阅读说明：本技术 一种微小型超高温压电振动加速度传感器及其装配方法 (Microminiature ultra-high temperature piezoelectric vibration acceleration sensor and assembly method thereof ) 是由 于法鹏 刘学良 房浩然 杨勇 马庆宇 赵显� 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种微小型超高温压电振动加速度传感器及其装配方法,属于电子材料与器件领域,包括安装底座、装配基面、压电模块和外壳；压电模块包括多片压电晶片和两个质量块,压片晶片为剪切式RECOB晶片,RECOB晶片的化学式为RECa<Sub>4</Sub>O(BO<Sub>3</Sub>)<Sub>3</Sub>(RE为Y和稀土元素)；外壳为一端开口的矩形壳体,与安装底座固定连接形成传感器的密封内腔；安装底座上还设置有通孔,通孔内安装有用于信号传输的双屏蔽高温铠装电缆。本发明体积较小,结构简单稳定,低介电损耗、热释电小、温度漂移小于5％,且该传感器耐温高达1000℃,并可在高达1000℃的极端环境下长时间服役。(The invention relates to a microminiature ultra-high temperature piezoelectric vibration acceleration sensor and an assembly method thereof, belonging to the field of electronic materials and devices, and comprising an installation base, an assembly base surface, a piezoelectric module and a shell; the piezoelectric module comprises a plurality of piezoelectric wafers and two mass blocks, wherein the pressing wafer is a shear type RECOB wafer, and the chemical formula of the RECOB wafer is RECa 4 O(BO 3 ) 3 (RE is Y and a rare earth element); the shell is a rectangular shell with an opening at one end and is fixedly connected with the mounting base to form a sealed inner cavity of the sensor; the installation base is further provided with a through hole, and a double-shielding high-temperature armored cable for signal transmission is installed in the through hole. The invention has the advantages of small volume, simple and stable structure, low dielectric loss, small pyroelectric, less than 5% of temperature drift, temperature resistance of the sensor up to 1000 ℃, and long-time service under the extreme environment of up to 1000 ℃.)

一种微小型超高温压电振动加速度传感器及其装配方法

技术领域

本发明涉及一种微小型超高温压电振动加速度传感器及其装配方法，可用于监视高温环境下机械运行时关键部件的健康状况，可用于航空航天、智能船舶、轨道列车、汽车工业、核电能源等行业，属于电子材料与器件技术领域。

背景技术

在航空航天推进系统中，高温(HT)传感器是智能推进系统设计和运行所必须的，并且其对提高系统的稳定性和安全性也是必不可少的。发动机的燃烧部件(包括喷油嘴和阀门)在重复的高温循环的条件下继续运行，需要监测点火定时和高燃烧效率的脉冲形状。为了进行可靠的监测，传感器需要尽可能的靠近高温源(例如发动机)。这些应用通常需要高温传感器在大于800℃的高温下正常工作。

并且，航空发动机的涡轮机上空间有限、安装孔尺寸也有限，因此，为更好地监测涡轮发动机的松动部位，亟需一种体积小、安装简便、在大于800℃高温下能稳定服役的传感器。目前，国际上美国的Endevco公司研发的6243M系列高温压电振动加速度传感器为目前最先进的高温振动传感器，但是该系列传感器工作温度受限在650℃。器件工作温度不够高，一方面受限于核心压电材料性能，另一方面，器件结构不尽合理，不能够有效发挥压电晶体的各向异性优势，利用压电晶体的各向异性补偿增强压电响应。因此，当前传感器在服役高温温度区域受限，要么高温工作稳定性欠佳。

发明内容

针对现有技术的不足和应用的需求，本发明提供一种微小型超高温压电振动加速度传感器及其装配方法，该器件具有体积较小、结构简单、低介电损耗、热释电小、温度漂移小于5％的优点，且该传感器耐温高达1000℃，并可在高达1000℃的极端环境下长时间服役。

术语解释：

1、压电效应：当一些电介质沿一定方向上受到外力的作用发生形变时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它可以恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生形变，电场去掉后，电介质的形变随之消失，这种现象称为逆压电效应。

2、切变压电常数：晶体各向异性，本申请中为压电矩阵参量中的d₁₅、d₁₆、d₂₄、d₂₆、d₃₄、d₃₅。

3、RECOB：化学式为RECa₄O(BO₃)₃，中文名称为稀土硼酸盐系列晶体，RE为稀土元素，包含单一稀土型YCOB、GdCOB，以及稀土混合型晶体，例如YGdCOB和YNdCOB等晶体，属于单斜晶系m点群。

本发明采用以下技术方案：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，包括安装底座、装配基面、压电模块和外壳；

所述装配基面为一矩形平面，且与安装底座为一体结构，所述安装底座上设置有安装孔，装配基面上设置有用于安装压电模块的中心孔；

所述压电模块包括多片压电晶片和两个质量块，压电模块对称安装于装配基面上，所述压电晶片为剪切式RECOB晶片，RECOB晶片的化学式为RECa₄O(BO₃)₃；

所述外壳为一端开口的矩形壳体，与安装底座固定连接形成传感器的密封内腔，压电模块位于该密封内腔中，安装底座上在与外壳的连接处优选设置有一安装面，外壳的开口端与安装面固定连接，安装后，外壳表面与安装底座表面平齐；

