高温压电振动传感器：极端环境下的“感知先锋”

在现代工业的众多尖端领域，从核电站深处到喷气发动机燃烧室，从高超声速飞行器表面到重型机械内部，存在着大量极端高温环境。这些场景中的振动监测对于确保设备安全运行至关重要，但却面临着巨大挑战——常规传感器在高温下会迅速失效。

近日，北京科技大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、华中科技大学等单位联合在《物理学报》2025年第2期上发表了一篇题为《高温压电振动传感器及其压电材料研究进展》的综述文章，系统梳理了高温压电振动传感器及其关键材料的研究现状与发展趋势。本文将结合该综述，为大家通俗介绍这一在极端环境下发挥重要作用的技术。

高温振动传感器应用场景

（如果你对本文感兴趣，想深入了解相关技术细节，需要原文，请私信作者沟通交流）

一、为什么需要高温压电振动传感器？

振动传感器是现代工业中不可或缺的测量设备，能够将物体振动转化为电信号，广泛应用于核电、航空航天、轨道交通、国防军工等领域。

与其它类型的振动传感器相比，压电式传感器具有频率范围宽、动态范围大、结构简单、工作可靠、体积小等优势，已成为主流的振动传感技术。

然而，随着技术发展，越来越多的应用场景要求传感器能够在极端高温环境下长期稳定工作。例如：

核电领域：核反应堆内部需要监测振动情况，温度高、辐射强；

航空航天：飞机发动机工作时处于高温、高压、高转速环境；

国防军工：高超声速飞行器表面因空气摩擦温度急剧升高；

工业领域：机械设备状态监测与预测性维护。

这些应用场景的温度往往超过500℃，甚至达到1000℃以上，对传感器的耐温能力提出了极高要求。

二、压电传感器是如何工作的？

压电振动传感器通常由质量块、压电元件、弹性元件和信号调理电路组成。当传感器随被测物体振动时，质量块会产生惯性力，使压电元件发生形变。

由于压电效应，压电元件两个表面会产生异号电荷，形成电势差。通过测量这个电信号，就可以得到物体的振动加速度信息。

传感器的性能主要取决于其机械结构和电气特性。在设计过程中，需要在灵敏度、谐振频率、工作带宽等因素之间进行权衡，以满足不同应用场景的需求。

三、高温压电材料：传感器的核心

压电材料是传感器的核心元件，其性能直接决定了传感器的工作温度范围和可靠性。高温环境下，材料需要具备高居里温度、高压电常数、高电阻率和低介电损耗等特性。

1. 高温压电陶瓷

压电陶瓷因制备成本低、可大规模生产而最受商业欢迎。目前研究较多的高温压电陶瓷主要包括：

钙钛矿型材料：如锆钛酸铅（PZT）居里温度较低（约386℃），限制了其在高温环境中的应用。铋基钙钛矿材料（如BS-PT、BF-BT等）居里温度更高（可达500℃以上），但压电常数相对较低。

钨青铜结构材料：如铌酸铅（PbNb₂O₆）居里温度可达570℃，但压电性能较差，需要通过掺杂改性和工艺改进来提高性能。

铋层状结构材料：具有高居里温度（500–1000℃）、良好的温度稳定性和高电阻率，但压电常数较低（约20 pC/N），是目前高温传感器的重要选择。

（a）ABO₃钙钛矿结构示意图；（b）钨青铜结构示意图；（c）铋层状结构氧化物示意图

压电陶瓷的压电常数d33与居里温度Tc关系图

2. 高温压电单晶

压电单晶具有性能稳定、均匀性好、居里温度高等优点，有些甚至在熔化前都不会发生相变，非常适合高温应用。

石英晶体：最早使用的压电材料，化学物理性能稳定，但最高应用温度仅300℃，高于此温度性能会下降。

铌酸锂（LiNbO₃）：居里温度高达1150℃，但电阻率随温度升高而下降，限制其在600℃以上环境使用。

氮化铝（AlN）：具有优异的压电性能和高电阻率，熔点高达2200℃，且从室温到熔点不存在相变，是很有潜力的高温压电材料。

稀土硼酸盐晶体（ReCOB）：如YCOB晶体，具有优良的高温压电性能和高电阻率，1000℃时电阻率仍保持在10^7 Ω·cm以上，是目前最具应用潜力的超高温压电材料。

