在航空發(fā)動機(jī)、高速飛行器、核反應(yīng)堆、大型輪船內(nèi)燃機(jī)等高溫工作的環(huán)境中(600℃以上,甚至高達(dá)1000℃),其核心部件的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測迫切需要耐高溫加速度計。而基于壓電材料的高溫加速度計具有高靈敏度、高穩(wěn)定性、高帶寬等優(yōu)勢,在高溫環(huán)境中也具有較好的穩(wěn)定性優(yōu)勢受到研究者的廣泛關(guān)注。目前國外商業(yè)化高溫壓電式加速度計可以在650℃長時間穩(wěn)定工作,在777℃短時間工作;國內(nèi)商業(yè)化的高溫壓電加速度計只能在482℃以下工作,顯然不能滿足上述高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。高溫壓電加速度計中的核心材料壓電材料在高溫下不穩(wěn)定是限制其向更高工作溫度上發(fā)展的重要因素。比如說,傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料會喪失壓電性能因超過其居里溫度(典型的溫度如PZT為100～200℃);石英(α-Si02)在573℃時發(fā)生α-β相變;鈮酸鋰(LN)從300℃開始發(fā)生化學(xué)分解。近年來有文獻(xiàn)報道硅酸鎵鉭鈣(CTGS)和稀土硼酸鹽(YCOB)兩種壓電晶體材料在高溫下具有高電阻率、高化學(xué)穩(wěn)定性和良好的壓電性能,有望應(yīng)用于高溫加速度計。目前基于上述兩種材料的加速度計處于初步探索階段,限制其應(yīng)用的主要原因是傳感器靈敏度偏小,溫漂過大。針對上述問題,本文提出采用切向優(yōu)化的方式提高靈敏度和不同溫度系數(shù)壓電晶體疊加降低溫漂的方法,探索基于高溫壓電晶體(CTGS和YCOB)的壓縮式壓電加速度計在高溫上應(yīng)用。本文開展的主要研究工作如下:1、通過理論分析加速計的等效模型(質(zhì)量塊-彈簧振動的一維數(shù)學(xué)模型),推導(dǎo)出壓縮式壓電加速度計的靈敏度與壓電材料的壓電應(yīng)變常數(shù)(dii)成正比;通過切型優(yōu)化的方式提高dii從而提高靈敏度;同時依托于YCOB和GdCOB(與YCOB都屬于ReCOB系列的晶體材料)其dii具有相反的溫度特性,提出采用的多層壓電材料疊加的方式來降低靈敏度溫漂。2、為了對基于CTGS和YCOB晶體的高溫壓電加速度計進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,實測了兩種壓電晶體材料參數(shù)隨溫度的變化趨勢。測量了 450～800℃溫度區(qū)間CTGS和YCOB的電阻率隨溫度變化的趨勢從電阻率的角度初步探索分析兩種材料高溫應(yīng)用的可能性,結(jié)果表明,在高溫下YCOB的電阻率優(yōu)于CTGS的電阻率且變化率相比于CTGS較小,僅從電阻率的角度說明YCOB比CTGS更適合于高溫應(yīng)用。采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)法(阻抗法)測量了 20～800℃溫度區(qū)間內(nèi)全套的CTGS和YCOB壓電應(yīng)變常數(shù),利用旋轉(zhuǎn)矩陣公式從理論上計算壓電晶體材料繞單軸旋轉(zhuǎn)所獲得的切型的壓電常數(shù),找出具有最大壓電應(yīng)變常數(shù)的切型即理論上認(rèn)為該切型制備的壓縮式加速度計具有最高靈敏度。計算結(jié)果表明CTGS晶體的X片切型具有最大壓電應(yīng)變常數(shù)(d11),YCOB晶體的YZl/45°切型具有最大的壓電應(yīng)變常數(shù)(d22_YZl/45°)。3、從實驗上驗證通過切型優(yōu)化的方式可以提高靈敏度和不同溫度系數(shù)的壓電材料疊加的方式可以降低溫漂,首先制備了高溫壓電加速度計,接著測試了加速度計20～800℃的靈敏度。對于CTGS所制備的加速度計來說高于500℃以后因器件的電阻急劇降低而失效;對于YCOB采用兩種不同切型(YZl/15°和YZl/45°)的樣片分別制備壓縮式加速度計,測試結(jié)果表明采用YZl/15。制備的加速度計靈敏度低于YZl/45°切向所制備的加速度計,證明采用切型優(yōu)化的方式來提高加速度計的靈敏度是可行的;采用具有負(fù)溫度系數(shù)的壓電晶體GdCOB,與正溫度系數(shù)的壓電材料YCOB疊加補(bǔ)償?shù)姆椒▉斫档推骷撵`敏度溫漂,實驗結(jié)果表明僅僅用YCOB壓電加速度計溫漂到達(dá)34.17%,而用GdCOB所制備的加速度計溫漂-65%,當(dāng)YCOB與GdCOB疊加數(shù)量比例為2:1時,溫漂最小12%,說明利用不同溫度系數(shù)材料疊加的方式是可以降低溫漂的。
【學(xué)位單位】：廈門大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH824.4
【部分圖文】：

