專利名稱：一種經(jīng)改進的在200℃使用的剪切型絕緣壓電加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種經(jīng)改進的在200℃高溫下使用的底部絕緣的剪切型壓電加速度計，屬于振動傳感器領(lǐng)域。
壓電加速度計是高輸出阻抗器件，從連接電纜中誘發(fā)出的噪聲訊號有時會給檢測造成很大的麻煩。這些干擾來自與大地構(gòu)成的回路、摩擦電的干擾和電磁干擾。摩擦電干擾是由于電纜的機械運動而進入加速度計。它來源于電纜中各層之間的動態(tài)歪曲、壓縮及拉伸而引起局部電容和電荷的變化。防止的方法是采用石墨化的加速度計電纜并在盡可能靠近加速度計的地方用膠布或粘結(jié)劑固定起來。電磁干擾常在加速度計的電纜靠近運轉(zhuǎn)機器時產(chǎn)生。這可用雙層屏蔽線或可采用平衡式加速度計及差動式前置放大器的辦法加以解決。而最令現(xiàn)場使用者煩惱的是接地回路問題。由于加速度計和測量儀表是分別接地的，接地回路有時會在加速度計電纜的絕緣層(表面)流動。還有，在檢測電機時，如果遇到電機本身的接地不好，或因接地回路的影響，可能使被測的交變信號產(chǎn)生不穩(wěn)定而影響測試精度。另外，在對民用的移動電機，在對諸如飛機、艦船等運動物體的振動檢測中，因無非接地而必須要用“浮地”測試方法，或者是在不能做到隨時可靠接地的場合等等。諸如此類，都?xì)w結(jié)到對檢測的一次儀表——加速度計的底部絕緣問題。過去人們對底部要求絕緣的測試，采用的是或用絕緣螺栓和在加速度計的底部墊云母片的辦法，來防止形成接地回路，但這種方法很不方便。原因是用諸如膠木類的絕緣螺栓耐磨性差；而在加速度計的底部墊云母片的辦法，云母片極易碎。為了安全、可靠、快捷的安裝，以及增加加速度計的抗干擾能力，這就引出了本發(fā)明提出的底部絕緣型壓電加速度計的設(shè)想。由于剪切型壓電加速度計的橫向靈敏度、環(huán)境靈敏度都明顯較傳統(tǒng)的中心壓縮式優(yōu)良，所以在不少現(xiàn)場的測試環(huán)境下，用剪切型底部絕緣型的壓電加速度計測得的數(shù)據(jù)要比用一般的壓電加速度計測得的結(jié)果，更可靠、準(zhǔn)確，有效地提高了測試精度。在一些高溫環(huán)境下，就需要能有底部絕緣的剪切型壓電加速度計供使用。


圖1為一般剪切型壓電加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1—底座；2—殼體；3—壓電陶瓷片；4—質(zhì)量塊；5—預(yù)緊筒；6—襯套；7—插孔。從圖可見，剪切型壓電加速度計的底部是和被測物體的表面直接并緊密連貼的，即與大地構(gòu)成了回路。而被檢系統(tǒng)產(chǎn)生的回路信號，有可能對測試結(jié)果，對檢測儀器及測試人員帶來不良后果，且設(shè)有的剪切型壓電加速度計只能在室溫下使用。
本發(fā)明的目的是通過組合改進的方式實施的。對一般剪切型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)將質(zhì)量塊的材料由原來的不銹鋼類改為高比重(鎢銅)合金；3)信號輸出件中的絕緣材料是玻璃體；4)設(shè)計新的絕緣體安放在壓電加速度計底座與被測物體之間絕緣?，F(xiàn)就四方面的改進逐一詳細(xì)闡述。
第一.偏鈮酸鉛壓電陶瓷的低機械品質(zhì)因素(Qm＜10)、單一的振動模式(Kt＞Kr)和較高的居里溫度(Tc＝579℃)，使其在工業(yè)檢測、醫(yī)療診斷與高溫傳感器方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景。然而純偏鈮酸鉛PbNb2O6，其鐵電相位于高溫區(qū)(～123℃)，需用淬冷的技術(shù)把它凍結(jié)至常溫或低溫區(qū)進行使用，這就導(dǎo)致純偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料與元件的制備工藝變得十分復(fù)雜、困難，因而大大限制了這類陶瓷材料的生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用。為了制得可供實際應(yīng)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，最常用的是采用K+、Ba2+離子置換和添加ZrO2、TiO2和Nb2O5等辦法來實現(xiàn)。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，居里溫度降低，這就使純偏鈮酸鉛材料的優(yōu)良性能大大下降，而且不宜在高溫下使用。
