[go: up one dir, main page]

CN107727311A - 等离子体压力传感器及系统 - Google Patents

等离子体压力传感器及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107727311A
CN107727311A CN201711248975.6A CN201711248975A CN107727311A CN 107727311 A CN107727311 A CN 107727311A CN 201711248975 A CN201711248975 A CN 201711248975A CN 107727311 A CN107727311 A CN 107727311A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure sensor
electrode
metal
plasma pressure
plasma
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711248975.6A
Other languages
English (en)
Inventor
李帆
王偲臣
杜娟
童志庭
张宏武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Original Assignee
Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Engineering Thermophysics of CAS filed Critical Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority to CN201711248975.6A priority Critical patent/CN107727311A/zh
Publication of CN107727311A publication Critical patent/CN107727311A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/16—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by photoelectric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L27/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring fluid pressure
    • G01L27/002—Calibrating, i.e. establishing true relation between transducer output value and value to be measured, zeroing, linearising or span error determination
    • G01L27/005—Apparatus for calibrating pressure sensors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

本发明提供了一种等离子体压力传感器，包括放电电极，所述放电电极包括两个金属电极和两个设置于所述金属电极表面的绝缘阻挡介质，所述放电电极用于在交流电源的驱动下，在两个绝缘阻挡介质之间产生等离子体。同时，本发明还提供了一种等离子体压力传感系统。能够减少阴极溅射，且不受质量惯性的影响，具有突破兆赫兹高频响应的潜力，能够有效降低电极表面的阴极溅射，防止电极损耗。

Description

等离子体压力传感器及系统
技术领域
本发明涉及高压气体放电、气动热力学领域，尤其涉及一种等离子体压力传感器及系统。
背景技术
实验测量技术在气动热力学研究中发挥重要作用，然而，由于压气机单级压比的持续攀升、涡轮前温度的不断提高导致的叶轮机械内部流动逆压梯度和顺压梯度边界层分离、动叶载荷径向变化、间隙泄漏涡轨迹的变化、激波位置的变迁、动静叶非定常干涉等物理现象，气动实验测量技术面临着诸多挑战，比如转子叶片高速旋转使得绝对坐标系下的测量必须具备高频率响应、狭小动静间隙等有限测量空间使得测量受感部必须具有微小尺寸、高速高温测量环境要求探针和传感器必须有很好的鲁棒性等。因此，动态测量技术水平决定着研究和设计水平，是美国麻省理工(MIT)、英国剑桥惠特尔实验室(Whittle)、苏黎世联邦理工学院(ETH)等国际著名科研机构和美国通用电气(GE)、英国罗罗(RR)、美国普惠(PW)、德国西门子(Siemens)、日本三菱(Mitsubishi)等著名公司在研发和设计过程中重点发展的技术之一。我国要想在航空发动机和燃气轮机行业加速发展，必须重视动态测量关键技术的开发，针对现有部件试验和整机测试需求，研制一批具有明确目标指向的高性能测量系统。
