[发明专利]等离子体压力传感器及等离子体压力传感系统

说明书

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：裸露金属电极、掩埋金属电极和绝缘阻挡介质，其中，所述绝缘阻挡介质位于所述裸露金属电极和掩埋金属之间，且裸露金属电极为环状电极，该环状电极的内环在交流电源的驱动下，产生有等离子体。同时，本发明还提供了一种等离子体压力传感系统。当本发明应用于压气机时，具有高频响应特性，能够增大可测量的气压量程范围，另外，本发明中的等离子体产生在内环之中，而不是直接击穿空气产生等离子体，因此，本发明的适用气压范围更广。

技术领域

本发明涉及高压气体放电和气动热力学领域，尤其涉及一种等离子体压力传感器及等离子体压力传感系统。

背景技术

航空发动机与燃气轮机在国民经济、国防安全和能源环境等众多领域发挥重要作用，其设计与制造水平代表着一个国家高端装备制造业的最高水平。作为以空气为工质的高速旋转部件，压气机有着极其复杂的内部流动结构，其工作效率和稳定性决定了航空发动机与燃气轮机的整体性能和安全性。基于推比15量级航空发动机与新一代高效重型燃气轮机的研制需求，高负荷、高效率和宽稳定裕度的压气机研制已成必然趋势。不断提高的负荷使得压气机内部强三维、非定常、强非线性流动特征变得愈发复杂，在保证效率不变的前提下给压气机运行稳定性提出了更高、更新的要求。另外，舰船燃气轮机和分布式能源调峰燃气轮机的变工况运行需求，要求压气机稳定运行范围必须得到保证。因此，能否设计出高效率，高稳定性的叶轮机械部件将成为航空及动力装备研制的瓶颈问题。为此，影响动力设备两大关键性能效率和稳定性的内部流动损失和失稳机理亟待澄清，这就得依靠先进的实验测量和数值模拟技术。

现有的测量手段在狭小空间内部复杂非定常流动结构的测量与识别方面存在很大的局限性。因此，需要发展新的原理进行突破。利用气体辉光放电等离子体技术开发动态压力传感器，这种非接触式测量技术不受热惯性和质量惯性的限制，不仅其动态响应频率理论上可达MHz甚至 10MHz水平，而且在高温和高速气流环境(马赫数可达到5)下的鲁棒性好，具有非常大的应用潜力。等离子体测量技术的发展受三个方面的影响，一是等离子体放电理论体系的发展，二是高频激励电源和数据采集技术的发展，三是测量领域对频响需求的不断增加。

第一阶段，主要是等离子体风速计的初步探索。由于对辉光放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，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，以及电子工程与信号处理的水平的限制，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年之久，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。

第二阶段，随着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。美国圣母大学(University of Notre Dame)的Corke 团队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。2008年，该团队将一个“Super OMEGACLAD”型号的热电偶改装成等离子体探针，放置在跨音速压气试验台的机匣壁面，测量失速先兆。

从以上两个阶段的发展可以看出，基于气体放电的流场测量与控制技术和大气压气体放电理论虽然分属于两个看起来截然不同的领域，在发展历程的时间点上却有着惊人巧合。它们几乎同时于19世纪30年代提出，但此后大约50年都没能有实质性的进步。而在大气压气体放电理论得到长足进步的今天，基于该理论研制超高频响流动测量技术具有一个非常好的发展前景。