圖１－１髙溫加速度計的應(yīng)用??不斷發(fā)展與進(jìn)步，在航空航天領(lǐng)域上，發(fā)動機(jī)不斷的展；在國防軍事領(lǐng)域，導(dǎo)彈和高速飛行器不斷向更高電工業(yè)領(lǐng)域上，隨著對能源的日益需求，核電站將從對加速度計的工作溫度范圍提出了更高的要求。根據(jù)振動加速度計最高工作溫度在５５０°Ｃ［Ｉ５ｌａ還屬于實驗化產(chǎn)品，商業(yè)化的產(chǎn)品最高工作溫度為４８２°Ｃ，國外７７７°Ｃ?（短時間工作）并且對我國實行禁運(yùn)，顯溫度不能滿足航空發(fā)動機(jī)、高速飛行器、核反應(yīng)堆等

產(chǎn)生形變時該材料的電阻率會發(fā)生變化，電阻率與應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)??成正比的關(guān)系１２（），２３］。懸臂梁式的結(jié)構(gòu)是常見的電阻式加速度計結(jié)構(gòu)之一，其基本??結(jié)構(gòu)原理如圖１－２所示，在梁的正中心有一質(zhì)量塊，靠近梁的根部貼裝了應(yīng)變片??（壓阻材料），當(dāng)外界加速度作用在該加速度計上時，通過質(zhì)量塊施加力到梁上，??致使梁形變帶動應(yīng)變片發(fā)生形變，進(jìn)一步應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，通過檢測電阻??的大小來獲取加速度大�。郏玻常荨鹤枋郊铀俣扔嬘休^高的靈敏度和較好的抗電磁??干擾性，但是由于其電阻敏感材料的電阻受到溫度影響較大致使其在高溫下不精??確，因此采用電阻式原理的加速度計不適合高溫環(huán)境的應(yīng)用［２１，２４＿２６］。??ｎ＾ｎ??１???：泫??§?質(zhì)量塊?：??Ｉ??＿??■?????＼??Ｉ???電極??Ｉ???—?????Ｉ??圖１－３電容式加速度計的結(jié)構(gòu)??電容式加速度傳感器是利用載荷改變電容大小來測量加速度大小的原理，在??外界慣性力的作用下通過改變電容兩個極板之間的距離、重合面積或中間絕緣介??質(zhì)材料與極板重合的面積大小來改變電容如圖ｉ＿３所示，是電容式加速度??３??

