實驗(yan)名稱：等(deng)離子體壓力(li)傳(chuan)感器及其在動態壓力(li)測(ce)量(liang)中的應用

　　研究方向：壓(ya)力(li)傳感器(qi)

　　測試(shi)目的：

　　如何(he)準確測量高(gao)超沖壓發動機隔(ge)離段和航空發動機壓氣機部(bu)件(jian)的內部(bu)流場是提升發動機性能及(ji)可靠(kao)性的有效手段之(zhi)一,而隔離段和高壓壓氣機的內部流場具有高溫、高壓、高頻動態壓力等特點，因此若要在上述復雜動力機械中完成內部流場的準確測量,動態壓力傳感器要同時具備小尺寸、高頻響(MHz及以上)且在高溫高壓流場穩定工作的能力。而目前傳感器由于受到質量慣性的影響，最高可用頻響在500kHz以內，或者有著存在著尺寸偏大(6~10mm)、溫度漂移等問題,無法滿足發動機復雜機械內部非定常測量的需要。而在對新技術的探索中,等離子體技術由于其有著許多先天優勢而引起了研究者們的關注，如其理論上有著高頻率響應的特性、不受熱慣性的限制、基于等離子體原理的探針結構尺寸小,可達毫米尺度。因此認為其具有十分優秀的發展潛力，有望突破高溫高壓流場測量的技術瓶頸。

　　測試設備(bei)：等離子體壓力(li)傳感器、信(xin)號源、示(shi)波(bo)器、壓力(li)傳感器、ATA-8202射頻功率放大器、電熱高溫箱。

圖1：等離子體壓力傳感器示意圖及實物圖

　　實驗(yan)過(guo)程：

　　實驗時將等離子體壓(ya)力傳感器置于壓(ya)力氣罐中，通過氣體放電(dian)室(shi)外(wai)部的絕綜套簡將導線接入放電(dian)空中，打開射(she)頻交(jiao)流電(dian)源，調整電(dian)源輸出功率為5W，此時等離子體壓力傳感器兩端的電壓波形為近似正弦波，可判斷此時等離子體穩定放電。實驗采用衰減比1000:1電壓探頭來記錄傳感器兩端的維持電壓值，并由示波器進行顯示和記錄數據。

　　首先(xian)在大(da)氣壓環境下獲得穩定的射頻等離子體(ti)，電源輸出交流(liu)頻率為125MHZ；然后改變放電室氣壓，從0.4atm逐步升高到4.5atm，以0.latm為間隔記錄等離子體壓力傳感器兩端的電壓值隨放電室內的氣壓變化的特性曲線:期間通過調節射頻電源的輸出功率，維持其穩定連續放電；電極間隙220m的等離子體壓力傳感器的適用氣壓量程為0.4~4.5atm，對應的電源輸出功率量程為5~9W。當罐內氣壓增大時，其穩定工作電壓也隨之增大，即等離子體壓力傳感器維持電壓與氣壓之間為正相關關系，且不同的電源輸出功率對應若不同的氣壓范圍，整體靈敏度為0.22V/kPa。當電源輸出功率為8W時，實驗結果如圖2所示。

圖2：校準曲線

　　實驗結(jie)果(guo)：

　　本文研究了(le)基于射頻放電等離子體(ti)壓力傳感器在激勵載波頻率為1.25MHz，氣壓范圍04~4.5atm下不同輸出功率所對應的穩態響應規律，及其在25C~400C下的高溫工作特性，最終將該等離子體壓力傳感器應用于單轉子軸流壓氣機葉頂動態壓力測量實驗，得到結論如下:

