CN110243536A - 一种等离子体压力传感器及压力传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种等离子体压力传感器及压力传感系统，该等离子体压力传感器包括：放电电极和绝缘支撑件；放电电极的个数为两个；绝缘支撑件用于固定和隔离两个所述放电电极；在射频交流电压驱动下，两个放电电极之间，以及，绝缘支撑件的表面产生等离子体。本发明实施例突破了超燃冲压发动机隔离段和航空燃气涡轮发动机高压压气机的高温和高频环境的测量瓶颈，达到了2000K和MHz频响级别的压力场测量能力。

Description

一种等离子体压力传感器及压力传感系统

技术领域

本发明实施例涉及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压力传感系统。

背景技术

超音速飞行器和军用战斗机的设计与制造水平对国防安全和国家能源战略需求起着至关重要的作用。为了实现超音速飞行器的高超音速飞行，需要研发先进的高超声速燃烧冲压发动机，而影响其性能的关键组成部分，是位于超声速进气道和燃烧室之间的一段气流通道，称为隔离段。为了实现军用战斗机的垂直起降和高机动性，则需要研发大推重比(即15以上量级)的航空燃气涡轮发动机，而影响其性能至关重要的组成部分，是具有强逆压梯度特性的高压压气机部件。

隔离段和高压压气机的内部非定常流动机理是提高两类发动机性能的关键。隔离段的流场测试最突出的问题是高温环境下的动态压力测量。例如，当飞行器飞行速度为马赫数10时，隔离段内最大滞止温度将大于2000K。并且，由于燃烧室的存在会导致其壁面温度不均，进而会改变隔离段内的激波串或伪激波结构，影响隔离段的抗反压能力，因此，亟需发展能够在此高温环境下工作，测量激波结构的压力测试技术。高压压气机中流场测试最难解决的是高压环境下的高频脉动压力测量。例如，某型号航空发动机高压压气机压力接近20个大气压，排叶片数为105个，转速为18000rpm，则叶片通过频率为31.5KHz。如果再考虑采集精确性及倍频准则，则最终需要传感器至少具备MHz级别的响应频率。如果想要在上述恶劣复杂的环境中获取强三维非定常流动信息，则需要压力传感器在适于高温(即大于2000K)和高压(即20-30bar)的环境测试基础上，同时具备捕捉高频脉动压力(即MHz及以上)的能力。上述对现有的动态压力测量技术提出了挑战。

目前，广泛应用的动态压力传感器主要包括压阻式压力传感器、压电式压力传感器和电容式传感器等。其中，虽然可适用于高温环境测试的压阻式压力传感器所适用的环境温度能够达到1300K或更高。例如，蓝宝石法-珀腔光纤式压力传感器和碳化硅法-珀腔光纤式高温压力传感器等，但由于其敏感元件受到质量惯性的影响，上述三类压力传感器的最高可用频响均不能超过500KHz，因此，无法满足冲压发动机隔离段和航空涡轮发动机的高压压气机中的高频测试需求。由此可见，基于传统的测压原理已经很难突破温度和频响的瓶颈，需要寻求新的原理实现高温和高频条件下的动态压力测试需求。

发明内容

本发明实施例提供了一种等离子体压力传感器及压力传感系统，以突破超燃冲压发动机隔离段和航空燃气涡轮发动机高压压气机的高温和高频环境的测量瓶颈，实现高温和高频环境下的压力测量。

第一方面，本发明实施例提供了一种等离子体压力传感器，该等离子体压力传感器包括：放电电极和绝缘支撑件；所述放电电极的个数为两个；两个所述放电电极间隔设置于所述绝缘支撑件上；

所述绝缘支撑件用于固定和隔离两个所述放电电极；

在射频交流电压驱动下，两个所述放电电极之间，以及，所述绝缘支撑件的表面产生等离子体。

进一步的，所述放电电极超出所述绝缘支撑件的端面的范围是大于等于0.1mm且小于等于0.5mm。

进一步的，两个所述放电电极之间的间隔由测量压力范围确定。

进一步的，所述两个放电电极之间的间隔由测量压力范围确定，包括：

如果测量压力小于等于0.05MPa且小于等于0.5MPa，则设置两个所述放电电极之间的间隔大于等于10μm且小于等于100μm；

如果测量压力大于等于0.5MPa且小于等于3MPa，则设置两个所述放电电极之间的间隔大于等于150μm且小于等于300μm。

进一步的，所述放电电极的材料为稀有金属或合金金属；和/或，所述绝缘支撑件的材料为陶瓷。

进一步的，该等离子体压力传感器，所述金属螺纹套管包括内螺纹和第一外螺纹；所述非金属引线底座包括引线孔和第二外螺纹；所述金属螺纹套管套接于所述绝缘支撑件的外表面，所述内螺纹与所述第二外螺纹连接；所述引线孔的直径小于所述放电电极的直径；