Ｉ?梁?丨??ｉｌｌ??ｒ?Ｈ??圖１－２壓阻式懸臂梁結(jié)構(gòu)的加速度計結(jié)構(gòu)??電阻式加速度傳感器是利用外部載荷改變了材料的電阻的原理，當(dāng)對壓阻材??料施加力，產(chǎn)生形變時該材料的電阻率會發(fā)生變化，電阻率與應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)??成正比的關(guān)系１２（），２３］。懸臂梁式的結(jié)構(gòu)是常見的電阻式加速度計結(jié)構(gòu)之一，其基本??結(jié)構(gòu)原理如圖１－２所示，在梁的正中心有一質(zhì)量塊，靠近梁的根部貼裝了應(yīng)變片??（壓阻材料），當(dāng)外界加速度作用在該加速度計上時，通過質(zhì)量塊施加力到梁上，??致使梁形變帶動應(yīng)變片發(fā)生形變，進(jìn)一步應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，通過檢測電阻??的大小來獲取加速度大小［２３］。壓阻式加速度計有較高的靈敏度和較好的抗電磁??干擾性，但是由于其電阻敏感材料的電阻受到溫度影響較大致使其在高溫下不精??確
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 龍黎曉;邱曉寄;;光纖加速傳感器在地震監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J];河南科技;2014年11期

2 吳大方;趙壽根;潘兵;王岳武;王杰;牟朦;朱林;;高速飛行器中空翼結(jié)構(gòu)高溫?zé)嵴駝犹匦栽囼炑芯縖J];力學(xué)學(xué)報;2013年04期

3 鄧維禮;秦嵐;劉俊;許斌;;基于Multisim的準(zhǔn)靜態(tài)電荷放大器仿真分析[J];國外電子測量技術(shù);2009年04期

4 張進(jìn)秋;高永強(qiáng);賈進(jìn)鋒;張建;;PVDF壓電加速度傳感器電荷靈敏度影響因素分析[J];傳感器世界;2008年10期

5 陶佰睿;毛利萍;李剛;;變溫環(huán)境下壓電加速度傳感器輸出靈敏度校正[J];齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2007年02期

6 尹鑫,王繼揚(yáng),魏景謙,劉耀崗;GdCa_4O(BO_3)_3晶體電彈常數(shù)的測量[J];壓電與聲光;2000年02期

7 桂世功;;壓電加速度計與壓電材料[J];測控技術(shù);1986年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前7條

1 侯帥;幾種高溫壓電晶體的生長、表征和性能優(yōu)化研究[D];山東大學(xué);2017年

2 申傳英;幾種高溫壓電晶體的生長及其性能研究[D];山東大學(xué);2015年

3 唐旭暉;壓電加速度計有限元模型及其應(yīng)用研究[D];燕山大學(xué);2012年

4 于法鵬;高溫壓電晶體的生長、性能表征和應(yīng)用研究[D];山東大學(xué);2011年

5 郭明金;惡劣飛行環(huán)境中光纖光柵傳感方法和技術(shù)研究[D];武漢理工大學(xué);2007年

6 石緒忠;CNGS和CTGS晶體的生長及性能研究[D];山東大學(xué);2007年

7 張桂菊;應(yīng)用于高溫高壓測量的非本征型光纖法布里-珀羅傳感器系統(tǒng)研究[D];大連理工大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前9條

1 任俊宇;Re:CNGS(Re=Nd,Er,Tm)晶體的生長以及結(jié)構(gòu)性能的研究[D];山東大學(xué);2017年

2 李吉;高溫壓電傳感器性能仿真有限元分析[D];西南交通大學(xué);2016年

3 廖波勇;石英振梁加速度計性能標(biāo)定及誤差補(bǔ)償技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

4 王賀偉;CTGS壓電單晶的坩堝下降法生長及振動傳感應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D];山東大學(xué);2016年

5 張義川;LTCC微機(jī)械差分電容式加速度計關(guān)鍵技術(shù)研究[D];北京信息科技大學(xué);2015年

6 王樹蘭;某航空發(fā)動機(jī)振動故障診斷[D];湖南大學(xué);2011年

7 劉鵬飛;LC諧振式耐高溫加速度傳感器的設(shè)計[D];中北大學(xué);2011年

8 王琢;光纖加速度傳感器技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

9 張永峰;飛行試驗中航空發(fā)動機(jī)振動監(jiān)測[D];西北工業(yè)大學(xué);2003年

本文編號：2838491