實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：等離子體壓力傳感器及其在動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量中的應(yīng)用

研究方向：壓力傳感器

測(cè)試目的：

如何準(zhǔn)確測(cè)量高超沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段和航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件的內(nèi)部流場(chǎng)是提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能及可靠性的有效手段之一,而隔離段和高壓壓氣機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)具有高溫、高壓、高頻動(dòng)態(tài)壓力等特點(diǎn)，因此若要在上述復(fù)雜動(dòng)力機(jī)械中完成內(nèi)部流場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量,動(dòng)態(tài)壓力傳感器要同時(shí)具備小尺寸、高頻響(MHz及以上)且在高溫高壓流場(chǎng)穩(wěn)定工作的能力。而目前傳感器由于受到質(zhì)量慣性的影響，最高可用頻響在500kHz以內(nèi)，或者有著存在著尺寸偏大(6~10mm)、溫度漂移等問(wèn)題,無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜機(jī)械內(nèi)部非定常測(cè)量的需要。而在對(duì)新技術(shù)的探索中,等離子體技術(shù)由于其有著許多先天優(yōu)勢(shì)而引起了研究者們的關(guān)注，如其理論上有著高頻率響應(yīng)的特性、不受熱慣性的限制、基于等離子體原理的探針結(jié)構(gòu)尺寸小,可達(dá)毫米尺度。因此認(rèn)為其具有十分優(yōu)秀的發(fā)展?jié)摿Γ型黄聘邷馗邏毫鲌?chǎng)測(cè)量的技術(shù)瓶頸。

測(cè)試設(shè)備：等離子體壓力傳感器、信號(hào)源、示波器、壓力傳感器、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(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

實(shí)驗(yàn)時(shí)將等離子體壓力傳感器置于壓力氣罐中，通過(guò)氣體放電室外部的絕綜套簡(jiǎn)將導(dǎo)線接入放電空中，打開(kāi)射頻交流電源，調(diào)整電源輸出功率為5W，此時(shí)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(shí)等離子體穩(wěn)定放電。實(shí)驗(yàn)采用衰減比1000:1電壓探頭來(lái)記錄傳感器兩端的維持電壓值，并由示波器進(jìn)行顯示和記錄數(shù)據(jù)。

首先在大氣壓環(huán)境下獲得穩(wěn)定的射頻等離子體，電源輸出交流頻率為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(nèi)的氣壓變化的特性曲線:期間通過(guò)調(diào)節(jié)射頻電源的輸出功率，維持其穩(wěn)定連續(xù)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(duì)應(yīng)的電源輸出功率量程為5~9W。當(dāng)罐內(nèi)氣壓增大時(shí)，其穩(wěn)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(guān)關(guān)系，且不同的電源輸出功率對(duì)應(yīng)若不同的氣壓范圍，整體靈敏度為0.22V/kPa。當(dāng)電源輸出功率為8W時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2：校準(zhǔn)曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

本文研究了基于射頻放電等離子體壓力傳感器在激勵(lì)載波頻率為1.25MHz，氣壓范圍04~4.5atm下不同輸出功率所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)規(guī)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(yīng)用于單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機(jī)葉頂動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)論如下:

(1)穩(wěn)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電極間隙220m的射頻等離子體壓力傳感器可正常工作的氣壓量程為0.4~4.5at，其對(duì)應(yīng)的電源輸出功率量程為5~9w，電源輸出功率隨氣壓的增大而變化，且不同的輸出功率對(duì)應(yīng)著不同的氣壓范圍。整體而言，等離子體壓力傳感器整體的靈敏度為0.22V/kPa。

(2)高溫特性實(shí)驗(yàn)證明，在25C~400C溫度范圍內(nèi),等離子體壓力傳感器的維持電壓基本不隨溫度的變化而產(chǎn)生變化,僅在356V左右波動(dòng)，證明了該等離子體壓力傳感器不僅耐高溫，并且在該溫度范圍內(nèi)對(duì)溫度不具有敏感性，因此不需要進(jìn)行溫度校準(zhǔn)或補(bǔ)償。這是等離子體壓力傳感器與其他類(lèi)型傳感器相比的優(yōu)勢(shì)之一。

(3)在上述研究工作的基礎(chǔ)上，將該等離子體壓力傳感器和壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器Kulite同時(shí)安裝在軸流壓氣機(jī)機(jī)匣上并測(cè)量了壓氣機(jī)葉頂動(dòng)態(tài)壓力流場(chǎng)，并選取了兩個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行分析:大流量工況(流量系數(shù)為0.53)和近失速工況(流量系數(shù)為0.45)。對(duì)頻域分析可知,等離子體動(dòng)態(tài)壓力傳感器和Kulite動(dòng)態(tài)壓力傳感器一樣，具有捕提葉片通過(guò)頻率(2410Hz)的能力，且同樣可以捕捉到葉頂泄漏流的自激非定常特征頻率(970Hz)。

(4)然而，從動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，目前等離子體壓力傳感器與Kulite傳感器仍有差距，主要體現(xiàn)在傳感器的信號(hào)處理、信噪比以及精確度上，這是之后等離子體壓力傳感器需要攻克的難點(diǎn)所在。接下來(lái)的研究工作將首先改善等離子體壓力傳感器的信噪比及測(cè)量精確度，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展其在實(shí)際的高溫高壓環(huán)境中的應(yīng)用研究，最終期望實(shí)現(xiàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部十分嚴(yán)苛的高溫高壓高速環(huán)境中動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)信號(hào)的測(cè)量與采集。

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

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審核編輯：湯梓紅