一、核心问题：高温带来的直接挑战

1. 传感器核心 - 压电材料的性能衰减

• 问题：普通压电陶瓷（如PZT）的居里点通常在200-350°C之间。在650°C的高温下，这些材料会完全退极化，失去压电效应，导致传感器完全失效。

• 解决方案：

  • 选用特殊高温压电材料：必须选择使用居里点远超650°C的压电材料的传感器。常见的选择包括：

    • 石英晶体：天然石英的居里点高达573°C，但其灵敏度较低，且在573°C时会发生α-β相变，性能剧变，因此通常用于550°C以下。

    • 镓磷酸盐（GaPO₄）：居里点高达970°C，可在700°C下长期稳定工作，是650°C应用的理想选择之一。它具有与石英相似的性能但灵敏度更高。

    • 铌酸锂（LiNbO₃） / 钽酸锂（LiTaO₃）：居里点高（~1200°C和~600°C），但需要注意其具体型号和温度限制。

    • 单晶压电材料：如PIN-PMN-PT等，但成本极高。

2. 传感器结构 - 预紧力丧失与热膨胀

• 问题：

  • 预紧力丧失：传感器的压电晶片通常需要一定的预紧力来保证良好的线性度和频率响应。在高温下，用于施加预紧力的弹簧或螺栓会发生蠕变、松弛，导致预紧力减小，传感器灵敏度漂移甚至失效。

  • 不同材料热膨胀系数不匹配：传感器外壳、晶体、电缆、连接器等由不同材料制成。在剧烈温度变化下，各部件膨胀/收缩程度不同，会产生巨大的内应力，导致传感器结构损坏、开裂或性能不稳定。

• 解决方案：

  • 特殊结构设计：制造商采用高温合金（如因科镍合金Inconel）作为外壳和紧固件，这些材料在高温下仍能保持强度和弹性。

  • 差分膨胀补偿设计：精密的传感器会采用机械结构来补偿不同材料间的热膨胀差异，保持预紧力恒定。

  • 选择一体化绝缘设计：许多高温传感器将电缆和连接器与传感器本体做成一体式，避免多个连接界面带来的膨胀不匹配问题。

3. 电缆与连接器

• 问题：普通同轴电缆的绝缘层（如PTFE）在高温下会熔化、碳化。普通连接器的绝缘体也会失效，导致信号短路或噪声激增。

• 解决方案：

  • 使用高温专用电缆：必须采用矿物绝缘（MI）电缆（如氧化镁粉填充的不锈钢铠装电缆）或带有特殊高温绝缘层（如PFA、玻璃纤维、陶瓷）的电缆。这些电缆可长期耐受650°C甚至更高温度。

  • 使用高温连接器：选择金属外壳、陶瓷绝缘体的高温连接器。对于极端情况，最好采用焊接密封的一体化电缆，彻底消除连接器这个薄弱环节。

二、信号传输与测量问题

4. 低信噪比与高热噪声

• 问题：

  • 灵敏度降低：高温压电材料的压电常数通常较低，导致传感器本身的灵敏度较低。

  • 高阻抗源：压电传感器是高阻抗源，高温环境下电缆和传感器的绝缘电阻会显著下降（每升温10°C，绝缘电阻约下降一半）。

  • 热噪声（约翰逊-奈奎斯特噪声）：所有电阻元件都会产生与绝对温度的平方根成正比的热噪声。高温下，整个测量链路的噪声水平会显著升高，严重恶化信噪比（SNR）。

• 解决方案：

  • 使用ICP/IEPE型传感器（内置电路）：但请注意，传统ICP/IEPE传感器内部的放大电路无法在650°C下工作。解决方案是：

    • 远程电荷放大器：将电荷放大器放置在高温区域之外，通过低噪声电缆与传感器连接。放大器应尽量靠近传感器（例如放在设备平台上的接线盒内），以缩短高阻抗电缆的长度，减少噪声干扰。

  • 使用低噪声电缆并严格固定：高质量的低噪声电缆（本身带有石墨涂层等防摩擦电特性）至关重要。安装时，应将电缆牢固地固定在被测结构上，避免任何晃动（晃动会产生摩擦电噪声，淹没微弱的振动信号）。

5. 热瞬变效应（热冲击）

• 问题：当传感器本身温度发生剧烈变化时，压电晶体会产生巨大的热输出信号（毫伏甚至伏特级），这远大于振动产生的信号，会导致放大器饱和，在数分钟或数小时内都无法进行有效测量。

• 解决方案：

  • 控制温度变化速率：如果工艺允许，尽量减缓升温或降温的速度。

  • 使用热隔离块：在传感器和安装面之间加一个热隔离块（通常由钛合金等导热性较差的材料制成）。这不会改变最终的稳态温度，但可以极大地减缓传感器升温/降温的速率，从而减弱热冲击效应。

  • 数据后处理：在数据采集系统中设置高通滤波器，滤除热冲击产生的极低频信号。

三、安装与维护问题

6. 安装难题

• 问题：在高温设备上打孔安装本身就有难度。安装扭矩、安装表面平整度和清洁度会严重影响传感器的频率响应特性。

• 解决方案：

  • 严格按照厂家要求安装：使用扭矩扳手，达到规定的安装扭矩。

  • 确保安装面平整光滑：安装表面应进行打磨清理，确保没有油漆、氧化皮和污垢。

  • 使用高温粘接剂或陶瓷胶：如果无法打孔，可采用 stud welding （螺柱焊）或高温胶安装，但这会显著降低传感器的可用频率上限。

7. 校准与漂移

• 问题：高温传感器的灵敏度会在使用过程中发生漂移，且很难在650°C的实际工况下进行现场校准。

• 解决方案：

  • 定期离线校准：制定严格的计划，定期将传感器送检至具备高温校准能力的计量机构。

  • 相对比较法：在现场，可以使用一个已知良好的参考传感器与待测传感器在相近位置进行同步测量，通过对比来判断待测传感器的工作状态是否正常。