高温压电式加速度传感器的温度响应测试评价

杜晓辉, 刘 帅, 朱敏杰, 卢铁林, 张祖伟, 袁宇鹏

1. 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所, 北京 100055；2. 中电科技集团重庆声光电有限公司，重庆 401332)

0 引言

振动检测是航空航天和发电等领域重大装备健康监测的重要手段[1-3]，而涡轮发动机、汽轮机、核电主泵等部位的原位振动检测需要能够耐受250～500 ℃的高温加速度传感器[4]。目前，国外商品化的加速度传感器的最高工作温度已突破780 ℃，国内已开发出工作温度可达482 ℃的商品化压电加速度传感器产品[5]，但是国内市场基本仍被Brüel&Kjr、Endevco、PCB和Kistler等国外公司垄断。

造成上述技术和市场差距的主要原因是国产高温加速度传感器的温度响应相关研究相对滞后。高温加速度传感器开发的技术难点集中在高温对压电元件稳定性、传感器应变、接插件和线缆可靠性等方面的系统影响，这些方面的研究均需要在高温振动环境中开展。在传感器设计阶段，高温振动环境主要以虚拟设置为主；陈艳香等利用ANSYS有限元工具证明了SiC加速度传感器在高温环境下的可用性[6]；李建义等仿真研究了压阻式加速度计的高温失效机理并开展了实验验证[7]。在传感器测试评价阶段，高温振动环境主要以真实构建测试系统为主。孔令枫等利用管式炉和激振台等设备建立了高温振动测试系统，用于获得自研CTGS和YCOB高温压电加速度计的灵敏度温漂特性[8]；谭祥虎等利用加速度计校准工作站配合恒温箱测试加速度传感器在25～530 ℃的灵敏度温漂特性[9]；石维等利用激振系统和温度控制仪研究了BGSPT压电加速度传感器的灵敏度与温度依赖关系[10]；Ji Li等利用微型跌落系统和电加热炉研究了压电加速度传感器在不同温度下的输出响应[11]。总体来看，目前国产高温加速度传感器仍处在技术跟跑阶段，配套搭建的高温振动系统主要用于获取自研传感器的灵敏度温漂特性，但是，传感器的技术评价需要量化自研传感器与国外同类先进产品的温度响应性能差异，传感器的推广应用也需要更多的高温稳定性数据作支撑。

针对现有国产高温加速度传感器需要量化与同类进口产品的温度响应差距的开发需求，本文提出一种同步高温振动对比测试的方法，并搭建了基于管式炉和激振台等设备的高温振动综合测试系统，研究了国产高温加速度传感器的灵敏度温漂和高温稳定性等温度响应测试评价技术。该方法的优势在于能够量化测试对比国产传感器和同类进口传感器，并将对比数据反馈给国产厂家，辅助传感器性能优化；另一方面能够为潜在用户提供来自第三方的传感器典型功能和性能测试数据，达到真实反应国产传感器性能的目的。本文以某型号国产高温压电加速度传感器为例，开展测试方法研究、测试系统设计及测试结果讨论。

1 测试方法

比较法是标准规定的压电加速度计测试校准方法之一[12-13]，但在相关文献的测试系统中，作为参考的标准传感器均工作在室温环境下，被测传感器和标准传感器无法实现背靠背安装，自研传感器的温度响应特性评价无对照组可以参照。因此，本文在传统比较法测试基础上，创新地提出了同步高温振动对比测试方法。对被测传感器和标准传感器同时施加高温条件，同步测试两种传感器的功能指标，以及功能指标与实时温度的关系。经过数据量化比对，形成自研传感器与标准传感器的温度响应对比测试评价，进一步找出国产高温加速度传感器与同类进口产品的温度响应差距，指导反馈优化传感器设计和工艺等。根据JB/T 6822—2018 压电式加速度传感器，加速度传感器的温度响应主要考核温度变化引入的灵敏度误差，即灵敏度的温度漂移；而传感器高温稳定性主要考核传感器在极限高温环境下的灵敏度稳定度。

加速度传感器正常工作需要与电荷放大器组成传感器系统。传感器输出电荷(或电压)与所承受的加速度值之比即为传感器灵敏度，传感器系统的灵敏度是传感器灵敏度与电荷放大器的电荷转换系数的乘积。传感器系统灵敏度稳定度ω为

ω=(S2-S1)/S1×100%

(1)

式中S1，S2分别为前一次、后一次的灵敏度。

在测试系统中，国产高温压电加速度传感器作为实验组，同类进口传感器作为对照组，两组传感器背靠背刚性连接在激振台上，同步开展温变响应试验和高温稳定性试验。依据压电式加速度传感器技术标准，选定200 Hz以下的某一频率和10g(g=9.8 m/s2)以下的某一加速度值，采用正弦振动激励开展对比测试。

2 测试系统

为了实施上述对比测试，本文搭建了压电加速度传感器高温性能测试系统，包含环境应力发生装备、传感器和信号测试仪器3部分。与传统加速度传感器功能测试系统相比，本系统的环境应力发生装备不仅包括激振力发生装备，还包括高温应力发生装备，以实现温度和机械振动应力的精确实时复合加载。由于现有传感器的供电方式不同，部分传感器系统需要配套直流供电设备，以保证电荷放大器正常工作，因此，本系统配置了IEPE、PE和直流电源3种供电模式，满足多型号传感器同时测试需求。多传感器同时测试时，需要通用多路压电加速度传感器系统信号检测仪器。测试系统的原理图如图1所示，实物图如图2所示。