频响水平是决定动态测量系统性能的最关键指标。对压气机状态的实时监测对频响要求非常高，一些以突尖型失速先兆为失稳途径的发动机需要在数毫秒之内检测到压力或速度的异常脉动并启动相应的控制装置，为给机械作动机构留出响应时间，检测和判断必须在数十微秒之内完成，传感器的频响需求可能高达1MHz的级别，然而目前尚没有测量仪器能够满足这个要求的技术。此外，空间分辨率直接决定测量系统的精度和质量，现代航空发动机和燃气轮机的三维内部流动结构不仅复杂，其狭小的流动空间对测量系统受感部的尺寸提出了更加苛刻的要求，随着以CFD为依托的智能优化设计理论和新的设计准则逐步取代过去以简化理论模型加经验公式的设计模式，采用准确的实验数据校正数值模拟方法是今后在设计阶段就兼顾非定常因素的必要条件。现今各种先进的CFD技术如大涡模拟(LES)、湍流模型脱体涡模拟(DES)、直接N-S方程模拟(DNS)等等层出不穷，角区、泄漏流等复杂流动的CFD模拟能力越来越强，计算精度也越来越高。然而，CFD计算的准确度最终必须得到真实流场高精度测量数据的验证，而现有的测量手段只能给出大尺度上的空间离散和时间平均的结果，在校核先进CFD计算的结果的正确性方面还需在实验测试技术和方法上向前迈进一步。要解决以上科学与技术问题，研制开发兼顾超高频响(1MHz以上)和微小尺寸的动态测量仪器就成为必需。
表1动态压力测量技术现状与对比
现有的非定常气体流动参数测量技术种类繁多，但各有其限制，例如，电阻式压力传感器[1]作为最广泛使用的压力传感器，为流体力学实验技术和基础理论的发展做出了巨大贡献，基于其发展的动态气动探针技术，被广泛应用在叶轮机械中测量，但由于受元器件质量惯性的影响，其可用的动态响应频率很难突破500kHz，且在高温环境中的温度漂移现象严重影响测量精度；热线风速仪作为高时空分辨率气流动态速度测量仪器，占据了垄断性的市场地位，但热线材料在高压和高速流动环境中容易损坏，大大降低了其工程实用性；近些年来，压敏漆(PSP)、激光多普勒测速仪(LDV)、粒子成相测速仪(PIV)等非接触式测量技术发展迅速，但它们的测量精度和可靠性还不能满足需求，且在恶劣的测量环境中操作十分不便。
早在1934年，当时还在冯·卡门领导之下的加州理工学院，就分别对暗电流放电、辉光放电理论进行了探究，提出用等离子体辉光放电原理来制作高频响速度探针。等离子体探针研制的最早期，由于直流电源使用方便，容易控制电流(2-25mA)和电压范围(300-700V)，因此最初试制的是直流辉光放电风速计。但是直流驱动有一个致命的缺点，即随着辉光放电的进行，会由于阴极溅射引起电极损耗，进而影响校准和操控。有关阴极溅射的原因，比较合理的解释是离子轰击理论和热蒸发理论的结合。电极表面的任何不光滑部分，都会影响辉光放电的稳定性。凸起或凹陷部位都会引起电场梯度不连续性，从而电子聚焦在这些点上，导致局部温度升高，融化电极，这是产生溅射的原因之一。此外由于离子轰击的作用，阴极表面会产生局部高温(可达1500～3000K)，由于金属阴极材料导热性非常好，因此被加热的微元部分在很短的时间内将蒸发(溅射)。
因此，从等离子体压力传感器长期使用角度出发，必须解决阴极溅射问题，保证电极表面状态和电极间隙不受放电时间的影响，所以日后人们开始研究交流驱动激励裸电极辉光放电。因此，Vrebalovich于1954年研究了使用交流驱动辉光放电的风速计，解决了直流辉光放电的非对称燃烧和溅射问题，可以保持表面光滑稳定工作一个小时。美国圣母大学(University of Notre Dame)的Corke团队同样开展了相关的研究工作，研究者在2005年前后，设计了一个由载波频率为2MHz的交流电驱动的等离子体风速计。
然而，即便是交流驱动激励辉光放电，裸电极仍然会存在阴极溅射现象，而电极表面状态和电极间隙是影响传感器特性至关重要的两个因素，也是实验数据误差的主要来源。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种等离子体压力传感器及系统，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明的一方面，提供了一种等离子体压力传感器，包括放电电极，所述放电电极包括两个金属电极和两个设置于所述金属电极表面的绝缘阻挡介质，所述放电电极用于在交流电源的驱动下，在两个绝缘阻挡介质之间产生等离子体。
在本发明的一些实施例中，所述绝缘阻挡介质的材料为石英和/或陶瓷；和/或所述金属电极的材料为稀有金属或者耐腐蚀耐高温的合金金属。
在本发明的一些实施例中，所述放电电极不超出所述绝缘套管的端口。
在本发明的一些实施例中，当绝对压力为0.03～0.1MPa时，两个金属电极的间隙为200～300μm；当绝对压力为0.1～3.0MPa时，两个金属电极的间隙为10～100μm。
在本发明的一些实施例中，还包括；绝缘套管，套接于所述放电电极的外表面，用于支撑和隔离所述放电电极，保证金属电极之间具有间隙，且将金属电极隔离开，以防止爬电；以及金属套管，套接于所述绝缘套管的外表面，用于保证绝缘套管内的整体强度。
在本发明的一些实施例中，所述固定组件包括：螺母，套接于所述金属套管的外表面；以及非金属套管，紧邻所述螺母远离放电电极的一侧，套接于所述金属套管的外表面。
在本发明的一些实施例中，还包括：固定组件，套接于所述金属套管的外表面，用于固定所述金属套管；以及接线底座，紧邻所述固定组件远离绝缘阻挡介质的一侧，且与交流电源连接，用于为所述放电电极提供电压驱动。
本发明的另一发明，还提供了一种等离子体压力传感系统，包括前述的等离子体压力传感器，还包括外电路，所述外电路包括：交流电源，与所述等离子体压力传感器连接，用于为所述放电电极供电；调制解调模块，与所述等离子体压力传感器连接，用于对所述等离子体压力传感器的输出电压进行调制和解调，确定解调信号；以及处理模块，用于采集所述解调信号以及等离子体压力传感器的电流，以及对其进行后续的处理。