本發(fā)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+的置換所制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(yōu)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(yīng)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-xMexNb2O6十ywt％。式中，Me為Ca2+或Ba2+，0.01＜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，采用陶瓷的一般工藝，即進行配料、球磨混合、干燥、壓塊(壓力為10MPa)、合成800℃/2小時)、細(xì)磨(球磨)、烘干、加粘造粒，成型(成型壓力為150～200MPa)、排塑(800℃/小時)，燒結(jié)(1260～1300℃/20’～30’)，燒結(jié)的瓷坯經(jīng)冷加工、清洗、上電極、極化(極化溫度180℃，極化電壓5KV/mm)，最后進行性能測試，即制備成可以使用的高溫壓電陶瓷元件。
這種改性偏鈮酸鉛的特性為1.改善了材料的工藝性能，陶瓷元件在燒結(jié)后無需淬火，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值，介於0.38～0.45之間；3.提高了材料的居里溫度，TC＝530～570℃；4.降低Qm至10以下；5.可以方便地制備各種形狀(圓片、長方片、半球。空心球、圓環(huán)、圓管和圓柱等)的元件，其尺寸可以達(dá)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(fā)明中用的壓電敏感元件為長方形狀，其尺寸為寬6mm，長8mm，厚1mm。
第二.眾所周知，壓電加速度計的輸出靈敏度S≈md33(質(zhì)量×壓電系數(shù))。由于改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷的壓電系數(shù)d33＝80，僅為一般發(fā)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，TC雖然提高不少，使用溫度相應(yīng)提高到了200℃以上，但壓電加速度計的輸出靈敏度降低。而高比重(鎢銅)合金的比重達(dá)17左右，是不銹鋼類材料的兩倍，為提高壓電加速度計的輸出靈敏度，本發(fā)明中提出用高比重(鎢銅)合金代替不銹鋼作為質(zhì)量塊的材料。鎢銅合金由上海市有色金屬研究所生產(chǎn)。
第三.在一般常溫壓電加速度計中，信號輸出件的外殼和它的內(nèi)芯之間有一個用氟塑料類材料制成的絕緣子，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(fā)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。
第四.設(shè)計了絕緣體，如圖2所示安放在壓電加速度計的底部中間。本發(fā)明設(shè)計的絕緣體如圖2中8，其高度應(yīng)小于加速度計的六角底座的高度，其外圓A應(yīng)該小于加速度計底座六角的對稱面，它的高度在1～2mm之間。絕緣體的內(nèi)腔形狀或是內(nèi)六角、四方或梅花形中的任何一種。用於安裝加速度計的螺紋鑲嵌件的外形應(yīng)與絕緣體內(nèi)腔形狀相對應(yīng)。鑲嵌件的安裝螺孔內(nèi)徑為M3～M8mm。
這種用于安裝加速度計的螺紋鑲嵌件可以事先和絕緣體壓制成一體，也可以靠螺紋加膠粘劑把其固定在絕緣體內(nèi)。由于用于固定加速度計的安裝螺孔也與加速度計本體完全絕緣，這就有效地防止了來自大地構(gòu)成回路的干擾，從而提高了檢測精度和可靠性。
圖3所示的底座內(nèi)絕緣體是選用了可在200～250℃高溫下長時間使用的聚酰亞胺材料。這種材料的自身阻抗很高且耐磨性好。絕緣體和加速度計底座之間的結(jié)合靠螺紋和環(huán)氧膠雙重連接。由此可見，本實用新型提供的剪切型絕緣壓電加速度計除了具有通常加速度計的特性外，其顯著特征點是絕緣阻抗高，采用的鋼制螺孔，耐磨性好，且能在200℃高溫下安全使用。
圖2為本發(fā)明提出的一種經(jīng)改進的可在200℃高溫下使用的剪切型絕緣壓電加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實用新型設(shè)計的一種內(nèi)六角絕緣體的剖面示意圖。
