CN107105565A - 一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置及测量方法 - Google Patents

一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置及测量方法，装置包括测压板和移动装置。本发明选用环氧树脂制成的表面非常光滑测压板，不仅保证流动的二维性，也解决了测量装置的绝缘问题。10个垂直分布在测压板的中间下方的测压孔，减小其对流场的影响，也保证压力测量的准确性。测压孔后方安装了的钢制的测压管，可以方便的连接聚乙烯的测压软管。通过小型步进电机驱动的丝杠滑块结构的移动测量机构，很好的解决了测压板水平方向的移动的难题，并且可以精确控制移动距离。本发明可以准确测量到静止大气下等离子体诱导流场的微小压力变化，通过移动测量机构的水平移动，可以准确捕捉到空间中整个流场的压力分布状况。

Description

一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置及测量 方法
技术领域
本发明涉及静止大气下等离子体流动控制实验技术的微小压力测量，具体为等离子体流动控制实验的测压板设计、微差压传感器布置方式及空间中微小压力变化的移动测量机构。
背景技术
作为一种新的流动控制技术，等离子体流动控制相对于传统的流动控制技术而言，没有运动的物理部件、能耗较低、可靠性较高，被广泛应用于抑制失速分离，减小流动阻力，抑制气动噪声等方面的研究。它的机理是当电压高达千伏量级且频率达到数千赫兹时，介质阻挡放电(DBD)会产生较大的低温等离子体，等离子体中的带电离子与气体中的中性分子间相互碰撞，引起动量转移，进而诱导出壁面射流。近些年，随着等离子体流动控制在国际科技前沿中的应用，深入研究其控制机理成为一项热门的研究方向，同时对我国未来战机及商用大飞机的研发有着重要的战略意义和工程应用价值。
对于等离子体流动控制技术的机理研究，国内外目前都还处于初步探索阶段，对于静止大气下的等离子体射流的实验的定量研究，只是停留在通过PIV测量速度场，测量压力场也只是进行了初步、粗犷的测量。由于等离子体激励器激励出来的速度场较小，理论上只能达到十几米每秒，而所产生的压力差的变化，预测在5个帕斯卡左右。要想测量这么小的压力差变化，就需要使用高精度的压力传感器。通常，这种高精度的传感器价格十分昂贵。对于一个非常小的特定范围(10cm*20cm)的压力场的测量，至少需要几百个高精度传感器。如何得到压力场中更多的高精度压力差数据，同时减少使用高精度传感器的数量，目前尚无很好的解决方案。
为了研究等离子体流动控制的作用机理，了解等离子体激励在静止大气下的控制规律和特性，迫切需要一套适用于等离子体流动控制测力测量的实验装置。
发明内容
为了解决等离子体流动控制实验中微小压力场的测量问题，同时实现用有限的高精度微差压传感器得到更多的高精度压力差数据，本发明提出了一种测量等离子体微小压力差场的装置及方法，设计了测压板及微差压传感器的布置方式，同时设计实现空间中微小压力场的移动测量机构。
本发明的技术方案为：
所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：包括测压板和移动装置；
所述测压板为非金属结构板，与产生等离子体的电极板垂直布置，且测压板与电极板之间涂有密封润滑油脂；测压板上开有一列垂直于电极板分布的测压孔；测压板朝向等离子体生成区域的正面表面粗糙度Ra<0.025μm；测压板背面每个测压孔上安装有钢制测压管，钢制测压管后端连接测压软管，测压软管另一端连接微差压传感器；
所述移动装置包括门架、步进电机、丝杠和滑块；步进电机和丝杠安装在门架上，丝杠和滑块形成丝杠丝母结构；滑块固定在测压板背面；当步进电机带动丝杠转动时，滑块能带动测压板在电极板板面上沿X轴方向移动；所述X轴处于电极板板面上，且X轴垂直于电极板上的接触电极和封装电极。
进一步的优选方案，所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：测压板采用环氧树脂材料制备；在测压板中部下方开有一列垂直于电极板沿Y轴方向分布的测压孔；所述Y轴垂直于电极板板面；测压孔直径为0.6mm，相邻测压孔间距为1mm，最下方的测压孔边缘距离测压板下沿的距离为1mm。
进一步的优选方案，所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：测压板与电极板之间涂有高压硅脂。