所述安装底座上还设置有通孔，通孔内安装有用于信号传输的双屏蔽高温铠装电缆，该双屏蔽高温铠装电缆的一端与其中一个质量块固定连接。

本发明的传感器的安装孔相对远离压电晶片的安装部位，可降低传感器安装产生的应变对传感器性能的影响。

本发明中能够利用压电晶体的厚度切变压电常数(包括d₁₅、d₁₆、d₂₄、d₂₆，d₃₄、d₃₅)获得稳定的传感信号输出。

优选的，本发明以YGdCOB晶体d₂₆模式为例，切型为(YXt/θ)，(YXt/θ)是指：X是指物理学X轴，Y是指物理学Y轴，t是指沿着压电晶片厚度方向Y旋转，θ是指沿着厚度方向旋转的具体数值为θ。

根据本发明优选的，所述压电模块还包括相互配合的螺栓和螺母，螺栓穿设于中心孔内，质量块包括质量块A和质量块B，螺栓上依次套设有质量块A、陶瓷管和质量块B，质量块A和质量块B焊接于螺栓上，陶瓷管与螺栓为螺纹配合，陶瓷管上套设有多片压电晶片，螺母紧压质量块B固定于螺栓上，为压电模块提供预紧力，其中，多片压电晶片对称分布于装配基面两侧，质量块A和质量块B也对称分布于装配基面两侧。

根据本发明优选的，YGdCOB晶体d₂₆模式下，切型为(YXt/-30°)，即θ取-30°；

此处设计的优势在于，(YXt/-30°)切YGdCOB晶片的有效压电常数为～12pC/N，该切型的晶体具有晶体的最大压电常数，而且室温到1000℃范围，压电常数变化率低于5％，从室温到1500℃没有发生相变。热膨胀系数为线性变化，具有极高的电阻率，具有特别优异的高温压电性能及温度稳定性，使得压电振动传感器耐高温高达1000℃。

优选的，压电晶片的数量为2或6片，即装配基面两侧分别分布有1或3片压电晶片。

根据对高温下阻抗及灵敏度的不同需求，压电晶片的数量为2片或者6片，2片时每片压电晶片的厚度为2mm，6片时每片压电晶片厚度为0.7mm。

根据本发明优选的，所述安装孔的方向与装配基面平行或垂直，分别用于监测振动的垂直和水平振动信号，即安装孔的方向与装配基面平行时，监测垂直振动信号，当安装孔的方向与装配基面垂直时，监测水平振动信号。

根据本发明优选的，所述压电晶片为中间开孔的方片，相邻两压电晶片之间以负极相对、正极相对的方式并联在一起，有利于提高压电振动传感器的灵敏度；

本发明为剪切式压电振动传感器，该模式相对压缩式来讲，具有更高的抗热冲击性能，所选用压电晶片是利用的RECOB系列晶体的切变模式，本发明选用YGdCOB晶体的切变模式d₂₆来验证该发明传感器高温下的性能。切型为(YXt/-30°)该方向的切变压电常数d₂₆为此晶体最大压电常数，方形片可以保证传感器工作时，质量块对压电晶片产生的切向力与该切型的方向一致，有效提高传感器的灵敏度。

优选的，压电晶片的工粗糙度为0.1μm，该加工粗糙度，是在压电晶片、电极片与质量块之间的预紧力矩为0.3～0.4N·m，在50g的横向力推动下，确保压电晶片和电极片之间不发生位置移动而得出的；

压电晶片的平行度为0.02mm，平行度是指上表面相对于下表面平行的误差最大允许值，平行度越高，晶片的极限应力越大。

优选的，当压电晶片数量为6片时，位于装配基面两侧的压电晶片之间分别设置有两路电极片，每一路电极片包括两侧的电极环和用于连接两侧电极环的连接线；

装配基面两侧的压电晶片均为：一路电极片的电极环插入压电晶片的负极之间，另一路电极片的电极环插入压电晶片的正极之间。

根据本发明优选的，对于装配基面一侧的压电晶片，一路电极片起始位置设置在最靠近质量块A的两片压电晶片之间并套设在陶瓷管内，尾端设置于装配基面和与其靠近的压电晶片之间套设在陶瓷管内，另一路电极片的起始位置设置在质量块A和与其靠近的压电晶片之间并套设在陶瓷管内，尾端设置于最靠近装配基面的两片压电晶片之间并套设在陶瓷管内；

对于装配基面另一侧的压电晶片，一路电极片起始位置设置在最靠近质量块B的两片压电晶片之间并套设在陶瓷管内，尾端设置于装配基面和与其靠近的压电晶片之间套设在陶瓷管内，另一路电极片的起始位置设置在质量块B和与其靠近的压电晶片之间并套设在陶瓷管内，尾端设置于最靠近装配基面的两片压电晶片之间并套设在陶瓷管内。