在本发明的一些实施例中，所述采集处理单元包括：放大器，用于对所述解调信号进行降压，得到降压信号；示波器，用于显示所述降压信号；以及采集处理单元，用于采集所述降压信号以及等离子体压力传感器的电流，以及对其进行后续的处理。
在本发明的一些实施例中，所述等离子体压力传感系统还包括标定模块，用于对所述等离子体压力传感器进行静态标定和激波管动态标定。
(三)有益效果
本发明的等离子体压力传感器及系统，相较于现有技术，至少具有以下优点：
1、通过在金属电极表面设置绝缘阻挡介质，隔离两个金属电极，减少阴极溅射，避免电极损耗，既能保证辉光放电具有足够长的稳定时间，也能保证传感器具有足够长的使用寿命。
2、使用射频交流电源驱动辉光放电，比直流电源驱动能量密度更高，辉光放电更稳定，遇到强气流影响时，不容易熄灭。
3、本发明提供的基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器，通过将传感器布置在高负荷压气机叶片顶部，感受壁面压力波动，能够实现对压气机叶顶端区的高频动态压力测量，捕捉失速先兆以及前失速先兆。
4、通过将该传感器阵列布置在压气机叶顶壁面不同的轴向位置，测量壁面压力，最终能够借助于锁相平均方法数据处理方法，测量得到转子叶顶静压流场的定常图谱和叶顶压力波动强度
附图说明
图1为本发明实施例的等离子体压力传感器的放电电极的结构示意图；
图2为本发明实施例的等离子体压力传感器的放电电极的工作原理示意图。
图3为本发明实施例的等离子体压力传感器的结构示意图；
图4为本发明实施例的等离子体压力传感器的部分组件的分离示意图；
图5为本发明实施例的等离子体压力传感系统的结构示意图；
图6为本发明实施例的等离子体压力传感系统的等效电路示意图；
图7为本发明实施例的等离子体压力传感系统的工作过程示意图；
图8为本发明实施例的高气压静态标定系统的结构示意图；
图9为本发明实施例的激波管动态标定系统的结构示意图；
图10为本发明实施例的等离子体压力传感系统的电压-气压的关系示意图。
具体实施方式
基于现有技术的阴极溅射导致电极损耗的技术问题，本发明提供了一种等离子体压力传感器及系统，包括放电电极，所述放电电极包括两个金属电极和两个设置于所述金属电极表面的绝缘阻挡介质，所述放电电极用于在交流电源的驱动下，在两个绝缘阻挡介质之间产生等离子体。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
图1为本发明实施例的放电电极的结构示意图，如图1所示，该等离子体压力传感器包括放电电极，所述放电电极包括两个金属电极1和两个设置于所述金属电极1表面的绝缘阻挡介质2，所述放电电极用于在交流电源的驱动下，在两个绝缘阻挡介质2之间产生等离子体，从而能够减少阴极溅射。
一般来说，所述金属电极1为稀有金属(例如铂、钽或铱等)或者耐腐蚀耐高温的合金金属(例如铂铑合金、铱铂合金、铂钨合金等)。因为如果金属电极1表面的有任何不光滑部分，都会影响辉光发电的稳定性。凸起或凹陷部位都会引起电场梯度不连续性，从而电子聚焦在这些点上，导致局部温度升高，融化电极，这是产生溅射的原因之一。因此，制造工艺上电极表面越光滑，辉光发电稳定性也就越好。
金属电极1可以选取不同电极形状，得到电压值与气压的校准曲线，可以知道不同电极形状对应的比较敏感的气压范围，进而将其选择性可以应用到不同的流场中。电极结构可为圆柱、半圆形、方形、平坦形、对称式、非对称式等各种形状。
所述绝缘阻挡介质2的高度优选为0.5～1mm，厚度d2一般为0.05～0.2mm。需要注意的是，放电面积A是由金属电极1的直径与绝缘阻挡介质2的高度决定的。在本发明实施例中，金属电极1选择圆形电极，为保证足够高的灵敏度及足够小的传感器尺寸，金属电极1的直径D通常为0.4～0.8mm。优选地，两个绝缘阻挡介质2平行放置，且相对面的粗糙度越小越好，如此，便能使得在两个绝缘阻挡介质2之间产生均匀的等离子体，减少阴极溅射。
两个金属电极1之间的电极间隙d1是由所测量的压力范围决定的。当绝对压力为0.03～0.1MPa(低气压范围)时，电极间隙d1一般为200～300μm；当绝对压力为0.1～3.0MPa时(高气压范围)，电极间隙d1一般为10～100μm。
图2为本发明实施例的放电电极的工作原理示意图，如图2所示，在两个金属电极1表面各镀一层耐高温耐烧蚀的绝缘阻挡介质2(比如石英或者陶瓷等)。在其他实施例中也可以采用PVD物理气相沉积技术，将绝缘阻挡介质2覆盖到两个金属电极1上，保证紧密结合，不存在任何间隙。
这样做是因为裸金属电极1有一个致命的缺点，即随着辉光放电的进行，会由于阴极溅射引起电极损耗，进而影响校准和操控。该放电电极结构采用绝缘阻挡介质2分离两个金属电极1，能够有效降低电极表面的阴极溅射，保证电极间隙，从而提高测量精度和寿命。
图3为本发明实施例的等离子体压力传感器的结构示意图，如图3所示，该等离子体压力传感器还包括：绝缘套管3、金属套管4、固定组件和接线底座7。
绝缘套管3套接于所述放电电极的外表面，用于支撑和隔离两个放电电极，保证电极之间具有稳定的间隙(即放电空间)，以及隔离所述放电电极与外界，以防止爬电。在本发明实施例中，其外径尺寸为1mm，材料选取耐高温不易变形的非金属，比如聚四氟乙烯等。
