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我国微等离子体压力传感器研究取得新进展

研究人员通过基础性理论与实验研究工作,设计了一种高频响微等离子体压力传感器。并对其进行了稳态标定和激波管动态标定,初步证实了微等离子体压力传感器的的动态响应能力。

  近日,工程热物理研究所先进燃气轮机实验室利用气体放电等离子体技术开发出动态压力传感器。

      研究人员通过基础性理论与实验研究工作,设计了一种高频响微等离子体压力传感器。并对其进行了稳态标定和激波管动态标定,初步证实了微等离子体压力传感器的的动态响应能力。这些研究结果都将为后续进一步研发高压、高时空分辨率的微等离子体压力传感器打下基础。

  此次研究背景主要是基于推重比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,如果想要捕捉这些复杂的流动结构,并为校核先进的CFD技术计算结果提供经验数据,研制开发兼顾超高频响(1MHz以上)和微小尺寸的动态测量仪器就成为必需。

  此次项目研究团队设计并加工了一种介质阻挡结构的微等离子体压力传感器。

示意图 微等离子体压力传感器结构示意图和样品实物图

  介质阻挡结构能够有效降低裸金属电极表面的阴极溅射,从而延长电极寿命。放电电极材料选用99.99%的纯铂,阻挡介质材料选用99%纯度的氧化铝陶瓷。采用飞秒激光机工技术在氧化铝陶瓷基座端面刻蚀出放置电极的狭缝和空气间隙,再将纯铂加工成和狭缝一致的片状,放进狭缝内,并在高倍显微镜下进行焊接,从陶瓷基座底部的引线孔引出导线。

  为了得到能够击穿空气介质的高电压,项目研究团队自行设计了与射频电源阻抗相匹配的MHz频率电子电路。电路测试结果为谐振频率0.8~1.5MHz可调,升高电压峰值为0~2000V可调,达到使微等离子体压力传感器稳定工作的性能要求。

  在此基础上,研究人员对微等离子体压力传感器进行了稳态标定实验。

图2为不同电极间隙时微等离子体电压U与气压P的特性曲线,标定压力范围为绝压0.05~0.5MPa

  从图2可以看出,不同的电极间隙对于气压的响应特性曲线规律是不一样的。50 μm电极间隙时气压从0.4升高到2.0atm,电压随着气压升高而减小,具有较为良好的单调递减趋势,对应的电压变化为43 V。100μm电极间隙时气压从0.4升高到1.5 atm时,探针电压虽然随着气压的升高单调递减,但灵敏度不高,电压变化了15V。220 μm电极间隙时气压从0.5升高到3.4atm,探针电压随着气压升高而增大,呈单调递增趋势,且具有较高的灵敏度,对应的电压变化为86V。

  此外,研究团队还利用激波管进行了初步的动态标定实验,获得了该微等离子体压力传感器的动态特性,并与Endevco压阻式压力传感器进行了比较分析。

  如图3所示,可以看出微等离子体压力传感器与Endevco几乎同时能够捕捉到激波的突跃及在激波管内的震荡过程

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