优选的，所述电极片的内径、外边长均保持与压电晶片相同的尺寸(其内径略微大于陶瓷管的直径)，电极片之间的连接线的长度依据压电晶片的厚度，优选为：当每片压电晶片厚度为0.7mm时，电极片的连接线优选长度为3mm，宽为2mm；

优选的，所述电极片的材质为铂金金属片或镀铂金的镍金属片。

根据本发明优选的，所述质量块A和质量块B的材质为金属钨，金属钨的表面电镀一层200～300nm厚的铂金薄膜；

此处设计的优势在于，铂金薄膜可以保护金属钨在高温下不会发生氧化等反应，而且金属钨可以保证传感器的结构刚度在高温下的弹性模量仍处于线性范围；相比于其他高温材料，其密度较大，可以有效提高质量块的质量，从而提高传感器灵敏度和稳定性；底面蒸镀的一层铂金，可以保证传感器信号传输时优良的电接触。

所述螺母和螺栓之间，以及陶瓷管与螺栓之间均为螺纹配合，缝隙之间均填充有高温绝缘胶(双键化学DB5012)。

优选的，所述陶瓷管的长度略小于多片压电晶片和安装基面的厚度之和，陶瓷管位于螺栓的中心位置，且陶瓷管与质量块A、质量块B均不接触，所述压电晶片和质量块对称的装配好后，螺母的预紧力矩为0.3～0.4N·m；

起预紧作用的螺母在0.3～0.4N·m的预紧力矩下，固定好质量块A/质量块B和压电晶片后，螺母、螺栓和质量块A/B焊接到一起，防止传感器在高温和强震动作用下发生螺栓松动，固定起绝缘作用的陶瓷管，避免传感器在振动过程中产生横向信号干扰，有效提高传感器件的使用可靠性及精度。

优选的，质量块B与螺母接触面上设置有沉孔，装配完成后，螺母位于该沉孔内，质量块A上也设置有沉孔，装配时，螺栓的螺栓头沉入至该沉孔中，螺母/螺栓头沉入到沉孔内紧密结合，施加合适的预紧力矩后，螺栓与螺母，螺栓与质量块A、螺栓与质量块B焊接。

根据本发明优选的，所述陶瓷管的材质为纯度大于等于99％的氧化铝陶瓷，所述螺母和螺栓材质为Inconel601合金；

安装底座、装配基面、外壳的材质均为Inconel 601合金，安装底座和装配基面为一个整体件。

根据本发明优选的，所述双屏蔽高温铠装电缆从内到外依次包括导线、第一绝缘层、第一屏蔽层、第二绝缘层和第二屏蔽层，导线采用0.3mm镍线，第一绝缘层和第二绝缘层均为填充的高纯氧化镁(99％)，第一屏蔽层采用316不锈钢合金管，第二屏蔽层采用Inconel601合金管，即电缆的铠装外皮。

本发明的双屏蔽高温铠装电缆有两层金属屏蔽层，采用高纯氧化镁作为绝缘保护材料，第一层绝缘层外为316不锈钢合金管，有很好的延展性，对第一屏蔽层起保护作用，第二层绝缘层外为Inconel601合金管，同时该合金在高温下(＜1300℃)具有耐腐蚀、耐氧化等优异的性能，因此可起到保护高温电缆线及第二屏蔽层的作用。

双屏蔽高温铠装电缆内的导线作为信号线插入到质量块预留的深孔中，并焊接固定，另一端焊接常温连接器(M5，M6)，方便连接电荷放大器，第二屏蔽层(即铠装外皮)与传感器安装底座焊接到一起，外壳与安装底座焊接到一起，传感器内部形成一个气密封空间，空间内充满惰性气体，提高了传感器在高温下的使用寿命；处于传感器内部，并焊接到质量块上的双屏蔽高温铠装电缆的导线，作为传感器的信号输出线，装配好后，处于固定状态，降低信号传输过程中的产生的微扰。

上述深孔的直径优选为0.5mm，深为5mm，深孔可设置于质量块A或质量块B上，带深孔的质量块安装时要靠近安装底座的焊接通孔。

一种上述微小型超高温压电振动加速度传感器的装配方法，包括以下步骤：

(1)首先将压电晶片、质量块A和质量块B的上下表面分别镀上一层200-300nm厚的铂金薄膜，并将质量块A套设在螺栓上靠近螺栓头端，并焊接固定，将带有内螺纹的陶瓷管灌入稀释后的高温绝缘胶，旋转拧入螺栓的中心部位上，陶瓷管与质量块之间不接触，并将固定好的螺栓、陶瓷管放入温度为150～180℃的干燥箱中保持12～18小时，完成高温绝缘胶的固化；