所述放电电极不超出所述绝缘套管3的端口，也就是说，放电电极(包括金属电极1及表面的绝缘阻挡介质2)与防爬电绝缘套管3顶端平齐(或略矮于防爬电绝缘套管3)，使产生的等离子体不裸露于外界空气中，因此可以不受外界气流速度的影响，只感受外界气压的变化。
金属套管4，可以为带有螺纹，从而配合后续固定组件中的螺母5。其一般采用易加工且具有一定强度的金属，如铜、不锈钢等。且该金属套管4套接于所述绝缘支撑柱的外表面，用于保证所述放电电极与绝缘支撑柱的整体强度。
图4为本发明实施例的部分组件的分离示意图，如图4所示，
固定组件，套接于所述金属套管4的外表面，用于固定所述金属套管4，这样能够将传感器精准地固定到压气机机匣。
在一些实施例中，所述固定组件可以包括：
螺母5，套接于所述金属套管4的外表面；以及
非金属套管6，紧邻所述螺母5远离放电电极的一侧，套接于所述金属套管4的外表面。
接线底座7，紧邻所述固定组件远离绝缘阻挡介质2的一侧，且与交流电源连接，用于为所述放电电极提供电压驱动。还可以在接线底座7上一底座孔，从而将交流电压接入该等离子体压力传感器。
图1为本发明实施例的放电电极的结构示意图，如图1所示，该等离子体压力传感器包括放电电极，所述放电电极包括两个金属电极1和两个设置于所述金属电极1表面的绝缘阻挡介质2，所述放电电极用于在交流电源的驱动下，在两个绝缘阻挡介质2之间产生等离子体，从而能够减少阴极溅射。
一般来说，所述金属电极1为稀有金属(例如铂、钽或铱等)或者耐腐蚀耐高温的合金金属(例如铂铑合金、铱铂合金、铂钨合金等)。因为如果金属电极1表面的有任何不光滑部分，都会影响辉光发电的稳定性。凸起或凹陷部位都会引起电场梯度不连续性，从而电子聚焦在这些点上，导致局部温度升高，融化电极，这是产生溅射的原因之一。因此，制造工艺上电极表面越光滑，辉光发电稳定性也就越好。
金属电极1可以选取不同电极形状，得到电压值与气压的校准曲线，可以知道不同电极形状对应的比较敏感的气压范围，进而将其选择性可以应用到不同的流场中。电极结构可为圆柱、半圆形、方形、平坦形、对称式、非对称式等各种形状。
所述绝缘阻挡介质2的高度优选为0.5～1mm，厚度d2一般为0.05～0.2mm。需要注意的是，放电面积A是由金属电极1的直径与绝缘阻挡介质2的高度决定的。在本发明实施例中，金属电极1选择圆形电极，为保证足够高的灵敏度及足够小的传感器尺寸，金属电极1的直径D通常为0.4～0.8mm。优选地，两个绝缘阻挡介质2平行放置，且相对面的粗糙度越小越好，如此，便能使得在两个绝缘阻挡介质2之间产生均匀的等离子体，减少阴极溅射。
两个金属电极1之间的电极间隙d1是由所测量的压力范围决定的。当绝对压力为0.03～0.1MPa(低气压范围)时，电极间隙d1一般为200～300μm；当绝对压力为0.1～3.0MPa时(高气压范围)，电极间隙d1一般为10～100μm。
图2为本发明实施例的放电电极的工作原理示意图，如图2所示，在两个金属电极1表面各镀一层耐高温耐烧蚀的绝缘阻挡介质2(比如石英或者陶瓷等)。在其他实施例中也可以采用PVD物理气相沉积技术，将绝缘阻挡介质2覆盖到两个金属电极1上，保证紧密结合，不存在任何间隙。
这样做是因为裸金属电极1有一个致命的缺点，即随着辉光放电的进行，会由于阴极溅射引起电极损耗，进而影响校准和操控。该放电电极结构采用绝缘阻挡介质2分离两个金属电极1，能够有效降低电极表面的阴极溅射，保证电极间隙，从而提高测量精度和寿命。
图3为本发明实施例的等离子体压力传感器的结构示意图，如图3所示，该等离子体压力传感器还包括：绝缘套管3、金属套管4、固定组件和接线底座7。
绝缘套管3套接于所述放电电极的外表面，用于支撑和隔离两个放电电极，保证电极之间具有稳定的间隙(即放电空间)，以及隔离所述放电电极与外界，以防止爬电。在本发明实施例中，其外径尺寸为1mm，材料选取耐高温不易变形的非金属，比如聚四氟乙烯等。
所述放电电极不超出所述绝缘套管3的端口，也就是说，放电电极(包括金属电极1及表面的绝缘阻挡介质2)与防爬电绝缘套管3顶端平齐(或略矮于防爬电绝缘套管3)，使产生的等离子体不裸露于外界空气中，因此可以不受外界气流速度的影响，只感受外界气压的变化。
金属套管4，可以为带有螺纹，从而配合后续固定组件中的螺母5。其一般采用易加工且具有一定强度的金属，如铜、不锈钢等。且该金属套管4套接于所述绝缘支撑柱的外表面，用于保证所述放电电极与绝缘支撑柱的整体强度。
图4为本发明实施例的部分组件的分离示意图，如图4所示，
固定组件，套接于所述金属套管4的外表面，用于固定所述金属套管4，这样能够将传感器精准地固定到压气机机匣。
在一些实施例中，所述固定组件可以包括：
螺母5，套接于所述金属套管4的外表面；以及
非金属套管6，紧邻所述螺母5远离放电电极的一侧，套接于所述金属套管4的外表面。
接线底座7，紧邻所述固定组件远离绝缘阻挡介质2的一侧，且与交流电源连接，用于为所述放电电极提供电压驱动。还可以在接线底座7上一底座孔，从而将交流电压接入该等离子体压力传感器。
图1为本发明实施例的放电电极的结构示意图，如图1所示，该等离子体压力传感器包括放电电极，所述放电电极包括两个金属电极1和两个设置于所述金属电极1表面的绝缘阻挡介质2，所述放电电极用于在交流电源的驱动下，在两个绝缘阻挡介质2之间产生等离子体，从而能够减少阴极溅射。
