊塊與傳感器底座5接觸，上墊塊與質(zhì)量塊3接觸，它們之間用一般市售陶瓷與金屬粘結(jié)劑結(jié)合，套筒11外表面與壓電陶瓷元件留有的孔隙為0.3mm，內(nèi)壁與頂緊螺絲2之間孔隙0.08mm。(2)熱應(yīng)力環(huán)狀墊圈，其內(nèi)孔為φ3(與預(yù)緊螺絲2的螺紋外徑相匹配)，厚度為1mm，內(nèi)孔與外徑之間的壁厚為2mm，兩端面的不平行度為0.03mm，安放在圖2所示的9位置，起到及時釋放質(zhì)量塊3因受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而保證高溫壓電加速度計的檢測精度。(3)取x=0.90 y=0.01時組成式為
Ca0.9Na0.040.01Ce0.05Bi4Ti4O15(1)其Tc達(dá)866℃,d33為20.0PC/N,Qm為5440的壓電陶瓷片取代一般陶瓷片。
權(quán)利要求1．一種經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計用由殼體(1)、預(yù)緊螺絲(2)、質(zhì)量塊(3)、壓電陶瓷無件(4)、傳感器底座(5)、輸出接插件(6)、以及引電片(7)構(gòu)成，其特征在于(1)隔熱組合套管(8)由上下兩墊片(10)和套管(11)組成，安放在傳感器底座(5)上面，上墊片與質(zhì)量塊(3)接觸，下墊片與傳感器底座(5)接觸，套管(8)內(nèi)孔中央允許頂緊螺絲(2)通過，外表面與壓電陶瓷元件(4)之間間隙為0.05-0.5mm；墊片(10)與質(zhì)量塊(3)和底座(5)之間用一般市售陶瓷與金屬粘結(jié)劑結(jié)合；(2)熱應(yīng)力墊圈(9)安放在預(yù)緊螺絲(2)與質(zhì)量塊(3)之間，熱應(yīng)力墊圈(9)為環(huán)狀物，環(huán)的一個端面與預(yù)緊螺絲的螺母面接觸，另一面與質(zhì)量塊(3)的面接觸；(3)壓電陶瓷元件為復(fù)合離子置換(Na+,Ce3+)取代，并形成一價離子空位，其組成為(Bi2O2)2+[CaxNa(1-x)/2-yyCe(1-x)/2Bi2Ti4O13]2-，(式中0.8＜x＜1.0,y為納離子缺位，0.00＜y＜0.05)。
2．按權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計，其特征在于所述的墊片(10)和套管(11)由各種組份(75瓷、85瓷、90瓷、95瓷、99瓷)氧化鋁、莫來石、氮化硅及粘土材料制成。
3．按權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計，其特征在于所述的墊片(10)直徑與壓電傳感元件直徑相當(dāng)，厚度為0.5～2mm，隨制作耐熱陶瓷的熱傳導(dǎo)率降低而減小。
4．按權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計，其特征在于所述的套管(11)的壁厚，亦隨使用的耐熱陶瓷的熱傳導(dǎo)率降低而減薄，壁厚的范圍為0.4～2mm。
5．按權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計，其特征在于所述的熱應(yīng)力墊圈(9)的厚度為0.5-2mm，其中間圓孔直徑為φ3-φ5mm，以與預(yù)緊螺絲(2)的螺紋外徑相匹配為準(zhǔn)，其外徑等于或小于質(zhì)量塊(3)的直徑。
6．按權(quán)利要求1、5所述的經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計，其特征在于所述的熱應(yīng)力墊圈(7)上下兩端面不平行度小于0.05mm，表面粗糙度要求為
7．按權(quán)利要求1、5所述的經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計，其特征在于熱應(yīng)力墊圈(7)由耐高溫合金材料，如GH600或GH169制成。
8．按權(quán)利要求1所述的經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計，其特征在于所述的壓電陶瓷元件形成Na+缺位時組成式為Ca0.9Na0.040.01Ce0.05Bi4Ti4O15.
專利摘要本實用新型涉及一種經(jīng)改進(jìn)的高溫(420℃)壓電加速度計,屬于高溫振動傳感器領(lǐng)域。它在一般高溫加速度計上增加了組合隔熱套管8和熱應(yīng)力墊圈9。前者的作用是使質(zhì)量塊3不直接與底座1和預(yù)緊螺絲2接觸;后者的作用是使質(zhì)量塊3產(chǎn)生的熱應(yīng)力及時釋放;壓電陶瓷元件4采用的是復(fù)合置換與含缺位的鉍層狀陶瓷組合物,經(jīng)這三方面的改進(jìn)可確保高溫加速計在420℃使用及測量的精度。
文檔編號G01P15/09GK2351764SQ99225348
公開日1999年12月1日 申請日期1999年1月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月8日
發(fā)明者胡子儉, 李承恩, 周家光, 李毅, 晏海學(xué), 王志超 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所