图1 加速度传感器高温测试系统原理图

图2 加速度传感器高温测试系统实物图

本文选用Kistler公司8207A型和PCB公司的357B69型高温压电加速度传感器作为对照组，3只某型号国产高温传感器作为实验组。传感器通过高温线缆与各自公司配套的在线电荷放大器连接，电荷放大器再连接至多通道压电传感器动态数据采集仪，Kistler公司的电荷放大器需要直流24 V供电。传感器系统实物如图3所示，传感器系统特性数据如表1所示，传感器系统的灵敏度由出厂校准证书查得。Kistler、PCB和N1传感器用于温变响应测试评价，Kistler、N1、N2和N3传感器用于高温稳定性测试评价；同时配置了K型热电偶，实时采集传感器工作原位的温度数据；其最高工作温度均为482 ℃。

图3 高温对比试验的传感器系统实物图

表1 待测试传感器系统特性数据统计

序号传感器系统品牌,型号规格和产地系统灵敏度/(mV·g-1)供电和信号采集模式1Kistler,8207A,瑞士94.6624 V/PE

续表

序号传感器系统品牌,型号规格和产地系统灵敏度/(mV·g-1)供电和信号采集模式2PCB,357B69,美国3.18IEPE3N1,CAYD341V,中国33.30IEPE4N2,CAYD341V,中国32.03IEPE5N3,CAYD341V,中国32.08IEPE

3 测试结果及讨论

3.1 温变响应试验

正弦振动频率设为标准推荐的160 Hz，系统采集了传感器工作环境的实时温度，以及对照组和实验组传感器测得的加速度示值，采样频率为1 kHz，采集时间为9 800 s。实验组(N1)传感器测得的最大加速度约为3.65g，对照组(Kistler & PCB)测得的最大加速度分别约为3.00g和2.50g，如图4所示。国产传感器在3 000 s以前出现无规律的输出突变，可能是传感器集中型工艺残余应力在高温膨胀下突然释放导致。

图4 传感器输出随时间变化的统计曲线

选取时间点分别为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温度值，评价传感器温变响应情况。将上述7个时间点的最大加速度示值和温度随时间变化曲线合并统计，如图5(a)所示。由图可见，升温速率在6 300 s左右开始降低，温度在7 000 s左右基本稳定，实测最高温度为(402±2) ℃；根据式(1)可得传感器在前4个时间点上相对室温的灵敏度稳定度，绘制传感器灵敏度稳定度与对应温度值的关系曲线，如图5(b)所示。统计结果表明，在23～400 ℃升温阶段内，压电式加速度传感器的灵敏度均随着温度升高而增大，说明400 ℃还未达到试验传感器所用压电材料的居里温度点，且Kistler和PCB传感器的灵敏度稳定度在200 ℃后基本稳定，而N1传感器的灵敏度稳定度在300 ℃后才稳定。在高温稳定阶段内，传感器灵敏度稳定度均有一定程度的波动。在升温阶段内，相对23 ℃时的传感器最大加速度示值，N1、Kistler和PCB传感器的灵敏度稳定度最大变化量分别为6.17%、2.44%和4.63%。因此，在温升对灵敏度影响方面，Kistler传感器温度漂移最小，灵敏度稳定度实现稳定的温度最低；PCB传感器次之，国产传感器的温度漂移约为Kistler传感器的2.53倍，灵敏度稳定度实现稳定的温度最高。造成该差异的主要原因是温度对国产传感器压电元件的压电系数影响更大，国产传感器可从该方面入手优化传感器温变特性。

图5 传感器温变响应试验结果

3.2 高温稳定性试验

高温稳定性试验的对照组是Kistler传感器，国产N1、N2和N3传感器作为实验组，考察实验组传感器在10周内的输出稳定性。信号发生器输出频率160 Hz、峰-峰值1 V的正弦信号，调整功率放大器增益，使对照组传感器输出加速度示值稳定在2g左右，并在后续测试中保持不变。为了探究传感器在极限温度环境下的输出稳定性，按照可靠性强化试验的设置，将高温稳定试验的温度设为487 ℃(最高工作温度为+5 ℃)。温度稳定10 min、传感器上电5 min后开始测试，测试时长为10 min，测试周期为每周1次。4只传感器的第一次测试输出曲线如图6所示，与进口传感器相比，3只国产传感器的极限高温输出均存在随机的示值突变，原因可能是国产传感器压电材料的居里温度点在试验温度附近，导致传感器的温度漂移随机波动较大，因此，国产传感器可从提高压电材料居里温度点方面优化高温输出波动问题。

图6 传感器高温稳定性试验结果

将10次测试的温度值和最大加速度示值峰值分别计算平均值，合并统计如图7所示。Kistler、N1、N2和N3传感器各自输出的最大值与最小值之差分别为0.11g、0.25g、0.20g、0.18g，说明Kistler传感器的高温灵敏度稳定度最好，国产传感器的高温灵敏度稳定度是Kistler传感器的2倍左右，且3只国产传感器之间的灵敏度和灵敏度稳定度差异较明显。因此，国产传感器不仅要从材料方面优化高温稳定性，还要从控制工艺一致性方面进行批生产的质量控制。

图7 高温稳定性测试的加速度示值峰值和温度均值统计

4 结束语

本文建立了高温加速度传感器的同步高温振动对比测试方法，搭建了专用测试系统，对比开展了某型号国产高温压电加速度传感器与同类进口传感器的温变响应试验和高温稳定性试验。试验结果表明，在23～400 ℃升温段内，压电式加速度传感器的灵敏度随着温度升高均呈现增大的基本趋势，国产压电加速度传感器的最大灵敏度温度漂移量为6.17%，约为Kistler传感器的2.53倍；在高温稳定性方面，国产压电加速度传感器的高温灵敏度稳定度均值约为Kistler传感器的2倍。因此，国产传感器需从温度响应相关的材料热稳定性、系统噪声抑制和工艺一致性等方面开展性能优化。