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          超高頻響微等離子體動態壓力傳感器研究取得進展
          发稿时间:2019-04-26         作者:李帆          来源:先進燃氣輪機實驗室     【字号:

            基于推重比15量級航空發動機與新一代高效重型燃氣輪機的研制需求,高負荷、高效率和寬穩定裕度的壓氣機研制已成必然趨勢。不斷提高的負荷使得壓氣機內部強三維、非定常、強非線性流動特征變得愈發複雜,如果想要捕捉這些複雜的流動結構,並爲校核先進的CFD技術計算結果提供經驗數據,研制開發兼顧超高頻響(1MHz以上)和微小尺寸的動態測量儀器就成爲必需。 

            近日,工程热物理研究所先進燃氣輪機實驗室利用气体放电等离子体技术开发动态压力传感器,通過基礎性理論與實驗研究工作,設計了一種高頻響微等離子體壓力傳感器。並對其進行了穩態標定和激波管動態標定,初步證實了微等離子體壓力傳感器的的動態響應能力。這些研究結果都將爲後續進一步研發高壓、高時空分辨率的微等離子體壓力傳感器打下基礎。 

            本項目研究團隊設計並加工了一種介質阻擋結構的微等離子體壓力傳感器,結構示意圖和樣品實物圖見圖1介質阻擋結構能夠有效降低裸金屬電極表面的陰極濺射,從而延長電極壽命。放電電極材料選用99.99%的純鉑,阻擋介質材料選用99%純度的氧化鋁陶瓷。采用飛秒激光機工技術在氧化鋁陶瓷基座端面刻蝕出放置電極的狹縫和空氣間隙,再將純鉑加工成和狹縫一致的片狀,放進狹縫內,並在高倍顯微鏡下進行焊接,從陶瓷基座底部的引線孔引出導線。 

            爲了得到能夠擊穿空氣介質的高電壓,項目研究團隊自行設計了與射頻電源阻抗相匹配的MHz頻率電子電路。電路測試結果爲諧振頻率0.8~1.5MHz可調,升高電壓峰值爲0~2000V可調,達到使微等離子體壓力傳感器穩定工作的性能要求。 

            在此基礎上,對微等離子體壓力傳感器進行了穩態標定實驗。圖2爲不同電極間隙時微等離子體電壓U與氣壓P的特性曲線,標定壓力範圍爲絕壓0.05~0.5MPa。可以看出,不同的電極間隙對于氣壓的響應特性曲線規律是不一樣的。50 μm電極間隙時氣壓從0.4升高到2.0atm,電壓隨著氣壓升高而減小,具有較爲良好的單調遞減趨勢,對應的電壓變化爲43 V100μm電極間隙時氣壓從0.4升高到1.5 atm時,探針電壓雖然隨著氣壓的升高單調遞減,但靈敏度不高,電壓變化了15V220 μm電極間隙時氣壓從0.5升高到3.4atm,探針電壓隨著氣壓升高而增大,呈單調遞增趨勢,且具有較高的靈敏度,對應的電壓變化爲86V 

            此外,研究團隊還利用激波管進行了初步的動態標定實驗,獲得了該微等離子體壓力傳感器的動態特性,並與Endevco壓阻式壓力傳感器進行了比較分析。如圖3所示,可以看出微等離子體壓力傳感器與Endevco幾乎同時能夠捕捉到激波的突躍及在激波管內的震蕩過程。 

           

           

           

           
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