所述第一外螺纹用于将等离子体压力传感器安装在高压压气机机匣或冲压发动机隔离段上。

进一步的，所述非金属引线底座还包括引线；所述引线与两个所述放电电极连接；

通过所述引线将所述射频交流电压提供给两个所述放电电极。

进一步的，所述非金属引线底座的端部为六角螺母；所述非金属引线底座的顶部开设有沉孔；所述沉孔与所述放电电极过盈配合；

所述沉孔用于固定两个所述放电电极。

第二方面，本发明实施例还提供了一种等离子体压力传感系统，该等离子体压力传感系统，包括：如本发明实施例第一方面所述的等离子体压力传感器；还包括外电路，所述外电路包括射频交流电源、频率匹配模块、信号调制解调模块、电流负反馈模块和信号采集处理模块；所述射频交流电源的输出端与所述频率匹配模块的输入端连接，所述射频交流电源的控制端与所述电流负反馈模块的输出端连接；所述频率匹配模块的输出端与所述等离子体压力传感器连接；所述信号调制解调模块的输入端与所述等离子体压力传感器连接，所述信号调制解调模块的输出端与所述信号采集处理模块的输入端连接；所述信号采集处理模块的输入端还与所述等离子体压力传感器连接；

所述射频交流电源用于为两个所述放电电极提供射频交流电压；

所述频率匹配模块用于对所述射频交流电源输出的射频交流电压进行放大；

所述信号调制解调模块用于对所述等离子体压力传感器输出的电压信号进行解调，得到解调信号；

所述电流负反馈模块用于控制所述射频交流电源的输出功率，以使所述等离子体压力传感系统的回路电流维持为参考电流值，所述等离子体压力传感器的输出功率维持在预设功率范围内；

所述信号采集处理模块用于采集并处理所述解调信号和所述等离子体压力传感器输出的电流信号。

进一步的，所述信号采集处理模块包括电压探头、电流探头、数据采集卡和示波器；所述电压探头的输入端与所述信号调制解调模块的输出端连接，所述电压探头的输出端分别与所述数据采集卡的输入端和所述示波器的输入端连接；所述电流探头的输出端与所述示波器的输入端连接；

所述电压探头用于对所述解调信号进行衰减，得到衰减电压信号；

所述电流探头用于测量所述等离子体压力传感系统的回路中的电流信号；

所述数据采集卡用于采集并处理所述衰减电压信号和所述等离子体压力传感器输出的电流信号；

所述示波器用于采集并显示所述衰减电压信号和所述电流信号。

进一步的，所述外电路还包括标定模块；

所述标定模块用于对所述等离子体压力传感器进行静态标定和对激波管进行动态标定。

本发明通过设计包括放电电极和绝缘支撑件的等离子体压力传感器，两个放电电极间隔设置于绝缘支撑件上，在射频交流电压驱动下，两个放电电极之间，以及，绝缘支撑件的表面产生等离子体，上述突破了超燃冲压发动机隔离段和航空燃气涡轮发动机高压压气机的高温和高频环境的测量瓶颈，达到了2000K和MHz频响级别的压力场测量能力。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种等离子体压力传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例中的一种等离子体压力传感器的俯视结构示意图；

图3是本发明实施例中的一种等离子体压力传感器的剖视结构示意图；

图4是本发明实施例中的一种等离子体压力传感系统的结构示意图；

图5是本发明实施例中的另一种等离子体压力传感系统的结构示意图；

图6是本发明实施例中的一种等离子体压力传感系统的等效电路示意图；

图7是本发明实施例中的一种高气压静态标定系统的结构示意图；

图8是本发明实施例中的一种激波管动态标定系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，实施例中记载的各个特征可进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种等离子体压力传感器的结构示意图，本实施例可适用于高温和高频条件下的动态压力测试的情况。如图1所示，该等离子体压力传感器1具体可以包括放电电极10和绝缘支撑件11，下面对其结构和功能进行说明。