圖中1—底座；2—殼體；3—壓電陶瓷片；4—質(zhì)量塊；5—預(yù)緊筒；6—襯套；7—插孔；8—絕緣體；9—安裝螺孔；10—螺紋鑲嵌件；11—高溫壓電陶瓷片。
從圖1可見，剪切型壓電加速度計的底部是和被測物體的表面直接并緊密連貼的，即與大地構(gòu)成了回路。而被檢系統(tǒng)產(chǎn)生的回路信號，有可能對測試結(jié)果，對檢測儀器及測試人員帶來不良后果。
圖3所示的絕緣體是選用了可在200～250℃高溫下長時間使用的聚酰亞胺材料。這種材料的自身阻抗很高且耐磨性好。由于用于固定加速度計的安裝螺紋也與加速度計本體完全絕緣，這就有效地防止了來自大地構(gòu)成回路的干擾，從而提高了檢測精度和可靠性。
具體實施例方式
通過下面通過實施例進一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著進步，但本發(fā)明決非僅限於實施例。
實施例1壓電陶瓷片組成為Pb0.95Ca0.05Nd2O6，以CeO2為添加劑，加入量為0.10wt，經(jīng)一般陶瓷工藝制成高溫壓電陶瓷元件，其Tc＝540℃，Kt＝0.40，Qm＜10，加工成尺寸為寬6mm，長8mm，厚1mm的長方形狀，用比重達(dá)17左右的鎢銅合金作為質(zhì)量塊，絕緣體的內(nèi)腔為內(nèi)六角形(如圖3所示)，高度為1mm的內(nèi)，它是由可在200～250℃高溫下長時間使用的聚酰亞胺材料制成。絕緣體和加速度計之間采用螺紋和環(huán)氧樹脂雙重連接。用于安裝加速度計的螺紋鑲嵌件預(yù)先和絕緣體壓制成一體，鑲嵌件內(nèi)的安裝螺孔尺寸為4mm，它位於底座的中心位置，且與底座絕緣。經(jīng)過這四方面的改進，使制造出來的剪切型絕緣壓電加速度計可在200℃高溫下使用。
實施例2壓電陶瓷片組成為Pb0.93Ba0.07Nd2O6，添加劑為Sm2O3，加入量y＝0.15wt％，Tc＝545℃，Kt＝0.42，絕緣體的內(nèi)腔為四方形，高度為1.5mm，其螺紋鑲嵌件的外形也為四方形，是由聚酰亞胺材料制成，靠螺紋加膠粘劑固定在絕緣體內(nèi)。其余同實施例1.
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)改進的可在200℃高溫下使用的剪切型底部絕緣壓電加速度計，包括底座、質(zhì)量塊、壓電陶瓷元件、預(yù)緊筒、絕緣體、安裝螺孔，其特征在於(1)選用通式為Pb1-xMexNb2O6十ywt％改性偏鈮酸鉛高溫敏感陶瓷材料作為高溫壓電敏感元件，式中Me為Ca2+或Ba2+，0.01＜x＜0.10，y＝0.05～0.30，wt％，y為CeO2、Sm2O3、Nd2O3或TeO2中的一種；(2)采用鎢銅合金作為質(zhì)量塊；(3)在壓電加速度計底座的中間設(shè)置一個絕緣體，絕緣體采用螺紋和環(huán)氧樹脂雙重連接方法，使其和加速度計固定；安裝加速度計的螺紋鑲嵌件在絕緣體內(nèi)，鑲嵌件內(nèi)的安裝螺孔位於加速度計的中間，與加速度計底座完全絕緣；(4)信號輸出件的外殼和內(nèi)芯之間的絕緣子由玻璃體制成。
2.按權(quán)利要求1所述的可在200℃高溫下使用的剪切型底部絕緣壓電加速度計，其特征在於所述的絕緣體的內(nèi)腔形狀或是內(nèi)六角、或是四方或梅花形中的任何一種；用於安裝加速度計的螺紋鑲嵌件的外形應(yīng)與絕緣體內(nèi)腔形狀相對應(yīng)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的可在200℃高溫下使用的剪切型底部絕緣壓電加速度計，其特征在於所述的螺紋鑲嵌件或與絕緣體壓制成一體，或靠螺紋加膠粘劑把其固定在絕緣體內(nèi)；鑲嵌件上的安裝螺孔內(nèi)徑為M3～M8mm。
4.按權(quán)利要求書1所述的可在200℃高溫下使用的剪切型底部絕緣壓電加速度計，其特征在於絕緣體選用了在200～250℃高溫下長時間使用的聚酰亞胺材料制成；高度在1～2mm之間，外圓應(yīng)該小于加速度計底座六角的對稱面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可在200℃高溫下使用的剪切型底部絕緣的壓電加速度計,屬于振動傳感器領(lǐng)域。特征在於壓電敏感元件為Ca
文檔編號G01P15/09GK1350182SQ0113237
公開日2002年5月22日 申請日期2001年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者胡子儉 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所