科普贴：什么是UHT-12™晶体？和其它传感元件的区别是什么？

本文章将向您介绍UHT-12™与其它敏感元件的区别...





压电传感器的晶体材料为天然压电晶体或者人工极化的多晶铁电陶瓷。对敏感材料的选择取决于对应用环境的性能的要求。每种材料在不同的应用中，均具有不同的优势和特点。自然晶体具有最高的工作温度范围和最低（或者是零）热释电输出。然而，铁电陶瓷在等量电荷输出的情况下，具有更宽的频响范围和更小的尺寸。表1中列举了不同的材料对于温度和热释电的敏感性， 我们可以看出是否适合在热负荷不恒定的发动机应用中使用。



让我们逐一来分析一下这几种晶体：

1：性能
单晶自然晶体，比如石英和电气石天然具有压电特性。大多数用于制造传感器的天然单晶晶体不是开采得到的，而是在实验室中生长的，这样能够保证质量的一致性，并减小供应链带来的风险。另外，人工生长的自然晶体可以开发出更高、更新的性能。唯一例外的是电气石，需要经过开采得到，这样供应链不能保证，传感器的成本也会更高。

铁电陶瓷在本质上具有压电特性，因为在化学配方中，具有随机的多晶取向。对于陶瓷来说，要具有压电特性必须保证每个晶体结构的偶极子极性一致。这个一致化的过程包括对材料施加高电压使得铁电陶瓷内部极性一致。铁电陶瓷对于每单位力具有更高的灵敏度或电荷输出量。一种常用的高温传感器材料，BiTi（钛酸铋），比天然水晶，石英晶体的输出高三至四倍。BiTi的工作温度可达950°F（510°C）。不同的化合物可以添加到陶瓷材料中，来改变传感器的特性，但是以牺牲高温的灵敏度为代价的。BiTi的缺点包括对传感器内部环境条件的精确控制要求和对氧分压的稳定要求，以便维持传感器的特性。

新型的UHT-12™ 晶体可以放心在任何条件中使用，以UHT-12™为敏感元件制造的传感器使用氩气或者氮气等惰性气体回填。UHT-12™ 晶体不会出现任何热释电输出，并提供接近 1200 °F (650 °C)的工作温度。 虽然这种晶体的原输出电荷没有通常使用的BiTi多，但是在工作温度范围内，具有更低的电容和更高的隔离电阻， 当与差分电荷放大器一起工作时具有更底的噪声输出。

2：杂散噪声源

当收到温度梯度变化时，压缩组件会在不同配合面和预紧螺栓之间产生局部膨胀和收缩。当局部膨胀足够大时，由于应力释放，不见瞬间产生相互滑动，传感器会产生一个电气输出。 另外， 压电陶瓷和电气石一样都具有热释电 性， 仅温度变化就会产生电荷输出。在时域上， 来自这两个杂散噪声源的输出显示为阶跃输出， 然后按照信号调理器的时间常数进行衰减。如图2 显示的压缩模式加速度计数据。数据显示，在1170分钟，当温度斜坡上升到900 °F的时候，尖峰输出大约13 g’s 。积分成速度值为100 英寸/秒 pk-pk.。在冷却段尖峰重复出现，而且出现频率更高，仅仅幅值略小。

新型的UHT-12™剪切模式设计, 仅对剪切应力响应， 由温度引起得变化在加速度计主轴方向上， 而敏感元件与主轴振动方向成9 0 度， 所以它对于温度变化显示出更大的宽容性。剪切模式的UHT-12™ 加速度计始终表现出很低的尖峰噪声水平。UHT-12™在热瞬态事件中没有热释电输出是它的另外一个优势。新型UHT-12™剪切模式加速度计在温度变化情况下的测试数据如图 3.3： 信噪比

虽然传统的BiTi具有50 pC/g的灵敏度，但是UHT-12™晶体提供的 5和10 pC/g 的灵敏度已经被证明更适合燃气轮机振动测量。较低的灵敏度更适合体积小，重量轻和具有宽频响的部件测量应用。当今世界，我们具有低噪声和宽频带的模拟数字转换电路，我不需要更大和更高灵敏度的敏感元件。事实上 UHT-12™ 元件（与传统的BiTi相比，具有更低的元件电容和更高的隔离阻抗）加上合适的差分电荷放大器提供一个标准的 2 5 mV/g输出( 输出电压+ / -5 V 对应+/-200 g’s) 。 动态范围大于120 dB, 测量分辨率优于0.002 g’s (带宽1 Hz ~10,000 Hz).

图4显示的是实际的噪声数据（采用两个电荷放大器，每个均具有1.6Hz（-3dB）的低频响应）。其中一个放大器使用建议的传感器配置成25 mV/g 输出，另外一个使用50 pC/g的 BiTi 传感器配置成25 mV/g 输出的系统。每支传感器两种配置的比较: 一个具有很高的隔离电阻（如传感器在室温下），而另一只具有很低的隔离电阻 (比如每支传感器工作在485 °C)。 很明显，隔离电阻的降低增加了系统噪声。

让我们来总结下UHT-12™ 晶体在超高温应用中的优势：

1. 剪切模式与压缩模式相比具有更小的输出误差
2. 对称的结构设计可以最大限度的减少非线性输出，尤其是传感器的共振
3. 使用惰性气体填充最大限度的减少污染和防止内部元器件的氧化
4. 考虑到极端的温度和振动，敏感元件堆栈的螺栓预拉伸方法和设计可以提供恒定的预紧力
5. 选择合适的合金金属，减少传感晶体元件堆栈随温度的增长，提供更均匀的预紧力
6. 采用非热释电晶体材料最大限度地减少热误差
7. 采用合成晶体材料比如UHT-12™ ，相比于 BiTi 提高了长期的稳定性，晶体材料不可能缺氧。
8. 采用合成晶体材料比如UHT-12™ ，相比于 BiTi 提高了传感器的工作温度上限 (相变点大于2600 °F (1427 °C))

无论是用于飞机涡轮发动机，火箭发动机，或发电站，加速度计必须提供高的准确性，稳定性和可靠性。因此，这些在极端高温环境中使用的仪器，设计和制造过程中需要特殊的考虑。

*摘自PCB®论文《用于航空航天推进系统的高温加速度计的设计与选择标准》  Bob Metz  PCB Piezotronics, Inc.  请联系我们获取全文，pcbchina@pcb.com

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