放电电极10个数为两个；两个放电电极10间隔设置于绝缘支撑件11上。

绝缘支撑件11用于固定和隔离两个放电电极10。

在射频交流电压驱动下，两个放电电极10之间，以及，绝缘支撑件11的表面产生等离子体。

在本发明的实施例中，等离子体(即电浆)是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质。等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质是由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其它原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。电子离开原子核的过程称为电离。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的一团均匀的浆糊，上述浆糊可称为离子浆。由于离子浆中正负电荷总量相等，因此，它是近似电中性的，基于上述，又称为等离子体。

放电电极10可用于在射频交流电压的驱动下，在两个放电电极10之间，以及，绝缘支撑件11的表面产生等离子体。相比于传统技术中产生等离子体所采用的直接击穿电极间隙的结构，本发明实施例所提供的是沿面放电的结构，由于沿表面放电所需的击穿电压(或功率)更低，因此，更容易在高气压环境下产生稳定的等离子体，并且放电更稳定以及不易熄灭。

放电电极10的形状可以包括对称形状和非对称形状。其中，对称形状可以包括圆柱形、半圆形和方形等。由于不同形状的电极，得到的电压与气压的校准曲线不同，因此，不同形状的电极的敏感气压范围不同。相应的，可将不同形状的电极应用到不同的流场中。即可根据不同流场对气压范围的要求，选择相应形状的电极。可选的，在本发明实施例中，放电电极10的形状可以为柱状，即放电电极10可以为柱状电极。此外，为了满足对灵敏度和传感器的尺寸要求，即足够高的灵敏度和足够小的传感器尺寸，放电电极10的直径的范围可以为大于等于0.4mm且小于等于0.8mm。放电电极10可选择耐高温、耐腐蚀、延展性好、易加工、导电性和导热性好的材料。

绝缘支撑件11的直径可两个放电电极10之间的间隙和两个放电电极10的直径确定。可选的，绝缘支撑件11的直径的范围为大于等于2mm且小于等于3mm。绝缘支撑件11的高度可由深径比的加工能力确定。可选的，绝缘支撑件11的高度的范围为大于等于3mm且小于等于6mm。绝缘支撑件11的高度小于放电电极10的高度。绝缘支撑件11可用于支撑和隔离两个放电电极10，以保证放电电极10之间具有稳定的间隙，即放电控件。绝缘支撑件11可选择耐高温和耐腐蚀的材料，以保证等离子体压力传感器1可以在高焓高压的环境下工作。

上述等离子体压力传感器可实现高频率响应，相比于传统技术中的压阻式传感器的优势在于：由于本发明实施例所提供的等离子体压力传感器理论上不受热惯性和质量惯性的限制，因此，其动态响应频率理论上可达MHz甚至10MHz水平，并且在2000K高温下也具有良好的鲁棒性。基于上述，本发明实施例所提供的等离子体压力传感器可达到2000K和MHz频响级别的压力场测量能力，突破超燃冲压发动机隔离段和航空燃气涡轮发动机高压压气机的高温和高频环境的测量瓶颈，为认识隔离段和压气机内部流动结构提供更多实验数据，同时也可以丰富和发展气体放电理论，具有重要的科学意义和工业应用价值。

本实施例的技术方案，通过设计包括放电电极和绝缘支撑件的等离子体压力传感器，两个放电电极间隔设置于绝缘支撑件上，在射频交流电压驱动下，两个放电电极之间，以及，绝缘支撑件的表面产生等离子体，上述突破了超燃冲压发动机隔离段和航空燃气涡轮发动机高压压气机的高温和高频环境的测量瓶颈，达到了2000K和MHz频响级别的压力场测量能力。