　　(1)穩態標定實(shi)驗(yan)結果(guo)表明，電極間隙220m的(de)(de)(de)射頻等(deng)(deng)離(li)子體(ti)壓力(li)傳感器可(ke)正常工(gong)作的(de)(de)(de)氣(qi)壓量程為0.4~4.5at，其對應的(de)(de)(de)電源輸出功率(lv)量程為5~9w，電源輸出功率(lv)隨(sui)氣(qi)壓的(de)(de)(de)增大而變化(hua)，且不(bu)同的(de)(de)(de)輸出功率(lv)對應著不(bu)同的(de)(de)(de)氣(qi)壓范圍(wei)。整體(ti)而言(yan)，等(deng)(deng)離(li)子體(ti)壓力(li)傳感器整體(ti)的(de)(de)(de)靈敏度(du)為0.22V/kPa。

　　(2)高溫(wen)(wen)特(te)性(xing)實驗證明，在(zai)25C~400C溫(wen)(wen)度范圍(wei)內(nei),等離(li)子(zi)體(ti)(ti)壓力傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的維持電壓基本不隨溫(wen)(wen)度的變化(hua)(hua)而產(chan)生變化(hua)(hua),僅在(zai)356V左右(you)波動，證明了該(gai)等離(li)子(zi)體(ti)(ti)壓力傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)不僅耐高溫(wen)(wen)，并且在(zai)該(gai)溫(wen)(wen)度范圍(wei)內(nei)對溫(wen)(wen)度不具有(you)敏感(gan)性(xing)，因此不需要進行溫(wen)(wen)度校準(zhun)或補償。這是等離(li)子(zi)體(ti)(ti)壓力傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)與其他類型傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)相(xiang)比的優勢之一。

　　(3)在上述(shu)研究工(gong)(gong)作的(de)基礎(chu)上，將該等(deng)離子體(ti)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)傳(chuan)感器和壓(ya)(ya)阻(zu)式動(dong)態(tai)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)傳(chuan)感器Kulite同時安裝在軸流(liu)壓(ya)(ya)氣機(ji)(ji)機(ji)(ji)匣上并測量了壓(ya)(ya)氣機(ji)(ji)葉頂(ding)動(dong)態(tai)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)流(liu)場，并選取(qu)了兩個工(gong)(gong)況(kuang)點進(jin)行(xing)分(fen)析:大流(liu)量工(gong)(gong)況(kuang)(流(liu)量系數為(wei)0.53)和近失(shi)速工(gong)(gong)況(kuang)(流(liu)量系數為(wei)0.45)。對頻(pin)域(yu)分(fen)析可知,等(deng)離子體(ti)動(dong)態(tai)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)傳(chuan)感器和Kulite動(dong)態(tai)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)傳(chuan)感器一樣，具有捕提葉片通(tong)過(guo)頻(pin)率(lv)(2410Hz)的(de)能力(li)(li)(li)，且同樣可以捕捉到葉頂(ding)泄漏流(liu)的(de)自(zi)激非(fei)定常(chang)特征(zheng)頻(pin)率(lv)(970Hz)。

　　(4)然而，從動(dong)態壓(ya)(ya)力(li)測量實驗結果來(lai)看，目前等離子體壓(ya)(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)與(yu)Kulite傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)仍有差距，主要體現在(zai)傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)的(de)信(xin)(xin)號處理、信(xin)(xin)噪比以及(ji)精(jing)確度上，這是之(zhi)后等離子體壓(ya)(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)需要攻(gong)克(ke)的(de)難點所(suo)在(zai)。接下來(lai)的(de)研(yan)究工(gong)作將首先改善等離子體壓(ya)(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)的(de)信(xin)(xin)噪比及(ji)測量精(jing)確度，在(zai)此(ci)基礎上，開展(zhan)其在(zai)實際的(de)高(gao)溫高(gao)壓(ya)(ya)環境中(zhong)的(de)應用研(yan)究，最終期望實現在(zai)航空發(fa)動(dong)機、沖(chong)壓(ya)(ya)發(fa)動(dong)機內(nei)部十(shi)分嚴苛的(de)高(gao)溫高(gao)壓(ya)(ya)高(gao)速環境中(zhong)動(dong)態壓(ya)(ya)力(li)脈動(dong)信(xin)(xin)號的(de)測量與(yu)采集。

　　安泰ATA-8202射頻功率放大器：

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