进一步的优选方案，所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：测压板背面每个测压孔上安装有20mm的钢制测压管，钢制测压管后端连接聚乙烯测压软管。
进一步的优选方案，所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：所述微差压传感器误差精度为±0.1％FS，量程为-50Pa到+50Pa，采样频率达到1000Hz。
进一步的优选方案，所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：步进电机控制滑块沿X轴方向移动精度能够达到0.2mm。
所述一种利用上述测量装置测量等离子体流动控制的微小压力的方法，其特征在于：步进电机控制测压板在电极板表面沿X轴移动至接触电极外侧；然后通过步进电机控制测压板在电极板表面沿X轴向接触电极运动，并一直运动到封装电极外侧，其中运动和测量过程为：步进电机控制测压板每运动设定距离后，暂停移动，并通过外部信号采集装置采集一段时间微差压传感器的输出信号，经过数据处理后，得到该X方向位置处，每个微差压传感器的输出信号，然后再控制测压板运动，直至运动到封装电极外侧。
有益效果
在静止大气下等离子体流动控制实验中，采用本设计中的微压力移动测量装置，可以准确测量到空间中等离子体诱导流场的压力分布，同时解决了因高精度微差压传感器价格昂贵，无法大量购买，而使用有限数量高精度微压力传感器，同样达到测量整个等离子体流场的目的，实验的结果与数值计算的结果的数据也非常一致。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
附图1是测压板的正视图，10个直径为0.6mm的测压孔位于中间下方，最下方测压孔距离测压板下沿1mm，每个测压孔间距为1mm。
附图2是测压板的侧视图，其中1是测压板连接移动测量装置的垫板，2是测压板，3是测压孔，4是钢制测压管。
附图3是移动测量装置的正视图；其中5是螺纹孔，6是滑块，7是丝杠，8是小型步进电机，9是支架的竖杆，10是支架的底座。
附图4是移动测量装置的侧视图；
附图5是静止大气下微小压力场测量实验原理图。
附图6是1号测压孔(高度y＝1.3mm)压力沿水平方向分布。
附图7是2号测压孔(高度y＝2.9mm)压力沿水平方向分布。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施例是一套静止大气下等离子体流动控制实验的微小压力场测量装置及方法，具体为等离子体流动控制实验的微差压传感器布置方式，及空间中微小压力的移动测量系统。
在静止的大气下等离子体实验中，因为等离子体激励器诱导出的射流速度非常的低，其压力梯度的变化也很小，为了测量等离子体流动空间中压力场的分布，不仅需要保证流动的二维性，还要求测量装置要尽可能的减小对等离子体诱导射流的扰动。同时，还要考虑测量装置的绝缘问题，不能影响到等离子体激励器的放电效果。
在本实验压力测量系统的设计中，综合考虑了等离子体流动特性，实验材料的强度、绝缘性等多方面的因素，选用环氧树脂制成一个长300mm、宽150mm，厚3mm，且表面非常光滑(测压板朝向等离子体生成区域的正面表面粗糙度Ra<0.025μm)的测压板，见图1和图2。在测压板的中间位置下方，设计了10个直径为0.6mm，垂直分布的测压孔，排序从下往上一次为1号至10号测压孔。为了减小测压孔对流场的影响，同时保证压力测量的准确性，测压孔的直径设计为0.6mm，每个测压孔间距1mm，最下方的测压孔边缘距离测压板下沿的距离也为1mm。为了保证压力梯度传导的稳定，在每个测压孔后方安装了长度为20mm的钢制的测压管，以便于连接聚乙烯的测压软管，软管的另一头连接在微差压传感器。测压板的上部的后方设计了2个连接机构，以便于使其安装在移动测量装置的滑块上。
钢制测压管连接着聚乙烯的测压软管，软管的另一头接在高精度微差压传感器上。高精度的微差压力传感器，可以精确测量了静止大气下诱导的低速流场空间压力的分布情况，其误差精度是±0.1％FS，量程是-50Pa到+50Pa，同时采样频率最高可达到1000Hz。
在静止大气下等离子流动实验中，为了实现使用有限个微分压力传感器测量等离子流场中的整个空间的压力分布，本实施实例中采用了一种移动测量机构，实现了测压板在水平方向精确的移动。该装置是由小型步进电机，滑块，丝杠，支撑架组成，如图3和图4。整个支架由2个长30mm、宽10mm的钢制金属板底座，2个高30mm钢制竖杆和1根长50mm的钢制横梁组成，构成一种门框结构形式。50mm长的丝杠穿过2个滑块，固定于支架上部的横梁上。步进电机安装在支架的上方后端驱动丝杠转动，使滑块实现水平方向左右的移动，移动精度可以达到0.2mm。滑块上面预留了4个螺纹孔，使测压板可以安装其上。
