本文關(guān)鍵詞：基于直流輝光放電等離子體原理的高頻響壓力傳感器初探

  更多相關(guān)文章： 輝光放電 等離子體 單調(diào)響應(yīng) 高頻響 壓力傳感器

【摘要】：為了捕捉和提取更細(xì)致精確的非定常流動(dòng)信息和三維流場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu),如湍流、非定常分離泡以及流動(dòng)失穩(wěn)等,氣體動(dòng)力學(xué)研究者們期望傳感器頻響能夠達(dá)到MHz級(jí)別。而目前廣泛使用的壓阻式傳感器和熱線風(fēng)速儀受質(zhì)量慣性和熱慣性的限制,頻響無法突破500 kHz�；谳x光放電等離子體原理測(cè)量氣動(dòng)參數(shù)的方法,頻響由驅(qū)動(dòng)電源載波頻率決定,有望突破此瓶頸。輝光放電作為一種新的測(cè)量原理在應(yīng)用到實(shí)際流場(chǎng)測(cè)量之前,首先需要研究實(shí)驗(yàn)條件環(huán)境下氣體放電對(duì)氣壓變化的響應(yīng)是否具有單調(diào)唯一性和足夠的敏感性。從氣體放電理論可知,這兩個(gè)決定測(cè)量等離子體壓力傳感器的主要指標(biāo)主要與傳感器的放電模式有關(guān)。因此有必要跨學(xué)科開展大氣壓輝光放電等離子體的實(shí)驗(yàn)研究和理論研究,對(duì)等離子體與氣壓之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行原理性驗(yàn)證和分析,嘗試提出有效產(chǎn)生和可靠控制大氣壓輝光放電的指導(dǎo)原則,為其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合提供理論支撐依據(jù)及設(shè)計(jì)指導(dǎo)準(zhǔn)則。本論文圍繞大氣壓微間隙靜止氣體放電特性研究,空氣流場(chǎng)不同穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)壓力對(duì)等離子體場(chǎng)有何規(guī)律性影響這兩個(gè)科學(xué)問題,具體的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論包括:1.自主設(shè)計(jì)了靜態(tài)標(biāo)定高氣壓氣體放電室及等離子體放電顯微鏡觀察平臺(tái)清華大學(xué)氣體放電與等離子體實(shí)驗(yàn)室氣體放電裝置系統(tǒng),設(shè)計(jì)壓力(絕對(duì)壓力)僅為真空到1.2個(gè)大氣壓(0-120kPa)。為了研究更寬氣壓范圍內(nèi)的氣體放電特性,自主設(shè)計(jì)了高氣壓氣體放電室,設(shè)計(jì)壓力(絕對(duì)壓力)為0-1000 kPa。電極間隙是影響氣體放電模式的一個(gè)重要因素,為了盡可能精確測(cè)量、控制及在線調(diào)節(jié)電極間隙,更換電極(包括更換電極材料、尺寸等),并且實(shí)現(xiàn)在線觀察放電狀態(tài),自主設(shè)計(jì)了等離子體放電顯微鏡觀察平臺(tái)。電極間隙距離通過與螺旋測(cè)微器調(diào)整,并在300倍顯微鏡下觀察控制,進(jìn)行間隙校準(zhǔn)。2.得到了適用于任何電極材料的陰極位降區(qū)一般電壓與氣壓(U-P)特性曲線。在氣體放電理論基礎(chǔ)上,我們通過一系列的假設(shè),最終推導(dǎo)出陰極位降區(qū)的一般電壓與氣壓的關(guān)系,無量綱化之后,得到適用于任何陰極材料的U-P特性曲線。與大氣壓下傳感器電壓隨間隙變化的對(duì)應(yīng)曲線相比,發(fā)現(xiàn)具有相似的規(guī)律。陰極位降區(qū)壓降(基本等于輝光放電的維持電壓)首先隨著氣壓(間隙)的升高逐漸降低,經(jīng)過最小值之后,再隨著氣壓(間隙)升高而逐漸升高。理論和實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合印證,驗(yàn)證了利用輝光放電等離子體測(cè)量空氣壓力的可行性。即輝光放電的維持電壓為Pd的函數(shù),當(dāng)Pd足夠小時(shí),傳感器工作在曲線左半支,即反常輝光放電模式,電壓隨著氣壓的升高而單調(diào)遞減;當(dāng)Pd足夠大時(shí),傳感器工作在曲線右半支,即亞正常輝光放電模式,電壓隨著氣壓的升高而單調(diào)遞增。3.形成了一套系統(tǒng)分析直流驅(qū)動(dòng)輝光放電等離子體與氣壓之間耦合關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究方法。對(duì)直流驅(qū)動(dòng)輝光放電等離子體與氣壓之間的耦合關(guān)系進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)和分析,結(jié)合氣體放電理論,分析幾種典型電極間隙下的放電模式的影響因素及其診斷、轉(zhuǎn)化和控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在固定電極間隙和特定電流范圍內(nèi),輝光放電等離子體對(duì)氣壓變化的響應(yīng)有良好的單調(diào)唯一性和足夠高的敏感性,因此在測(cè)量空氣壓力方面完全具有可行性。實(shí)驗(yàn)中,通過改變氣體放電室的內(nèi)部氣壓和激勵(lì)電源電壓,測(cè)量了不同間隙下的放電伏安特性,得到了亞正常輝光放電、反常輝光放電等不同的放電模式。結(jié)果表明不同的輝光放電模式下,傳感器維持對(duì)氣壓的變化響應(yīng)規(guī)律不同,只有選擇合適的間隙距離和電流,保證傳感器始終工作在同一種放電模式(無論是穩(wěn)定在亞正常輝光放電模式還是反常輝光放電模式),才能得到傳感器維持電壓對(duì)氣壓變化的單調(diào)響應(yīng)曲線。較小的電極間隙,維持電壓隨氣壓升高具有良好的單調(diào)遞減趨勢(shì);較大的電極間隙,維持電壓隨氣壓升高具有良好的單調(diào)遞增趨勢(shì)。這些結(jié)果都將為高頻響等離子體壓力傳感器的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。4.通過激波管動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)對(duì)比了等離子體壓力傳感器與Kulite壓阻式壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性。設(shè)計(jì)了一種高頻響等離子體壓力傳感器,此傳感器主要由聚四氟乙烯底座、電極支撐銅柱、鉑絲電極和有機(jī)玻璃外罩組成。電極材料選取較穩(wěn)定的金屬鉑,直徑為0.5 mm,電極間隙為250 μm,陰陽(yáng)極同軸放置。采用Kulite阻抗壓電式傳感器測(cè)量基準(zhǔn)壓力信號(hào)。首先將壓阻式傳感器信號(hào)作為輸入,分析等離子體壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性。從原始時(shí)域信號(hào)幅值可以看出,二者幾乎同時(shí)捕捉到激波的階躍。為了屏蔽誘導(dǎo)速度,減弱空腔效應(yīng)給等離子體壓力傳感器帶來的干擾,并且盡可能保證激波的質(zhì)量和強(qiáng)度,設(shè)計(jì)了有機(jī)玻璃罩。結(jié)果表明,對(duì)于頻率小于20 kHz的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào),等離子體壓力傳感器具有和Kulite相同的捕捉能力。為了更精確地分析等離子體壓力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征,對(duì)激波管進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,將得到的壓力階躍信號(hào)作為基準(zhǔn)壓力信號(hào),分別對(duì)Kulite壓力傳感器和Plasma壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定,分析比較二者的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。結(jié)果表明,在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下,Kulite壓力傳感器最高具有35 kHz的響應(yīng)頻率,而Plasma壓力傳感器最高具有55 kHz的響應(yīng)頻率。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 榮命哲;劉定新;李美;王偉宗;;非平衡態(tài)等離子體的仿真研究現(xiàn)狀與新進(jìn)展[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2014年06期