一般来说，所述金属电极1为稀有金属(例如铂、钽或铱等)或者耐腐蚀耐高温的合金金属(例如铂铑合金、铱铂合金、铂钨合金等)。因为如果金属电极1表面的有任何不光滑部分，都会影响辉光发电的稳定性。凸起或凹陷部位都会引起电场梯度不连续性，从而电子聚焦在这些点上，导致局部温度升高，融化电极，这是产生溅射的原因之一。因此，制造工艺上电极表面越光滑，辉光发电稳定性也就越好。
金属电极1可以选取不同电极形状，得到电压值与气压的校准曲线，可以知道不同电极形状对应的比较敏感的气压范围，进而将其选择性可以应用到不同的流场中。电极结构可为圆柱、半圆形、方形、平坦形、对称式、非对称式等各种形状。
所述绝缘阻挡介质2的高度优选为0.5～1mm，厚度d2一般为0.05～0.2mm。需要注意的是，放电面积A是由金属电极1的直径与绝缘阻挡介质2的高度决定的。在本发明实施例中，金属电极1选择圆形电极，为保证足够高的灵敏度及足够小的传感器尺寸，金属电极1的直径D通常为0.4～0.8mm。优选地，两个绝缘阻挡介质2平行放置，且相对面的粗糙度越小越好，如此，便能使得在两个绝缘阻挡介质2之间产生均匀的等离子体，减少阴极溅射。
两个金属电极1之间的电极间隙d1是由所测量的压力范围决定的。当绝对压力为0.03～0.1MPa(低气压范围)时，电极间隙d1一般为200～300μm；当绝对压力为0.1～3.0MPa时(高气压范围)，电极间隙d1一般为10～100μm。
图2为本发明实施例的放电电极的工作原理示意图，如图2所示，在两个金属电极1表面各镀一层耐高温耐烧蚀的绝缘阻挡介质2(比如石英或者陶瓷等)。在其他实施例中也可以采用PVD物理气相沉积技术，将绝缘阻挡介质2覆盖到两个金属电极1上，保证紧密结合，不存在任何间隙。
这样做是因为裸金属电极1有一个致命的缺点，即随着辉光放电的进行，会由于阴极溅射引起电极损耗，进而影响校准和操控。该放电电极结构采用绝缘阻挡介质2分离两个金属电极1，能够有效降低电极表面的阴极溅射，保证电极间隙，从而提高测量精度和寿命。
图3为本发明实施例的等离子体压力传感器的结构示意图，如图3所示，该等离子体压力传感器还包括：绝缘套管3、金属套管4、固定组件和接线底座7。
绝缘套管3套接于所述放电电极的外表面，用于支撑和隔离两个放电电极，保证电极之间具有稳定的间隙(即放电空间)，以及隔离所述放电电极与外界，以防止爬电。在本发明实施例中，其外径尺寸为1mm，材料选取耐高温不易变形的非金属，比如聚四氟乙烯等。
所述放电电极不超出所述绝缘套管3的端口，也就是说，放电电极(包括金属电极1及表面的绝缘阻挡介质2)与防爬电绝缘套管3顶端平齐(或略矮于防爬电绝缘套管3)，使产生的等离子体不裸露于外界空气中，因此可以不受外界气流速度的影响，只感受外界气压的变化。
金属套管4，可以为带有螺纹，从而配合后续固定组件中的螺母5。其一般采用易加工且具有一定强度的金属，如铜、不锈钢等。且该金属套管4套接于所述绝缘支撑柱的外表面，用于保证所述放电电极与绝缘支撑柱的整体强度。
图4为本发明实施例的部分组件的分离示意图，如图4所示，
固定组件，套接于所述金属套管4的外表面，用于固定所述金属套管4，这样能够将传感器精准地固定到压气机机匣。
在一些实施例中，所述固定组件可以包括：
螺母5，套接于所述金属套管4的外表面；以及
非金属套管6，紧邻所述螺母5远离放电电极的一侧，套接于所述金属套管4的外表面。
接线底座7，紧邻所述固定组件远离绝缘阻挡介质2的一侧，且与交流电源连接，用于为所述放电电极提供电压驱动。还可以在接线底座7上一底座孔，从而将交流电压接入该等离子体压力传感器。
图5为本发明实施例的等离子体压力传感系统的结构示意图，如图5所示，该等离子体压力传感系统包括前述的等离子体压力传感器，还包括外电路，该外电路包括交流电源、调制解调模块和处理模块。
交流电源，其频率范围为kHz到MHz，与所述等离子体压力传感器连接，用于为所述放电电极供电，电压探头(放大器)可以采用1000∶1的比例将等离子体激励器的高电压值衰减为低电压。使用交流电源驱动辉光放电，比直流电源驱动能量密度更高，辉光放电更稳定，遇到强气流影响时，不容易熄灭。在本发明实施例中，选择频率在MHz级别的射频电源。
在本发明实施例中，使用射频高压交流电源，其电压范围在300～2000V(有效值)，启动电源功率在10～20W，稳定工作电源功率在1～5W。测量所得到电压和电流数据，都通过高频同轴电缆(波阻抗为50Ω)传输到一台数字存储示波器或高速高精度采集板卡记录下来，以方便后续的数据处理。
调制解调模块，与所述等离子体压力传感器连接，用于对所述等离子体压力传感器的输出电压进行调制和解调，确定解调信号.。对信号调制解调来说，将在保证信噪比的基础上，对载波频率和电极电压波动耦合的的信号进行信号调理，得到与气压对应的电极压力信号。
处理模块，用于采集所述解调信号以及等离子体压力传感器的电流，以及对其进行后续的处理。在一些实施例中，处理模块可以包括放大器、示波器和采集处理单元。
放大器(高压探头)，用于对所述解调信号进行降压，得到降压信号；
示波器，用于显示所述降压信号；以及
采集处理单元，用于采集所述降压信号以及等离子体压力传感器的电流，以及对其进行后续的处理。
对数据采集来说，DPO3034数字荧光彩色示波器带宽为300MHz，采集速度为2.5GS/s，5M记录长度，有4个模拟输入通道。电流、电压和此时放电室中的压力也可以通过高速采集板卡输入到计算机中。
