[发明专利]基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及到高压气体放电、气动热力学等多个学科的交叉，尤其涉及一种基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器。

背景技术

现有的动态测量技术经历了半个多世纪的高速发展，涌现出的接触式动态测量技术，以半导体硅压阻式传感器技术和热膜与热线技术典型代表。半导体硅压阻式压力传感器是非常成熟的技术，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。然而，气动探针的设计受到诸多因素的限制。尤其传感器在探针中的安装方式，对探针的频响造成很大的影响，往往需要牺牲传感器的频响，来保证探针的空间分辨率、易于安装性和测量过程中的鲁棒性。为了更加清楚地了解叶轮机械中熵的损失，热膜和热线技术除了通过换热原理测量气流速度之外，在熵探针的研制上同样有所应用。然而，先进气动探针及熵探针的设计研制，瓶颈主要在于压阻式和热力学传感器受质量惯性和热惯性的影响，其频响均无法高于500kHz，且不耐高温。

实际流场测量时，为了尽可能捕捉和提取其非定常信息和三维流场的精细结构，气体动力学研究者们同样期望传感器的时间分辨率越高越好。比如，一台叶片数20个转速24000rpm的跨音压气机，叶片通过频率则为8kHz，众所周知，叶顶端区流动极为复杂，泄漏流、角区涡、通道激波、吸力面附面层分离等一系列流动结构在其中相互作用。而激波、涡结构等细节流动通常只占通道的不到十分之一的宽度，因此，我们需要的捕捉频率至少要达到80kHz。为了使测量得到的流动结构更为精细，实测时经常以5倍采样频率来保证信息不丢失，再考虑到Nyqist倍频准则，则需要800kHz的采样频率。因此如果期望在频响级别达到MHz的突破，并进一步提高先进气动探针及熵探针的动态性能，已经不能通过传统的压电陶瓷、热丝或热膜来实现，需要新原理和新方法。以辉光放电原理发展起来的传感器在突破频响方面具有潜力。

事实上，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。但可能是由于当时对于辉光发电等离子体物理机制及其与空气相互作用的相关研究颇有争议，一直没有确切的理论支持，以及电子工程与信号处理的水平的限制，热线风速计的竞争，所以这种基于等离子体的测量探针很长时间都没有发展起来，研究中断大约50年。然而，近年来，随着航空航天领域的迅猛发展，对测量技术频响的要求越来越高，且最近三十年大气压辉光放电的理论和实验研究不断取得一些突破，这种基于辉光放电等离子体的超高频气压测量方法又一次进入了研究者的视野。

在利用辉光放电等离子体进行气动参数测量方面，最早是1934年加州理工学院的Lindvall提议的，他设计了一种直流驱动辉光放电等离子体风速计，用来测量圆柱尾迹。1949年，同一个实验室的Mettler在Lindvall的工作基础上，对风速计的尺寸和设计进行了改进，并进行了1.6马赫数的风洞试验。研究者尝试了不同电极形状，获得了低速与电压的校准曲线。电极间隙是另一个影响风速计灵敏度的重要因素，研究者选取了不同的电极间隙，得到一系列校准曲线。1954年Vrebalovich研究了使用交流驱动辉光放电的风速计，电极间隙距离为76.2μm，解决了直流辉光发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。他利用具有700kHz载波频率的交流电驱动探针，测量马赫数从1.3到4的附面层厚度。在交流驱动的研究工作方面，1955年Werner还设计了马赫数0.8的风洞中稳定工作的风速计，研究者认为，该风速计未补偿的频率频响超过100kHz。

但是由于当时气体放电理论还不完善，并且对当时的高压变频电源、电子电路、系统控制等技术水平提出了过高的要求，因此在经历了早期的探索研究之后便被搁置了下来，人们的研究工作转移到了等离子体流动控制技术方面。直到2000年之后，人们重新对这项技术产生了浓厚的兴趣。