如图5所示，环氧树脂材料制成的测压板安装于移动测量装置的2个滑块上，在每个滑块上，用4个螺杆通过螺纹连接，使其稳定固定在滑块上，下沿与等离子体激励器的电极板保持平行，且整个测压板与激励器电极板垂直。在本实施例中测量时，采用可升降式的平台，使电极板水平布置，且紧贴于测压板的下沿。为了保证所测得压力数据的准确定和二维性，在测压板下沿轻轻涂抹一层高压硅脂，以达到电极板与测压板之间的密封效果，同时还对测压板在电极板上的水平移动，起到了润滑的作用。本实施例中，经测试，测压板每隔1mm平行移动一次，从-10mm到15mm(0坐标是接触电极与封装电极中间位置)，总共移动25次，每个位置采集15秒的数据，共采集26组压力数据。由1号测压孔至10号测压孔得到垂直方向1.3mm至15.7mm，水平方向由-10mm至15mm范围的压力场分布，共采集了等离子体诱导流场的空间当中260个点的压力数据。
图6为最下方1号测压孔测得，高度y＝1.3mm沿水平方向分布的压力数据。从起始位置，到终止位置，压力值从0先减小到负压-0.6pa，再增大到正压0.4pa。实施例中测量到的压力数据与数值计算的结果一致。
图7给出了2号测压孔测得，高度y＝2.9mm沿水平方向分布的压力数据。从起始位置，到终止位置，压力值从0先减小到负压0.2pa，然后恢复到0。测量到的压力数据与数据计算结果也大体一致。
综上所述，在静止大气下等离子体流动控制实验中，采用本设计中的微压力移动测量装置，可以准确测量到空间中等离子体诱导流场的压力分布，同时解决了因高精度微差压传感器价格昂贵，无法大量购买，而使用有线数量高精度微压力传感器，同样达到测量整个等离子体流场的目的，实验的结果与数值计算的结果的数据也非常一致。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：包括测压板和移动装置；
所述测压板为非金属结构板，与产生等离子体的电极板垂直布置，且测压板与电极板之间涂有密封润滑油脂；测压板上开有一列垂直于电极板分布的测压孔；测压板朝向等离子体生成区域的正面表面粗糙度Ra<0.025μm；测压板背面每个测压孔上安装有钢制测压管，钢制测压管后端连接测压软管，测压软管另一端连接微差压传感器；
所述移动装置包括门架、步进电机、丝杠和滑块；步进电机和丝杠安装在门架上，丝杠和滑块形成丝杠丝母结构；滑块固定在测压板背面；当步进电机带动丝杠转动时，滑块能带动测压板在电极板板面上沿X轴方向移动；所述X轴处于电极板板面上，且X轴垂直于电极板上的接触电极和封装电极。
2.根据权利要求1所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：测压板采用环氧树脂材料制备；在测压板中部下方开有一列垂直于电极板沿Y轴方向分布的测压孔；所述Y轴垂直于电极板板面；测压孔直径为0.6mm，相邻测压孔间距为1mm，最下方的测压孔边缘距离测压板下沿的距离为1mm。
3.根据权利要求1或2所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：测压板与电极板之间涂有高压硅脂。
4.根据权利要求3所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：测压板背面每个测压孔上安装有20mm的钢制测压管，钢制测压管后端连接聚乙烯测压软管。
5.根据权利要求4所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：所述微差压传感器误差精度为±0.1％FS，量程为-50Pa到+50Pa，采样频率达到1000Hz。
6.根据权利要求5所述一种用于等离子体流动控制的微小压力移动测量装置，其特征在于：步进电机控制滑块沿X轴方向移动精度能够达到0.2mm。
7.一种利用权利要求1所述装置测量等离子体流动控制的微小压力的方法，其特征在于：步进电机控制测压板在电极板表面沿X轴移动至接触电极外侧；然后通过步进电机控制测压板在电极板表面沿X轴向接触电极运动，并一直运动到封装电极外侧，其中运动和测量过程为：步进电机控制测压板每运动设定距离后，暂停移动，并通过外部信号采集装置采集一段时间微差压传感器的输出信号，经过数据处理后，得到该X方向位置处，每个微差压传感器的输出信号，然后再控制测压板运动，直至运动到封装电极外侧。
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