图6为本发明实施例的等离子体压力传感系统的等效电路示意图，如图6所示，高压交流高压交流电源Ua，同时具有电阻和电容特性的等离子体压力传感器Glow和电流采样电阻Ri。放电电极之间的等离子体由高压交流高压交流电源驱动Ua驱动。传感器工作时，维持电压范围为300～450V(有效值)，传感器功率在0.3～4.5W。电压探头采用1000∶1的比例将高电压值衰减为低电压。
通过测量一个已知电阻值的无感电阻(即电流采样电阻Ri)上的电压，可以知道电路中的总电流(包括气隙等效电容上的位移电流和气体放电电流)。该无感电阻(电流采样电阻Ri)串接在裸电极辉光放电的阴极电极和电路地之间。为了减少外界的电磁干扰，该无感电阻放置在一个金属屏蔽盒内，该无感电阻(电流采样电阻Ri)可选用阻值为2.5Ω～1000Ω的低感金属膜电阻。
实验中，可通过示波器高压探头直接测量传感器两端的电压Ugas及电流采样电阻Ri两端的电压Ui，由此换算得到电路中的电流大小为：I＝Ui/Ri。
其中，该激励电源可以选用宽频可调频率高压交流电源，可调电压范围0～5KV，功率500W，可调频率范围kHz～MHz级别。电压探头采用1000∶1的比例将等离子体激励器的高电压值衰减为低电压。
图7为本发明实施例的等离子体压力传感系统的工作过程示意图，如图7所示，当给两个金属电极两端施加高压时，便会将电极间隙内的空气击穿，产生蓝色的等离子体，当外界气压发生变化时，间隙内的电子、离子运动也会相应发生变化，由此反应到电压的变化上，由标准的正弦波变成不规则的波形。这便是利用等离子体测量气体压力的基本原理。由气体放电理论可知，极间电压U是电路电流I、电极间隙d、气流压力脉动P的一个函数。电压U对压力P的动态响应，理论极限频响f由电子在间隙内往返的时间T决定：f＝1/T。交流电压为500Vrms，间隙为0.08mm时，电子最大速度为1000m/s，因此电子穿越间隙的周期时间大约为6×10-8s，由此得出极限频率为15MHz。且在0.5～30bar气压范围内，电极间隙d＜0.3mm，远小于压阻传感器硅膜片国际最小尺寸(1mm*1mm)。
另外，为了使得该等离子体压力传感系统有更高响应频率和线性灵敏度，在一些实施例中，该等离子体压力传感系统还可以包括标定模块，用于对所述等离子体压力传感器进行静态标定以获得线性灵敏度，以及对激波管动态标定以获得更高响应频率。
图8为本发明实施例的高气压静态标定系统的结构示意图，如图8所示，高气压静态标定系统的放电室为圆柱形压力容器，设计压力(绝对压力)为0-1000kPa；利用气泵使放电室内的气压在可控范围内变化，从而为放电提供不同的压力环境。标定实验时，首先，大气压条件下固定某一间隙和电流，得到稳定柔和的辉光放电，测量维持电压(或电源功率)随放电时间的变化曲线，以研究和确认利用等离子体测量气压的稳定性。接着，改变电极间隙，研究不同间隙的传感器维持电压(或电源功率)对气压变化的响应规律。具体操作方法为：通过调节外加电压的幅值，保持电流不变，改变放电室气压，记录放电室内气压及辉光放电稳定后的电压值(或电源功率)。一组结束之后，再改变电极间隙，重复上述过程，便可以得到不同电极间隙时的气压与传感器两端电压(或电源功率)的关系曲线。
图9为本发明实施例的激波管动态标定系统的结构示意图，如图9所示，本发明的微等离子体压力传感器具有目前别的仪器所无法具有的频率响应。由于没有比我们仪器更高频响的可参照的仪器，超高频动态标定技术是另一个关键技术问题。采用已知的阶跃或脉冲信号激发出被标定系统的所有固有频率，从而得到宽频带的传递函数，这是高频系统标定的有效方法。拟采用的激波管标定系统，其阶跃信号上升时间小于0.1微秒，可对10MHz量级的动态频响进行标定。
可以理解的是，在某段时间内，计算得到各个时间点的平均电压值，即可完成本发明的等离子体压力传感器的静态标定。
图10为本发明实施例的等离子体压力传感系统的电压-气压的关系示意图，如图10所示，其中d1＝50μm时，P1～P2之间的电压变化最大，且最呈线性状态，具有较好的灵敏度。在高压交流条件下的等离子体敏感元件的电压U与动态压力P的函数关系由电极间隙、绝缘阻挡介质的厚度d2、高压交流电源功率和电压等电参数决定。U-P特性曲线是决定压力传感器线性度和灵敏度的关键，前期的理论研究发现，等离子体探针的U和P存在抛物线的关系。在某一压力量程范围内，为了追求最好的线性度和灵敏度，电极间隙、绝缘阻挡介质厚度存在一个最佳值。因此，我们需要研究敏感元件的关键：电极间隙和绝缘阻挡介质的厚度U-P特性曲线的影响规律，围绕敏感元件的尺寸进行多参数耦合分析，确定不同量程范围内的敏感元件关键参数。
本发明提供的高频响应的等离子体压力传感器比传统压阻式传感器的优势在于，能够减少阴极溅射，避免电极损耗，不受质量惯性的影响，具有突破MHz高频响的性质。且本发明不仅适应叶轮机械测量和设计日益精细化的发展需求，能够为校核先进CFD计算结果的正确性提供更为更丰富的实验数据，同时也可以丰富和发展气体放电理论，具有重要的科学意义和工业应用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体压力传感器，包括放电电极，所述放电电极包括两个金属电极和两个设置于所述金属电极表面的绝缘阻挡介质，所述放电电极用于在交流电源的驱动下，在两个绝缘阻挡介质之间产生等离子体。
2.根据权利要求1所述的等离子体压力传感器，其中，所述绝缘阻挡介质的材料为石英和/或陶瓷；和/或
所述金属电极的材料为稀有金属或者耐腐蚀耐高温的合金金属。
3.根据权利要求1所述的等离子体压力传感器，其中，所述放电电极不超出所述绝缘套管的端口。
