压缩式高温压电加速度传感器设计与性能研究

压电加速度传感器广泛应用于航空航天、军事武器、电力、船舶和其他系统的振动测试、故障诊断等环节中。这些领域的核心器件的最高工作温度超过1000℃,因此满足测量需求的高温压电加速度传感器显得尤其重要。

文献表明,目前国内的加速度传感器的最高工作温度可达550℃,处于实验室原型阶段,尚未实现商业化生产,而成熟的商业化产品的最高工作温度为480℃,与此同时国外商业化加速度传感器产品的最高工作温度可达780℃。由于需要在高温下使用加速度传感器的场合多涉及国防军工,传感器相关的技术资料多处于保密状态,国内无从得知,产品也实施禁运,因此更有必要进行自主研究。

本文主要从传感器的设计方法研究、数学建模、有限元分析和性能实验这四个方面展开。首先,分析传感器的结构,明确关键组成部件及其作用。

总结了现有的设计计算方法,归纳其中适合高温传感器的部分,加以改进成可用的设计计算方法,重点进行了预紧力和固有频率的设计计算。接着,建立并简化传感器的动力学模型,计算了六自由度系统模型和八自由度系统模型求解固有频率值的精度。

利用建立的六自由度系统模型研究了质量块厚度尺寸以及选材对传感器固有频率的影响,针对质量块的选型给出了优化设计的思路。进一步考虑了将接触刚度引入传感器的动力学模型,使该模型对于固有频率值的求解更加精确。

在考虑了接触刚度的前提下,收集或实验测试了传感器所用材料的高温模量参数,并分析了温度效应对传感器固有频率的影响。然后,建立传感器的物理三维模型,利用有限元分析软件,确定其合适的计算单元和网格划分方法,对其固有频率进行了定量计算,并对结果进行了验证。

在此基础之上,分析了传感器在一定激励下的响应情况。此外,模拟了传感器在高温下的传热行为,为传感器的隔热和散热工作提出建议。

最后,针对压电材料YCOB晶体,设计了实验测量了其高温下的弹性模量、电阻率和压电常数,一定程度上弥补了该晶体的高温性能参数空白。进行设计计算并根据计算结果制备出两种切型的传感器样品。

搭建了高温实验平台,进行高温下的灵敏度测试实验。结果表明,两种切型的传感器样品的平均灵敏度随着温度的升高而提高,用切型优化的方式来提高灵敏度是有效的。