本发明中所使用的为稀释后的高温绝缘胶，优选可将1.5～2g的高温绝缘胶与1mL稀释剂进行稀释后使用；

(2)安装压电模块：

a、当压电晶片的数量为2片时，安装时，将其中1片压电晶片套入固化好的陶瓷管上，然后螺栓穿入装配基面的中心孔内，在装配基面另一侧，在螺栓上再套入另一压电晶片和质量块B，并将螺母拧入螺栓上进行预紧，预紧力矩为0.3～0.4N·m，再将螺栓与螺母，螺母与质量块B焊接，安装时压电晶片的正极与装配基面接触，负极与质量块A或质量块B接触，压电晶片数量为2片时，不需要设置电极片；

b、当压电晶片的数量为6片时，首先把其中的3片压电晶片以负极相对、正极相对的方式并联叠加到一起，压电晶片之间加入电极片，两路电极片的连接线分别折叠，一路电极片的电极分别插入压电晶片的正极之间，该路电极片与装配基面相接触，与质量块A绝缘；另一路电极片插入压电晶片的负极之间，该路电极片与质量块A相接触，与装配基面绝缘，形成晶组A；

剩下的3片压电晶片，也以负极相对、正极相对的方式并联叠加到一起，压电晶片之间加入电极片，两路电极片的连接线分别折叠，一路电极片的电极分别插入压电晶片的正极之间，该路电极片与装配基面相接触，与质量块B绝缘；另一路电极片插入压电晶片的负极之间，该路电极片与质量块B相接触，与装配基面绝缘，形成晶组B；

安装时，一端电极环插入相应位置后，可直接将连接线拗弯，将另一端的电极环插入相应位置，有效减少了传感器装配过程中的焊点；

将晶组A套入固化好的陶瓷管上，然后螺栓穿入装配基面的中心孔内，在装配基面另一侧，再依次套入晶组B和质量块B，最后将螺母螺纹拧入螺栓上预紧，将螺栓与螺母，螺母与质量块B焊接；

(3)制备双屏蔽高温铠装电缆：

将316不锈钢合金管拉直固定，0.3mm镍线穿入316不锈钢合金管中拉直，利用激光确定0.3mm镍线位于316不锈钢合金管的中央位置，利用注入器将高纯氧化镁粉末置于316不锈钢合金管与镍线的缝隙中并压实，利用高温绝缘胶把两端开口密封，得到单层铠装电缆；

采用同样的方法，用夹具将置入到真空手套箱中的上述单层铠装电缆和Inconel601合金管拉直，固定好，单层铠装电缆插入到Inconel601合金管中不接触，利用注入器把高纯氧化镁粉末置于Inconel601合金管与单层铠装电缆之间的缝隙中并压实，利用高温绝缘胶把两端封口密封；

(4)将压电模块、外壳和双屏蔽高温铠装电缆置入惰性气体气氛箱中，气氛箱中气体压力略大于一个大气压，将双屏蔽高温铠装电缆插入到安装底座的通孔中，利用夹具把双屏蔽高温铠装电缆和安装底座固定，双屏蔽高温铠装电缆内的导线作为信号线插入到质量块预留的深孔中，点焊固定，外壳套接入安装底座上固定连接；

(5)通过激光焊接机将压电模块、外壳和双屏蔽高温铠装电缆焊接到一起，使之紧密接触无缝隙，得到传感器；

(6)将焊接好的传感器放入到高温箱中进行退火处理，消除器件之间的应力残留。

优选的，退火温度为550～650℃。

本发明的一种微小型高温振动加速度传感器，工作时，在需要检测的发动机表面利用螺钉通过安装孔固定本传感器，使之与被测发动机表面紧密结合，发动机工作时会产生振动，该振动产生的周期性力通过机械表面传递给传感器，造成传感器内的质量块产生惯性力，从而迫使压电晶片产生面切变，从而使晶片上下表面产生符号相反、数值相等的电荷，该电荷通过信号线传输到连接器，连接器通过高温硬电缆传递给电荷放大器，其把电荷信号转化为电压信号，再经过连接器和低噪声电缆传输给数据采集卡及计算机或示波器做后续信号处理。

本发明可制造出耐高温、耐辐射、高稳定、宽频响、低温漂等性能的高温振动传感器，本发明为航空航天发动机、核能等领域健康预警系统提供优异的前段信号采集，该传感器便于生产安装，工艺简单，便于规模化生产。

本发明中，未详尽之处，均可采用现有技术进行。

本发明的有益效果为：

1)针对传感器在高温(＞800℃)下稳定服役的需求，本发明采用在高温下电学性能稳定且灵敏度较高的切变模式RECOB晶片作为压电灵敏元件，使得高温压电加速度传感器可在1000℃的环境下长时间服役；

2)根据航空涡轮发动机对高温传感器的尺寸要求，本发明装配完的传感器为长方体结构(不包含双屏蔽高温铠装电缆)，体积可为14×14×25mm³(如图1所示，14mm为传感器的左右两个面的两边长，边长相等，均为L1表示，25mm为传感器的侧边长度L2)，可以大大节约发动机的空间；

本发明的安装通孔位于安装底座上，传感器的安装孔相对远离压电晶片的安装部位，降低传感器安装产生的应变对传感器性能的影响；安装孔的方向，可以与装配基面平行，也可以与装配基面垂直，两种方式可以分别监测航空发动机振动的垂直和水平振动信号；

