可在200℃高温下使用的360°换向的压电加速度计 本发明涉及一种可在200℃高温下使用的360°换向压电加速度计，更确切地说涉及一种输出电缆可360°换向和可在200℃的高温下使用的中心压缩式高温压电加速度计，属于振动传感器领域。
任何物体都会有振动，振动量的大小可反映一个物体、一台设备的运行状况是否良好。对振动量的检测，几乎涉及到每个工程领域。要检测振动就离不开测振传感器，压电加速度计是其中应用最广、品种最多的传感器之一。
压电加速度计的选择得当以及性能如何，对拾取被检信号的准确性、可靠度至关重要。由于压电加速度计的本身会作为附加质量而有可能影响到被测物体的检测精度，因此，人们一般要求作为一次仪表的加速度计的质量是被测物体重量的1/5～1/10。较轻的重量和输出电缆可360°换向，是用户所需要的。压电加速度计的安装无方向性，尤其适合于对设备的在线检测和监控，比如在一些安装的现场要求输出的电缆有方向性，或者是在被检测部位的空间比较小，或者是希望装卸便捷，成了每个现场使用者共同所希望地，而现有的一般中心压缩式压电加速度计无法做到这一点。另外，在一些高温环境下，而且被测的空间又比较小，这时就需要体积较小，输出电缆可360°换向并可能在200℃的高温下正常工作的压电加速度计。
图1为一般中心压缩式压电加速度计的结构示意图。图中1-底座；2-壳体；3-压电敏感元件；4-质量块；5-预紧螺母；6-信号输出件；7-安装螺孔；8-引电片。从图可见，压电加速度计将通过其底部的安装螺孔7上的螺纹固定在被测物体上。由于在加工每个加速度计底部的安装螺纹时，因加工造成了几何尺寸有差异，故经常会发生侧向输出加速度计的输出方向与安装者所希望的输出方向不一致，这给安装者和测试者带来了很大的不便，并且在被测部位空间比较小的场合，这也会给安装方面带来一定的难度。
本发明的目的在於提供一种可在200℃高温下使用的，输出电缆可360°换向的压电加速度计，它具有装卸容易，体积小，重量轻，灵敏度高，测试便捷，适合于对设备的在线检测和监控，能在200℃的高温下正常工作，尤其是在一些安装的现场要求有方向性，或在被检测部位的空间比较小，温度又比较高，以及希望装卸便捷，对输出的电缆要求能随意的场合。
本发明的目的是通过组合发明方式实施的。首先对一般中心压缩式压电加速度计作了四方面改进，以保证压电加速度计能在200℃的高温下使用。1)选用了改性偏铌酸铅高温敏感陶瓷材料作为压电加速度计的压电敏感元件；2)信号输出件和引电片的连接是用导电胶；3)将质量块的材料由原来的不锈钢类改为高比重(钨铜)合金；4)信号输出件中的绝缘材料是玻璃体。其次，在结构上也进行了改进，以保证输出可360°换向。现就四方面的改进逐一详细阐述。
第一．偏铌酸铅压电陶瓷的低机械品质因素(Qm＜10)、单一的振动模式(Kt＞Kr)和较高的居里温度(Tc=579℃)，使其在工业检测、医疗诊断与高温传感器方面有着十分广阔的应用前景。然而纯偏铌酸铅PbNb2O6，其铁电相位于高温区(～123℃)，需用淬冷的技术把它冻结至常温或低温区进行使用，这就导致纯偏铌酸铅压电陶瓷材料与元件的制备工艺变得十分复杂、困难，因而大大限制了这类陶瓷材料的生产与广泛应用。为了制得可供实际应用的偏铌酸铅压电陶瓷材料与元件，人们进行了大量及掺杂改性研究，最常用的是采用K+、Ba2+离子置换和添加ZrO2、TiO2和Nb2O5等办法来实现。K+、Ba2+等离子的置换和各种氧化物的添加，虽然能较有效地改善材料的工艺性和提高材料的压电性能，但材料的各向异性变差、Qm增大，居里温度降低，这就使纯偏铌酸铅材料的优良性能大大下降，而且不宜在高温下使用。
本发明使用的改性偏铌酸铅高温陶瓷材料是一种含有效添加剂和少量Ca2+或Ba2+的置换所制得的改性偏铌酸铅压电陶瓷材料，以保持材料在具有纯偏铌酸铅优点的同时，改善材料的高温压电性能和工艺性能，从而使材料能在200℃的高温下应用。
具体地说，改性偏铌酸铅压电陶瓷材料的组成通式可表示为Pb1-xMexNb2O6+ywt％。式中，Me为Ca2+或Ba2+，置换0.00＜x＜0.10,y为稀土氧化物，如CeO2、Sm2O3、Nd2O3或TeO2中一种，y=0.05-0.30wt％。
按上述组份，采用陶瓷的一般工艺，即进行配料、球磨混合、干燥、压块(压力为10MPa)、合成800℃/2小时)、细磨(球磨)、烘干、加粘造粒，成型(成型压力为150-200 MPa)、排塑(800℃/小时)，烧结(1260-1300℃/20’-30’)，烧结的瓷坯经冷加工、清洗、上电极、极化(极化温度180℃，极化电压5KV/mm)，最后进行性能测试，即制备成可以使用的高温压电陶瓷元件。