可选的，在上述技术方案的基础上，放电电极10可超出绝缘支撑件11的端面的范围是大于等于0.1mm且小于等于0.5mm。

可选的，在上述技术方案的基础上，两个放电电极10之间的间隔可由测量压力范围所确定。

可选的，在上述技术方案的基础上，两个放电电极10之间的间隔由测量压力范围确定，具体可以包括：如果测量压力大于等于0.05MPa且小于等于0.5MPa，则设置两个放电电极10之间的间隔大于等于10μm且小于等于100μm。如果测量压力大于等于0.5MPa且小于等于3MPa，则设置两个放电电极10之间的间隔大于等于150μm且小于等于300μm。

在本发明的实施例中，两个放电电极10之间的间隔可由测量压力范围所确定，具体的：如果测量压力大于等于0.05MPa且小于等于0.5MPa，则可设置两个放电电极10之间的间隔大于等于10μm且小于等于100μm。如果测量压力大于等于0.5MPa且小于等于3MPa，则可设置两个放电电极10之间的间隔大于等于150μm且小于等于300μm。即如果两个放电电极10之间的间隔大于等于10μm且小于等于100μm，则可测量的测量压力范围为大于等于0.05MPa且小于等于0.5MPa。如果两个放电电极10之间的间隔大于等于150μm且小于等于300μm，则可测量的测量压力范围为大于等于0.5MPa且小于等于3MPa。

如图2所示，给出了一种等离子体压力传感器的俯视结构示意图。从图2可以看出，两个放电电极10、两个放电电极10之间的间隔以及绝缘支撑件11的位置关系。

可选的，在上述技术方案的基础上，放电电极10的材料可为稀有金属或合金金属。和/或，绝缘支撑件的材料可为陶瓷。

在本发明的实施例中，根据上文所述可知，放电电极10的材料需要满足如下条件：耐高温、耐腐蚀、延展性好、易加工、导电性和导热性好。由于稀有金属或合金金属可满足上述条件，因此，放电电极10的材料可以为稀有金属或合金金属。其中，稀有金属可以为铂、钽或铱等。合金金属可以为铂铑合金、铱铂合金或铂钨合金等。

根据上文所述可知，绝缘支撑件11的材料需要满足如下条件：耐高温和耐腐蚀。由于陶瓷可满足上述条件，因此，绝缘支撑件11的材料可以为陶瓷或其它耐高温和耐腐蚀的绝缘材料。其中，陶瓷可以为氧化铝或氧化锆等。

上述放电电极10的材料为稀有金属或合金金属，绝缘支撑件11的材料为陶瓷或其它耐高温和耐腐蚀的绝缘材料，可适用于在超燃冲压发动机和航空燃气涡轮发动机的高温环境下的压力测量，温度可以达到2000K。

可选的，如图3所示，在上述技术方案的基础上，该等离子体压力传感器1具体还可以包括：金属螺纹套管12和非金属引线底座13。

金属螺纹套管12可以包括内螺纹(图3未示出)和第一外螺纹120。非金属引线底座13可以包括引线孔130和第二外螺纹(图3未示出)。金属螺纹套管12套接于绝缘支撑件11的外表面，内螺纹与第二外螺纹连接。引线孔130的直径小于放电电极10的直径。

第一外螺纹120可用于将等离子体压力传感器1安装在高压压气机机匣或冲压发动机隔离段上。

在本发明的实施例中，如图3所示，给出了一种等离子体压力传感器的剖视结构示意图。等离子体压力传感器1还可以包括金属螺纹套管12和非金属引线底座13，其中，金属螺纹套管12可以包括内螺纹和第一外螺纹120，非金属引线底座13可以包括引线孔130和第二外螺纹。金属螺纹套管12可套接于绝缘支撑件11的外表面，金属螺纹套管12的内螺纹与非金属引线底座13的第二外螺纹连接。非金属引线底座13的引线孔130的直径可小于放电电极10的直径。

第一外螺纹120可用于将等离子体压力传感器1安装在高压压气机机匣或冲压发动机隔离段上。金属螺纹套管12的长度可由高压压气机机匣的壁厚或冲压发动机隔离段的壁厚确定。金属螺纹套管12可选择强度高、导热性好和易加工的材料。可选的，金属螺纹套管12的材料可以为不锈钢。