3)本发明采用灵敏元件并联组合的方式，节约传感器内部空间，有效提高传感器的灵敏度。

4)本发明的外壳、双屏蔽高温铠装电缆的铠装外皮和安装底座均采用Inconel601合金，该合金在高温下具有优异的抗腐蚀性能，可以确保传感器在高温下信号传输过程中的抗干扰能力，大大延长传感器的服役寿命；

5)本发明的质量块A/B采用金属钨，该合金可以保证传感器的结构刚度在高温下的弹性模量仍处于线性范围；相比于其他高温材料，其密度较大，可以有效提高质量块重量，从而提高传感器灵敏度；表面蒸镀的一层铂金，可以保证传感器信号传输时优良的电接触。

6)针对传感器件密封性及稳定性，本发明设计优选了具有耐高温且性质稳定的99％氧化铝陶瓷管，配合高温绝缘胶来固化螺栓、陶瓷管，螺栓、螺母和质量块通过合适的预紧力矩固定，使传感器性能达到最佳，该发明结构简单，稳定性强，可行性高，成本低，便于生产，从而达到产业化的目的。

7)本发明设计了双屏蔽高温铠装电缆，其内的镍线焊接到质量块A或质量块B上，双屏蔽高温铠装电缆的铠装外皮与传感器安装底座焊接到一起，使传感器内部形成一个屏蔽电磁干扰的密闭空间，提高传感器的稳定性和寿命。

附图说明

图1为本发明微小型超高温压电振动加速度传感器的整体结构示意图；

图2为本发明某一实施例的三维结构示意图；

图3为本发明某一实施例的装配结构示意图；

图4(a)为本发明某一实施例的安装底座结构示意图一；

图4(b)为本发明某一实施例的安装底座结构示意图二；

图5为本发明某一实施例的螺母结构示意图；

图6为本发明某一实施例的螺栓结构示意图；

图7为本发明某一实施例的陶瓷管与螺栓的装配关系示意图；

图8为本发明某一实施例的外壳结构示意图；

图9为本发明某一实施例的质量块A的结构示意图；

图10为本发明某一实施例的压电晶片的结构示意图；

图11为本发明某一实施例的电极线的结构示意图；

图12为本发明某一实施例的双屏蔽高温铠装电缆的结构示意图；

图13为本发明某一实施例的传感器在高温下的热漂移率示意图；

图14为本发明某一实施例的传感器在1000℃下的工作状态示意图；

图15为本发明某一实施例所使用的压电晶体切型示意图；

其中，1-螺母，2-压电晶片，3-电极片，4-质量块A，5-螺栓，6-通孔，7-安装孔，8-外壳，9-安装底座，10-双屏蔽高温铠装电缆，11-装配基面，12-陶瓷管，13-深孔，14-导线，15-电极环，16-中心孔，17-安装面，18-质量块B，19-连接线，20-第一绝缘层，21-第一屏蔽层，22-第二绝缘层，23-第二屏蔽层。

具体实施方式

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为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，如图1-12所示，包括安装底座9、装配基面11、压电模块和外壳8；

装配基面11为一矩形平面，且与安装底座9为一体结构，安装底座9上设置有安装孔7，装配基面11上设置有用于安装压电模块的中心孔16；

压电模块包括多片压电晶片2和两个质量块，压电模块对称安装于装配基面11上，即压电晶片和两个质量块对称安装于装配基面11上，压片晶片2为剪切式RECOB晶片，剪切式RECOB晶片的化学式为RECa₄O(BO₃)₃；

外壳8为一端开口的矩形壳体，与安装底座9固定连接形成传感器的密封内腔，压电模块位于该密封内腔中，安装底座9上在与外壳的连接处设置有一安装面17，外壳8的开口端与安装面17固定连接，安装后，外壳8表面与安装底座9表面平齐；

安装底座9上还设置有通孔6，通孔6内安装有用于信号传输的双屏蔽高温铠装电缆10，该双屏蔽高温铠装电缆10的一端与其中一个质量块固定连接。

本发明的传感器的安装孔7相对远离压电晶片的安装部位，可降低传感器安装产生的应变对传感器性能的影响。

本实施例中，具体采用YGdCOB晶体，切型为(YXt/θ)，(YXt/θ)是指：X是指物理学X轴，Y是指物理学Y轴，t是指沿着压电晶片厚度方向Y旋转，θ是指沿着厚度方向旋转的具体数值为θ，θ取为-30°，如图15所示。

此处设计的优势在于，(XYt/-30°)切YGDCOB晶片的有效压电常数为～12pC/N，该切型的晶体具有晶体的最大压电常数，而且室温到1000℃范围，压电常数变化率低于5％，从室温到1500℃没有发生相变。热膨胀系数为线性变化，热释电小，具有极高的电阻率，具有特别优异的高温压电性能及温度稳定性，使得压电振动传感器耐高温高达1000℃。