4.根据权利要求1所述的等离子体压力传感器，其中，当绝对压力为0.03～0.1MPa时，两个金属电极的间隙为200～300μm；当绝对压力为0.1～3.0MPa时，两个金属电极的间隙为10～100μm。
5.根据权利要求1所述的等离子体压力传感器，其中，还包括；
绝缘套管，套接于所述放电电极的外表面，用于支撑和隔离所述放电电极，保证金属电极之间具有间隙，且将金属电极隔离开，以防止爬电；以及
金属套管，套接于所述绝缘套管的外表面，用于保证绝缘套管内的整体强度。
6.根据权利要求5所述的等离子体压力传感器，其中，所述固定组件包括：
螺母，套接于所述金属套管的外表面；以及
非金属套管，紧邻所述螺母远离放电电极的一侧，套接于所述金属套管的外表面。
7.根据权利要求5或6所述的等离子体压力传感器，其中，还包括：
固定组件，套接于所述金属套管的外表面，用于固定所述金属套管；以及
接线底座，紧邻所述固定组件远离绝缘阻挡介质的一侧，且与交流电源连接，用于为所述放电电极提供电压驱动。
8.一种等离子体压力传感系统，包括如权利要求1至7任一所述的等离子体压力传感器，还包括外电路，所述外电路包括：
交流电源，与所述等离子体压力传感器连接，用于为所述放电电极供电；
调制解调模块，与所述等离子体压力传感器连接，用于对所述等离子体压力传感器的输出电压进行调制和解调，确定解调信号；以及
处理模块，用于采集所述解调信号以及等离子体压力传感器的电流，以及对其进行后续的处理。
9.根据权利要求8所述的等离子体压力传感系统，其中，所述采集处理单元包括：
放大器，用于对所述解调信号进行降压，得到降压信号；
示波器，用于显示所述降压信号；以及
采集处理单元，用于采集所述降压信号以及等离子体压力传感器的电流，以及对其进行后续的处理。
10.根据权利要求8所述的等离子体压力传感系统，其中，所述等离子体压力传感系统还包括标定模块，用于对所述等离子体压力传感器进行静态标定和激波管动态标定。
CN201711248975.6A 2017-11-30 2017-11-30 等离子体压力传感器及系统 Pending CN107727311A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711248975.6A CN107727311A (zh) 2017-11-30 2017-11-30 等离子体压力传感器及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711248975.6A CN107727311A (zh) 2017-11-30 2017-11-30 等离子体压力传感器及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107727311A true CN107727311A (zh) 2018-02-23

Family

ID=61220830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711248975.6A Pending CN107727311A (zh) 2017-11-30 2017-11-30 等离子体压力传感器及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107727311A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108518391A (zh) * 2018-04-08 2018-09-11 西安交通大学 一种低电压驱动的高效能等离子体气动激励器
CN108946881A (zh) * 2018-07-03 2018-12-07 西安航科等离子体科技有限公司 一种用于水的杀菌消毒方法及装置
CN110243536A (zh) * 2019-07-19 2019-09-17 中国科学院工程热物理研究所 一种等离子体压力传感器及压力传感系统
CN111263503A (zh) * 2019-12-11 2020-06-09 厦门大学 一种等离子体气动探针及其测量系统
CN115230945A (zh) * 2022-09-15 2022-10-25 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种飞机机翼自适应流动分离控制方法、系统及存储介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012211869A (ja) * 2011-03-31 2012-11-01 Azbil Corp 圧力センサ装置
CN103884467A (zh) * 2014-04-14 2014-06-25 中国科学院工程热物理研究所 等离子体压力探针及利用其测量压力的系统
CN105903321A (zh) * 2016-06-13 2016-08-31 山东大学 一种低能耗低温等离子气体反应装置
CN106535455A (zh) * 2017-01-06 2017-03-22 唐山铸锐科技有限公司 一种放电极及其制造方法
CN107389255A (zh) * 2017-07-11 2017-11-24 中国科学院工程热物理研究所 基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012211869A (ja) * 2011-03-31 2012-11-01 Azbil Corp 圧力センサ装置