非金属引线底座13可选择耐高温且不易变形的非金属材料。可选的，非金属引线底座13的材料可以为聚四氟乙烯等。

可选的，在上述技术方案的基础上，非金属引线底座13具体还可以包括引线。引线可与两个放电电极10连接。

通过引线将射频交流电压提供给两个放电电极10。

在本发明的实施例中，非金属引线底座13的引线可通过激光焊接等方式与放电电极10连接，并可以与射频交流电源连接。射频交流电源产生的射频交流电压可通过非金属引线底座13的引线将其提供给两个放电电极10。引线可选择导电性好且具有一定强度的材料。引线的材料可以为金属或合金。可选的，引线的材料为铜银合金。

可选的，在上述技术方案的基础上，非金属引线底座13的端部为六角螺母。非金属引线底座13的顶部开设有沉孔。沉孔与放电电极10过盈配合。

沉孔可用于固定两个放电电极10。

在本发明的实施例中，为方便安装固定，非金属引线底座13的端部可为螺母，具体可为六角螺母，即非金属引线底座13的端部即是六角螺母。非金属引线底座13的第二外螺纹可与金属螺纹套管12的内螺纹连接。非金属引线底座13的顶部可开设有沉孔，沉孔的直径可与放电电极10的直径实现过盈配合，从而实现固定两个放电电极10。即可通过过盈配合将两个放电电极10固定在非金属引线底座13端部的沉孔中。

图4为本发明实施例提供的一种等离子体压力传感系统的结构示意图，本实施例可适用于高温和高频条件下的动态压力测试的情况。如图4所示，该等离子体压力传感系统具体可以包括等离子体压力传感器1，具体还可以包括外电路2，外电路2具体可以包括射频交流电源20、频率匹配模块21、信号调制解调模块22、电流负反馈模块23和信号采集处理模块24，下面对其结构和功能进行说明。

射频交流电源20的输出端可与频率匹配模块21的输入端连接，射频交流电源20的控制端可与电流负反馈模块23的输出端连接。频率匹配模块21的输出端可与等离子体压力传感器1连接。信号调制解调模块22的输入端可与等离子体压力传感器1连接，信号调制解调模块22的输出端可与信号采集处理模块24的输入端连接。信号采集处理模块24的输入端还可与等离子体压力传感器1连接。

射频交流电源20可用于为两个放电电极10提供射频交流电压。

频率匹配模块21可用于对射频交流电源20输出的射频交流电压进行放大。

信号调制解调模块22可用于对等离子体压力传感器1输出的电压信号进行解调，得到解调信号。

电流负反馈模块23可用于控制射频交流电源20的输出功率，以使等离子体压力传感系统的回路电流维持为参考电流值，等离子体压力传感器1的输出功率维持在预设功率范围内。

信号采集处理模块24可用于采集并处理解调信号和等离子体压力传感器1输出的电流信号。

在本发明的实施例中，射频交流电源20可用于输出射频交流电压，可通过射频匹配模块21对输出的射频交流电压放大后，并将放大后的射频交流电压提供给等离子体压力传感器1的两个放电电极10。由于射频交流电源20输出的射频交流电压是比较小的，而如果要实现使等离子体压力传感器1产生等离子体，则需要将射频交流电源20输出的射频交流电压进行放大。上述射频匹配模块21即是用于实现将射频交流电源20输出的射频交流电压放大。即射频匹配模块21是实现放大功能的放大电路。常见的放大电路可以为串联谐振放大电路、变压器升压电路和三极管谐振放大电路等，即射频匹配模块21可以为串联谐振放大电路、变压器升压电路或三极管谐振放大电路，具体可根据实际情况进行设定，在此不作具体限定。在本发明实施例所提供的技术方案中，射频交流电源20的频率范围可从KHz到MHz。射频匹配电路21将其输出的射频交流电压放大20-30倍，得到射频交流电压的有效值范围为大于等于300V且小于等于5000V。射频交流电源20的启动功率范围为大于等于5W且小于等于30W，射频交流电源20的稳定工作功率范围为大于等于1W且小于等于5W。需要说明的是，本发明实施例采用射频交流电源20驱动等离子放电，相比于直流电源驱动等离子体放电而言，由于射频交流电源20的驱动能量密度更高，因此，使得等离子体辉光放电更加稳定，进而如果遇到强气流等的影响，则不易熄灭。此外，本发明实施例可选择频率在MHz级别的射频交流电源20，相应的，射频匹配模块21可称为MHz射频匹配模块21。