（a）单晶压电常数d33与居里温度/相变温度/熔点Tmax关系图；（b）不同压电材料的最大使用温度范围；（c,d）高温压电晶体电阻率随温度的变化

四、高温压电振动传感器的结构设计

根据不同的应用需求，压电振动传感器主要有三种设计结构：弯曲模式、压缩模式和剪切模式。

1. 弯曲模式传感器

采用悬臂梁结构，重量轻、灵敏度高、响应速度快，能够实现微米级尺度微弱信号的高速高精度检测，广泛用于测量低频和低加速度信号的场景。但结构较为脆弱，频率范围较窄。

压电振动传感器三种基本结构：（a）弯曲模式；（b）压缩模式；（c）剪切模式

2. 压缩模式传感器

结构简单、加工便捷、制作成本低，具有较高的强度和刚度，共振频率高，频带宽，能承受高水平瞬态振动。但对温度和力的变化敏感，底座弯曲或热膨胀容易引起测量误差。

3. 剪切模式传感器

结构较为复杂，但抗干扰能力强，宽温度范围内的性能稳定，提供了高电荷输出和灵敏度，是当前最流行的设计。按结构可分为平面剪切式、三角剪切式和环形剪切式三种。

五、国内外研究进展与差距

高温压电振动传感器的研究始于20世纪50年代，目前国外一些公司已生产出性能稳定的产品，最高使用温度可达815℃。

而国内研究起步较国外晚二十年，当前仅具备260℃和482℃两种系列传感器的批量生产能力。虽然已开发出最高使用温度达649℃的传感器，但还未能大批量应用，因此国内使用的超高温压电振动传感器产品基本上依赖于进口。

为了满足国内对高温压电振动传感器的迫切需求，自主研发设计具有高灵敏度、宽频响、高可靠性和稳定性的超高温压电振动传感器具有重要意义。

六、传感器校准与测试

为了验证传感器性能是否满足设计要求，需要搭建专门的校准测试系统，包括常温测试系统和高温测试系统。

高温测试系统相对复杂，需要在常温系统基础上增加加热设备。目前常用的高温校准方法有振动比较法和激光干涉振动绝对校准法。前者通过将待测传感器与标准传感器比较获得灵敏度，后者通过激光干涉仪将振动量级直接溯源到长度和时间等基本物理量，校准不确定度更小。

七、挑战与展望

尽管高温压电振动传感器技术取得了显著进展，但在实际应用中仍面临诸多挑战：

材料性能限制：压电陶瓷的压电性能和居里温度往往存在负相关关系；压电单晶压电常数低且制备工艺复杂。

高温稳定性问题：高温环境下材料电阻率下降，某些氧化物压电材料在高温密封环境中会缺氧产生氧空位，导致电阻率大大降低。

技术差距：国内尚未开发出能应用于600℃以上环境的成熟高温压电振动传感器，超高温传感器基本依赖进口。

产业化难题：需要将研究成果转化为实际应用，开发出成熟的高温压电振动传感器产品。

标准缺失：关于高温压电振动传感器的相关测试还没有国家标准。

未来，需要从材料研究、结构设计、工艺优化等方面继续努力，突破超高温振动传感技术瓶颈，加快国内压电传感技术发展。

结语

高温压电振动传感器作为极端环境下的“感知先锋”，在核电、航空航天、国防军工等领域具有不可替代的作用。通过国内外科研人员的不断努力，相信未来会有更多高性能、高可靠性的高温压电传感器问世，为我国重大装备和工程建设提供有力支撑。

该综述由北京科技大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、华中科技大学、中国航空发动机集团有限公司和海南大学的研究人员共同完成，得到了国家重点研发计划的资助，为我们全面了解高温压电振动传感器技术提供了重要参考。

选自微信公众号 传感诸葛孔明