这种改性偏铌酸铅的效果如下：
1．改善了材料的工艺性能，陶瓷元件在烧结后无需淬火，随炉自然冷却即可将高温铁电相保持到室温；
2．提高了材料的Kt(Kt=0.38-0.45)；
3．提高了材料的居里温度(Tc=530-570℃。)；
4．降低Qm至10以下；
5．可以方便地制备各种形状(圆片、长方片、半球。空心球、圆环、圆管和圆柱等)的元件，其尺寸可以达到直径5～200mm和厚度0.2～10mm或5×5～200×200mm厚度为0.2～10mm的长方形或正方形片。在本发明中用的压电敏感元件为圆环状，其尺寸为Φ10×Φ4×1mm。
第二．对一般常温压电加速度计来讲，信号输出件和压电陶瓷片的连接是靠一根从信号输出件中引出的导线用焊锡焊在引电片上的。由于焊锡的熔点不高于150℃，即在150℃左右或超过150℃，导线就要从引电片上脱落。在本发明系用耐温度高於200℃的市售高温导电胶代替焊锡，连接导线和引电片，可保证至少在200℃或超过200℃，信号输出件中引出的导线和引电片之间不脱落。高温导电胶的牌号为DAD-30，由上海市合成树脂研究所生产。
第三．压电加速度计的输出灵敏度S≈md33(质量×压电系数)。由于改性偏铌酸铅压电陶瓷的压电系数d33=80，仅为一般发射型压电陶瓷的1/4～1/6，因此用改性偏铌酸铅压电陶瓷作为敏感元件，会使压电加速度计的输出灵敏度降低。众所周知，高比重(钨铜)合金的比重达17左右，是不锈钢类材料的两倍，为提高压电加速度计的输出灵敏度，本发明中提出用高比重(钨铜)合金代替不锈钢作为质量块的材料。钨铜合金由上海市有色金属研究所生产。
第四．在一般常温压电加速度计中，信号输出件的外壳和它的内芯之间有一个用氟塑料类材料制成的绝缘体，以保证信号和地绝缘。而氟塑料在200℃～250℃左右就要老化即高温下绝缘程度下降，这将影响信号的检测。为此本发明中提出在信号输出件中的绝缘材料以玻璃体取代氟塑料，从而有效提高信号输出件的绝缘阻抗，以保证信号检测的精度。
经过上述四方面的改进，使中心压缩式压电加速度计能在200℃高温下使用，但还不能实现输出可360°换向，欲实现这360°换向，在结构上又作了较大改进，从而真正达到本发明的两个目的。
结构上的改进是：先将安装固定螺钉穿过中心压缩式压电加速度计的中心通孔11，然后把该加速度计的信号输出件即输出电缆的位置可调整到测试者所需要的方向，最后拧紧固定螺杆，将该加速度计完全安装在被测物体上。通常安装螺孔的内径为3～6mm，安装螺钉的外径为M3～M6，可视被测物体所在位置的安装螺孔而定。
图2为本发明提供的输出可360°换向的中心压缩式高温压电加速度计的结构示意图。图中1-底座；2-壳体；5-预紧螺母；6-信号输出件；8-引电片；9-改性后的高温压电敏感元件；10-高比重质量块；11-中心通孔。从图中可清楚地看到，操作者只要将安装螺钉穿过压电加速度计的中心通孔，将加速度计的输出端(即输出电缆的方向)转动到自己需要的位置后，再把其固定在被测物体上，这便使安装与测试者对输出电缆的方向可360°随意调整的愿望得到实施。这种压电加速度计的另一特点是体积较小，重量较轻。
图3为本发明提供的可在200℃高温下使用的，输出可360°换向的中心压缩式高温压电加速度计的安装示意图。图中6-信号输出件；12-安装固定螺钉；13-被测物体；14-输出可360°换向的中心压缩式高温压电加速度计。可以看到，压电加速度计14可通过中心通孔11方便地将固定螺钉12与被测物体13相连。由于采用了这种固定方法，既保持了中心压缩式高温压电加速度计输出灵敏度高的特点，又增大了压电加速度计底部与被测物体表面的接触刚度，使加速度计输出信号的可靠性得到提高。通常安装螺孔的内径为4mm，安装螺钉的外径为M4，而信号输出件6可调整到如图所示的方向，即测试者所需的方向。
下面结合实施例，进一步说明本发明的进步和特点，但本发明决不仅仅局限於实施例。
实施例1．选用x=0.03(Me=Ca)，y=0.1(CeO2)的改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料取代一般压电加速度计用的压电陶瓷材料、用高温导电胶代替焊锡，连接信号输出件中的引出导线和引电片、用高比重(钨铜)合金代替不锈钢作为质量块的材料、以玻璃体取代氟塑料，作为信号输出件中的绝缘材料，按图2所示的输出可360°换向的中心压缩式高温压电加速度计的结构示意图装配而成。
实施例2．选用x=0.07(Me=Ba),y=0.1(Nb2O3)的改性偏铌酸铅高温压电陶瓷材料取代一般压电加速度计用的压电陶瓷材料，其余同实施例1。