信号调制解调模块22的输入端可与等离子体压力传感器1连接，信号调制解调模块22的输出端可与信号采集处理模块24的输入端连接。信号调制解调模块22可用于对等离子体压力传感器1输出的电压信号进行解调，得到解调信号。针对信号调制解调模块22而言，将在保证其信噪比的基础上，对载波频率和电极电压波动耦合的信号进行信号调理，以得到与气压对应的电压信号。

电流负反馈模块23可用于控制射频交流电源20的输出功率，以使等离子体压力传感系统的回路电流维持为参考电流值。上述可作如下理解：由于等离子体压力传感器1在放电之前需要的击穿电压较高，示例性的，如功率为30W，电压范围为大于等于1KV且小于等于5KV，而放电之后所需的维持电压较低，示例性的，如功率范围为大于等于1W且小于等于5W，电压范围为大于等于300V且小于等于450V，如果击穿之后继续维持原有的功率，则会造成放电电极10过热，产生对放电电极10的严重烧蚀，进而影响放电电极10的使用寿命。基于上述，需要对整个等离子体压力传感系统实现自动控制，设计目标如下：在特定工况时，需要控制射频交流电源20的输出功率。具体的：当等离子体压力传感器1的空气间隙被击穿之后，上位机通过电流负反馈模块23控制射频交流电源20的输出功率逐渐降低，以使整个等离子压力传感系统所形成的回路的回路电流维持于预设电流值，等离子体压力传感器1的输出功率维持在预设功率范围内。其中，预设电流值和预设功率范围可根据实际情况进行设定，在此不作具体限定。可选的，预设功率范围可以为大于等于1W且小于等于5W。上述系统可通过检测回路电流是否发生突变的方式来确定等离子体压力传感器1的空气间隙是否被击穿。即如果系统检测到回路电流发生突变，则可确定等离子体压力传感器1的空气间隙被击穿。

信号采集处理模块24可用于采集并处理解调信号和等离子体压力传感器1输出的电流信号。此外，信号采集处理模块24的输出端与上位机的输入端连接，上位机可根据信号采集处理模块24的处理结果，处理结果可以包括检测回路电流是否发生突变。相应的，如果处理结果为回路电流发生突变，则上位机可根据信号采集处理模块24的处理结果向电流负反馈模块23发送控制信号，电流负反馈模块23根据控制信号控制射频交流电源20的输出功率逐渐降低。上述表明，信号采集处理模块24的输出端与上位机的输入端连接，上述位的输出端与电流负反馈模块23的输入端连接，电流负反馈模块23的输出端与射频交流电源20的控制端连接。

如图5所示，给出了另一种等离子体压力传感系统的结构示意图。等离子体压力传感器1、射频交流电源20、射频匹配模块21、信号调制解调模块22和信号采集处理模块24也可参见图5。

本实施例的技术方案，通过等离子体压力传感系统突破了超燃冲压发动机隔离段和航空燃气涡轮发动机高压压气机的高温和高频环境的测量瓶颈，达到了2000K和MHz频响级别的压力场测量能力。

可选的，如图6所示，在上述技术方案的基础上，信号采集处理模块24具体可以包括电压探头240、电流探头241、数据采集卡(图6未示出)和示波器(图6未示出)。电压探头240的输入端可与信号调制解调模块22的输出端连接，电压探头240的输出端可分别与数据采集卡的输入端和示波器的输入端连接。电流探头241的输出端可与示波器的输入端连接。

电压探头240可用于对解调信号进行衰减，得到衰减电压信号。

电流探头241用于测量等离子体压力传感系统的回路中的电流信号。

数据采集卡可用于采集并处理衰减电压信号和等离子体压力传感器1输出的电流信号。

示波器可用于采集并显示衰减电压信号和电流信号。

在本发明的实施例中，如图6所示，给出了一种等离子体压力传感系统的等效电路示意图。图6中，电压探头240，或称放大器，可用于对由信号调整解调模块22输出的解调信号进行衰减，得到衰减电压信号。本发明实施例中电压探头240可采用1000:1的比例将对高电压值的解调信号进行衰减，得到低电压值的衰减电压信号。相应的，信号采集处理模块24可采集并处理衰减电压信号和等离子体压力传感器1输出的电流信号。