实施例2：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，压电模块还包括相互配合的螺栓5和螺母1，螺栓5穿设于中心孔16内，质量块包括质量块A 4和质量块B18，螺栓5上依次套设有质量块A 4、陶瓷管12和质量块B18，质量块A 4和质量块B18均焊接于螺栓5上，陶瓷管12与螺栓5为螺纹配合，陶瓷管12上套设有多片压电晶片2，螺母1紧压质量块B18固定于螺栓5上，为压电模块提供预紧力，其中，多片压电晶片2对称分布于装配基面11两侧，质量块A 4和质量块B18也对称分布于装配基面两侧。

实施例3：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，压电晶片的数量为2片，即装配基面两侧分别分布有1片压电晶片；

根据对高温下阻抗及灵敏度的不同需求，压电晶片的数量为2片时，每片压电晶片的厚度为2mm。

实施例4：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，压电晶片的数量为6片，即装配基面11两侧分别分布有3片压电晶片；

根据对高温下阻抗及灵敏度的不同需求，压电晶片的数量为6片时，每片压电晶片厚度为0.7mm。

实施例5：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，安装孔7的方向与装配基面11平行或垂直，分别用于监测振动的垂直和水平振动信号，即安装孔7的方向与装配基面11平行时(即安装孔7方向与其上的中心孔的方向相垂直状态)，如图4(a)所示，监测垂直振动信号，当安装孔7的方向与装配基面11垂直时(即安装孔7方向与其上的中心孔16的方向相平行状态)，如图4(b)所示，监测水平振动信号。

实施例6：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，压电晶片2为中间开孔的方片，如图10所示，相邻两压电晶片2之间以负极相对、正极相对的方式并联在一起，有利于提高压电振动传感器的灵敏度；

本发明为剪切式压电振动传感器，该模式相对压缩式来讲，具有更高的抗热冲击性能，所选用压电晶片是利用的RECOB晶体的切变模式(包含d₁₅、d₁₆、d₂₄、d₂₆、d₃₄、d₃₅)通过理论计算和实验测试优选该方向RECOB晶体的切变压电常数为此晶体切变模式的最大压电常数，方形片可以保证传感器工作时，质量块对压电晶片产生的切向力与该切型的方向一致，有效提高传感器的灵敏度。

实施例7：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，压电晶片2的工粗糙度为0.1μm，该加工粗糙度，是在压电晶片、电极片与质量块之间的预紧力矩为0.3～0.4N·m，在50g的横向力推动下，确保压电晶片和电极片之间不发生位置移动而得出的；

压电晶片2的平行度为0.02mm，平行度是指上表面相对于下表面平行的误差最大允许值，平行度越高，晶片的极限应力越大。

实施例8：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，当压电晶片2数量为6片时，位于装配基面11两侧的压电晶片之间分别设置有两路电极片3，如图11所示，每一路电极片3包括两侧的电极环15和用于连接两侧电极环15的连接线19；

装配基面11两侧的压电晶片均为：一路电极片的电极环插入压电晶片的负极之间，另一路电极片的电极环插入压电晶片的正极之间。

实施例9：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例8所示，所不同的是，对于装配基面11一侧的压电晶片，一路电极片起始位置设置在最靠近质量块A 4的两片压电晶片之间并套设在陶瓷管12内，尾端设置于装配基面11和与其靠近的压电晶片之间并套设在陶瓷管12内，另一路电极片的起始位置设置在质量块A 4和与其靠近的压电晶片之间并套设在陶瓷管12内，尾端设置于最靠近装配基14面的两片压电晶片之间并套设在陶瓷管12内；

对于装配基面另一侧的压电晶片，一路电极片起始位置设置在最靠近质量块B18的两片压电晶片之间并套设在陶瓷12管内，尾端设置于装配基面11和与其靠近的压电晶片之间套设在陶瓷管12内，另一路电极片的起始位置设置在质量块B18和与其靠近的压电晶片之间并套设在陶瓷管12内，尾端设置于最靠近装配基面11的两片压电晶片之间并套设在陶瓷管12内。

电极片3的内径、外边长均保持与压电晶片2相同的尺寸(其内径略微大于陶瓷管12的直径)，电极片3之间的连接线19的长度依据压电晶片的厚度，优选为：当每片压电晶片数量为6片时，厚度为0.7mm时，电极片的连接线19长度为3mm，宽为2mm。

实施例10：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例9所示，所不同的是，电极片的材质为铂金金属片，质量块A 4和质量块B18的材质为金属钨，金属钨的表面电镀一层200～300nm厚的铂金薄膜。

此处设计的优势在于，铂金薄膜可以保护金属钨在高温下不会发生氧化等反应，而且金属钨可以保证传感器的结构刚度在高温下的弹性模量仍处于线性范围；相比于其他高温材料，其密度较大，可以有效提高质量块的质量，从而提高传感器灵敏度和稳定性；底面蒸镀的一层铂金，可以保证传感器信号传输时优良的电接触。