2 LI Gang;XU Yanji;YANG Lingyuan;DU Wei;ZHU Junqiang;NIE Chaoqun;;Low Speed Axial Compressor Stall Margin Improvement by Unsteady Plasma Actuation[J];Journal of Thermal Science;2014年02期

3 趙勤;吳云;李應(yīng)紅;趙小虎;張海燈;;端壁等離子體氣動(dòng)激勵(lì)抑制高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵角區(qū)流動(dòng)分離實(shí)驗(yàn)[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2013年09期

4 李鋼;楊凌元;聶超群;朱俊強(qiáng);徐燕驥;;利用等離子體非定常射流實(shí)現(xiàn)單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2013年01期

5 Xiao-Hu Zhao;Yun Wu;Ying-Hong Li;Xue-De Wang;Qin Zhao;;Topological analysis of plasma flow control on corner separation in a highly loaded compressor cascade[J];Acta Mechanica Sinica;2012年05期

6 ;Investigation of Endwall Flow Behavior with Plasma Flow Control on a Highly Loaded Compressor Cascade[J];Journal of Thermal Science;2012年04期

7 ;Numerical Investigation of Flow Separation Control on a Highly Loaded Compressor Cascade by Plasma Aerodynamic Actuation[J];Chinese Journal of Aeronautics;2012年03期

8 劉華坪;陳煥龍;袁繼來;陳浮;;變沖角條件下等離子體對(duì)擴(kuò)壓葉柵性能的影響[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2011年08期

9 劉學(xué)忠;高超;鄧顯波;曹利強(qiáng);陳曉聰;;高速氣流對(duì)絕緣子表面放電特征的影響[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2010年12期

10 郝艷捧;涂恩來;陽(yáng)林;戴棟;;基于氣隙伏安特性研究大氣壓氦氣輝光放電的模式和機(jī)理[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2010年07期

，

本文編號(hào)：1295231