CN103884467A (zh) * 2014-04-14 2014-06-25 中国科学院工程热物理研究所 等离子体压力探针及利用其测量压力的系统
CN105903321A (zh) * 2016-06-13 2016-08-31 山东大学 一种低能耗低温等离子气体反应装置
CN106535455A (zh) * 2017-01-06 2017-03-22 唐山铸锐科技有限公司 一种放电极及其制造方法
CN107389255A (zh) * 2017-07-11 2017-11-24 中国科学院工程热物理研究所 基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108518391A (zh) * 2018-04-08 2018-09-11 西安交通大学 一种低电压驱动的高效能等离子体气动激励器
CN108518391B (zh) * 2018-04-08 2020-01-31 西安交通大学 一种低电压驱动的高效能等离子体气动激励器
CN108946881A (zh) * 2018-07-03 2018-12-07 西安航科等离子体科技有限公司 一种用于水的杀菌消毒方法及装置
CN110243536A (zh) * 2019-07-19 2019-09-17 中国科学院工程热物理研究所 一种等离子体压力传感器及压力传感系统
CN111263503A (zh) * 2019-12-11 2020-06-09 厦门大学 一种等离子体气动探针及其测量系统
CN115230945A (zh) * 2022-09-15 2022-10-25 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种飞机机翼自适应流动分离控制方法、系统及存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103884467B (zh) 等离子体压力探针及利用其测量压力的系统
CN107727311A (zh) 等离子体压力传感器及系统
CN103471809B (zh) 一种超高频响等离子体流动测量装置
CN107389255A (zh) 基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器
Willmarth et al. Study of turbulent structure with hot wires smaller than the viscous length
CN103471808B (zh) 基于介质阻挡放电原理的等离子体流动显示装置
CN104251767B (zh) 基于交流放电等离子体传感器的气体流动场测量系统
US7275013B1 (en) Plasma anemometer and method for using same
CN107727310B (zh) 等离子体压力传感器及等离子体压力传感系统
Ng et al. High‐frequency temperature and pressure probe for unsteady compressible flows
Belan et al. Compared ionic wind measurements on multi-tip corona and DBD plasma actuators
CN203824515U (zh) 发动机的间隙测量装置
CN106403803B (zh) 一种基于恒压式交流放电的叶尖间隙实时测量系统及方法
CN105181235B (zh) 等离子体压力显示膜片及其稳态标定系统和测量系统
CN103474311B (zh) 基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置
CN106405157A (zh) 一种基于低频交流放电的风速计、标定装置及标定方法
Haase et al. High-Speed, capacitance-based tip clearance sensing
KR101787876B1 (ko) 정전용량 변화를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법 및 장치, 그리고 측정용 탐침
CN111263503B (zh) 一种等离子体气动探针及其测量系统
Matlis et al. High-Bandwidth plasma sensor suite for high-speed high-enthalpy measurements
CN205426837U (zh) 用于在线测量气液两相流的气液两相流含气率测量系统
Belan et al. Discharge stability enhancement in surface corona actuators
CN205449858U (zh) 一种新型石英音叉传感器
CN111751571B (zh) 基于弯曲形变接触多米诺原理式流速传感器
CN104034653B (zh) 多功能薄膜材料动态力学分析仪及其分析方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180223