螺母1和螺栓5之间，以及陶瓷管12与螺栓5之间均为螺纹配合，缝隙之间均填充有高温绝缘胶，绝缘胶优选为双键化学DB5012。

实施例11：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，陶瓷管12的长度略小于多片压电晶片2和安装基面14的厚度之和，陶瓷管12位于螺栓的中心位置，且陶瓷管12与质量块A 4、质量块B18均不接触，压电晶片2和质量块对称的装配好后，螺母的预紧力矩为0.3～0.4N·m；

起预紧作用的螺母在0.3～0.4N·m的预紧力矩下，固定好质量块A/质量块B和压电晶片后，螺母、螺栓和质量块A/B焊接到一起，防止传感器在高温和强震动作用下发生螺栓松动，固定起绝缘作用的陶瓷管，避免传感器在振动过程中产生横向信号干扰，有效提高传感器件的使用可靠性及精度。

实施例12：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，质量块B18与螺母1接触面上设置有沉孔，装配完成后，螺母1位于该沉孔内，质量块A 4上也设置有沉孔，装配时，螺栓5的螺栓头沉入至该沉孔中，螺母/螺栓头沉入到沉孔内紧密结合，施加合适的预紧力矩后，螺栓与螺母，螺栓与质量块A、螺栓与质量块B焊接。

陶瓷管12的材质为纯度大于等于99％的氧化铝陶瓷，螺母1和螺栓5材质为Inconel601合金。

实施例13：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器，结构如实施例1所示，所不同的是，如图12所示，双屏蔽高温铠装电缆10从内到外依次包括导线14、第一绝缘层20、第一屏蔽层21、第二绝缘层22和第二屏蔽层23，导线14采用0.3mm镍线，第一绝缘层20和第二绝缘层22均为填充的高纯氧化镁(99％)，第一屏蔽层21采用316不锈钢合金管，第二屏蔽层23采用Inconel601合金管，即电缆的铠装外皮。

本发明的双屏蔽高温铠装电缆有两层金属屏蔽层，采用高纯氧化镁作为绝缘保护材料，第一层绝缘层外为316不锈钢合金管，有很好的延展性，对第一屏蔽层起保护作用，第二层绝缘层外为Inconel601合金管，同时该合金在高温下(＜1300℃)具有耐腐蚀、耐氧化等优异的性能，因此可起到保护高温电缆线及第二屏蔽层的作用。

双屏蔽高温铠装电缆10内的导线14作为信号线插入到质量块预留的深孔13中，如图9所示，并焊接固定，另一端焊接常温连接器(M5，M6)，方便连接电荷放大器，第二屏蔽层(即铠装外皮)与传感器安装底座焊接到一起，外壳与安装底座焊接到一起，传感器内部形成一个气密封空间，空间内充满惰性气体，提高了传感器在高温下的使用寿命；处于传感器内部，并焊接到质量块上的双屏蔽高温铠装电缆的导线，作为传感器的信号输出线，装配好后，处于固定状态，降低信号传输过程中的产生的微扰。

上述深孔13的直径为0.5mm，深为5mm，深孔可设置于质量块A上，带深孔的质量块安装时要靠近安装底座的焊接通孔。

本发明的传感器，在高温环境下热漂移率较低，如图13所示，图13中横坐标为温度，纵坐标为热漂移率，随着温度从0～1000℃的变化，传感器输出的热漂移率低于5％。

本发明可在高温下运行，如图14所示，图14中横坐标为时间，纵坐标为灵敏度，可以看出，本发明的传感器在1000℃仍可以长时间服役(＞40h)，在本领域中，稳定工作时间超过1小时即可算为长时间服役；值得注意的是，图14中间没有数据的时间(18～25h左右)为试验人员休息时间，未计数，但从15h以后，其灵敏度仍然维持在稳定水平。

实施例14：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器的装配方法，包括以下步骤：

(1)首先将压电晶片2、质量块A 4和质量块B18的上下表面分别镀上一层200-300nm厚的铂金薄膜，并将质量块A 4套设在螺栓5上靠近螺栓头端，并焊接固定，将带有内螺纹的陶瓷管12灌入稀释后的高温绝缘胶，旋转拧入螺栓的中心部位上，陶瓷管12与质量块A/B之间不接触，并将固定好的螺栓、陶瓷管放入温度为150～180℃的干燥箱中保持12～18小时，完成高温绝缘胶的固化；

本发明中所使用的为稀释后的高温绝缘胶，可将1.5～2g的高温绝缘胶与1mL稀释剂进行稀释后使用；

(2)安装压电模块：

当压电晶片的数量为2片时，安装时，将其中1片压电晶片套入固化好的陶瓷管12上，然后螺栓5穿入装配基面11的中心孔16内，在装配基面11另一侧，在螺栓5上再套入另一压电晶片和质量块B18，并将螺母1拧入螺栓5上进行预紧，预紧力矩为0.3～0.4N·m，再将螺栓5与螺母1，螺母1与质量块B18焊接，安装时压电晶片的正极与装配基面接触，负极与质量块A或质量块B接触，压电晶片数量为2片时，不需要设置电极片；

(3)制备双屏蔽高温铠装电缆：

将316不锈钢合金管拉直固定，0.3mm镍线穿入316不锈钢合金管中拉直，利用激光确定镍线位于316不锈钢合金管的中央位置，利用注入器将高纯氧化镁粉末置于316不锈钢合金管与镍线的缝隙中并压实，利用高温绝缘胶把两端开口密封，得到单层铠装电缆；

采用同样的方法，用夹具将置入到真空手套箱中的上述单层铠装电缆和Inconel601合金管拉直，固定好，单层铠装电缆插入到Inconel601合金管中不接触，利用注入器把高纯氧化镁粉末置于Inconel601合金管与单层铠装电缆之间的缝隙中并压实，利用高温绝缘胶把两端封口密封；

(4)将压电模块、外壳8和双屏蔽高温铠装电缆10置入惰性气体气氛箱中，惰性气体气氛箱中气体压力略大于一个大气压，将双屏蔽高温铠装电缆10插入到安装底座的通孔6中，利用夹具把双屏蔽高温铠装电缆10和安装底9座固定，双屏蔽高温铠装电缆10内的导线14作为信号线插入到质量块预留的深孔13中，点焊固定，外壳8套接入安装底座9上固定连接；

(5)通过激光焊接机将压电模块、外壳8和双屏蔽高温铠装电缆10焊接到一起，使之紧密接触无缝隙，得到传感器；

(6)将焊接好的传感器放入到高温箱中进行退火处理，退火温度为550～650℃。

实施例15：

一种微小型超高温压电振动加速度传感器的装配方法，包括以下步骤：

(1)首先将压电晶片、质量块A和质量块B的上下表面分别镀上一层200-300nm厚的铂金薄膜，并将质量块A套设在螺栓上靠近螺栓头端，并焊接固定，将带有内螺纹的陶瓷管灌入稀释后的高温绝缘胶，旋转拧入螺栓的中心部位上，陶瓷管与质量块之间不接触，并将固定好的螺栓、陶瓷管放入温度为150～180℃的干燥箱中保持12～18小时，完成高温绝缘胶的固化；

本发明中所使用的为稀释后的高温绝缘胶，优选可将1.5～2g的高温绝缘胶与1mL稀释剂进行稀释后使用；

(2)安装压电模块：

当压电晶片的数量为6片时，首先把其中的3片压电晶片以负极相对、正极相对的方式并联叠加到一起，压电晶片之间加入电极片，两路电极片的连接线分别折叠，一路电极片的电极分别插入压电晶片的正极之间，该路电极片与装配基面相接触，与质量块A绝缘；另一路电极片插入压电晶片的负极之间，该路电极片与质量块A相接触，与装配基面绝缘，形成晶组A；

剩下的3片压电晶片，也以负极相对、正极相对的方式并联叠加到一起，压电晶片之间加入电极片，两路电极片的连接线分别折叠，一路电极片的电极分别插入压电晶片的正极之间，该路电极片与装配基面相接触，与质量块B绝缘；另一路电极片插入压电晶片的负极之间，该路电极片与质量块B相接触，与装配基面绝缘，形成晶组B；

安装时，一端电极环插入相应位置后，可直接将连接线拗弯，将另一端的电极环插入相应位置，有效减少了传感器装配过程中的焊点；

将晶组A套入固化好的陶瓷管上，然后螺栓穿入装配基面的中心孔内，在装配基面另一侧，再依次套入晶组B和质量块B，最后将螺母螺纹拧入螺栓上预紧，将螺栓与螺母，螺母与质量块B焊接；

(3)制备双屏蔽高温铠装电缆：

将316不锈钢合金管拉直固定，0.3mm镍线穿入316不锈钢合金管中拉直，利用激光确定镍线位于316不锈钢合金管的中央位置，利用注入器将高纯氧化镁粉末置于316不锈钢合金管与镍线的缝隙中并压实，利用高温绝缘胶把两端开口密封，得到单层铠装电缆；

采用同样的方法，用夹具将置入到真空手套箱中的上述单层铠装电缆和Inconel601合金管拉直，固定好，单层铠装电缆插入到Inconel601合金管中不接触，利用注入器把高纯氧化镁粉末置于Inconel601合金管与单层铠装电缆之间的缝隙中并压实，利用高温绝缘胶把两端封口密封；

(4)将压电模块、外壳8和双屏蔽高温铠装电缆10置入惰性气体气氛箱中，惰性气体气氛箱中气体压力略大于一个大气压，将双屏蔽高温铠装电缆10插入到安装底座的通孔6中，利用夹具把双屏蔽高温铠装电缆10和安装底9座固定，双屏蔽高温铠装电缆10内的导线14作为信号线插入到质量块预留的深孔13中，点焊固定，外壳8套接入安装底座9上固定连接；

(5)通过激光焊接机将压电模块、外壳8和双屏蔽高温铠装电缆10焊接到一起，使之紧密接触无缝隙，得到传感器；

(6)将焊接好的传感器放入到高温箱中进行退火处理，退火温度为550～650℃。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。