电流探头241可用于测量等离子体压力传感系统所形成的回路中的电流信号。电流探头可根据实际情况进行选择，在此不作具体限定。可选的，电流探头可为泰克TCP312电流探头，其带宽为100MHz，具有三个可选量程，可测量的最低电流为1mA，信号延迟(即BNC输出延迟)为17ns。

衰减电压信号和等离子体压力传感器1输出的电流信号可由数据采集卡和/或示波器进行采集并处理。衰减电压信号和等离子体压力传感器1输出的电流信号可通过高频同轴电缆传输至数据采集卡和/或示波器。其中，高频同轴电缆的波阻可以为50Ω。数据采集卡可采用由NI(National Instruments，美国国家仪器有限公司)生产的PXI(PCIeXtensions for instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)动态数据采集卡，型号可为PXIe-4309。该动态数据采集卡可同时满足高精度和超高频的采集要求。其中，分辨率可达18位以上，频率可达MHz。具有28位、32通道、2MS/s和±15V灵活分辨率的PXI模拟输入模块，可采样多达32个差分通道，并可在8个同步采样的ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)上多路复用模拟输入通道。可以以高达2MS/s/ch的速率采样8个输入通道，即每个ADC对应一个输入通道，以高达100kS/s/ch的速率采样32个输入通道，即每个ADC对应四个输入通道。并且具有灵活的分辨率范围，可从2MS/s/ch的18位涵盖到2S/s/ch的28位。此外，还具有板载信号平均和滤波功能，以及，自动归零测量切换和斩波模式，可通过一对通道提供高水平的噪声抑制，并实现精确且可重复的纳伏级测量。数据采集程序可采用虚拟仪器进行编写设计，以LabVIEW和Lab Windows为平台搭建了一套完整的动态数据采集系统。

除数据采集卡外，示波器也可用于采集并处理衰减电压信号和等离子体压力传感器1输出的电流信号。此外，示波器还可显示衰减电压信号和等离子体压力传感器1输出的电流信号。可选的，示波器可选用型号为DPO3034的数字荧光彩色示波器，该示波器的带宽为300MHz，采集速度为2.5GS/s，记录长度为5M，并具有4个模拟输入通道。

可选的，在上述技术方案的基础上，外电路具体还可以包括标定模块。

标定模块可用于对等离子体压力传感器1进行静态标定和对激波管进行动态标定。

在本发明的实施例中，为了使得等离子体压力传感系统具有更高的响应频率和线性灵敏度，该等离子体压力传感系统具体还可以包括标定模块。标定模块可用于对等离子体压力传感器1进行静态标定以获得线性灵敏度，以及，对激波管进行动态标定以获得更高响应频率。

需要说明的是，可在马赫数为更换喷管段(即大于等于3且小于等于6)的低噪声超声速隔离段风洞，安装本发明实施例所提供的适用于高焓高压测量环境的等离子体压力传感器及系统，测量激波串流场的高频振荡，为提高冲压发动机的性能提供支撑和依据。

还需要说明的是，可将本发明实施例所提供的等离子体压力传感器以阵列的形式布置在高压压气机静叶表面，示例性的，如从前缘到尾缘埋入10个由本发明实施例所提供的适用于高焓高压测量环境的等离子体压力传感器，以测量叶片载荷分布，用于捕捉和提取更丰富的三维流场非定常信息和精细结构，为设计高速压气机提供数据支。

图7为本发明实施例提供的一种高气压静态标定系统的结构示意图。如图7所示，高气压静态标定系统的放电室为圆柱形压力容器，设计压力(即绝对压力)为大于等于0KPa且小于等于2000KPa。可利用气泵使放电室内的气压在可控范围内变化，从而为放电提供不同的压力环境。

标定实验时，首先，大气压条件下固定某一间隙和电流，得到稳定柔和的辉光放电，测量维持电压(或电源功率)随放电时间的变化曲线，以研究和确认利用等离子体压力传感系统测量气压的稳定性；其次，改变放电电极之间的间隙，研究不同间隙的等离子体压力传感器维持电压(或电源功率)对气压变化的响应规律。具体为：改变放电室气压，通过调节射频交流电源的输出功率，并采用电流负反馈模块保证回路电流不变，记录放电室内气压及辉光放电稳定后的电压值(或电源输出功率)，得到一组数据。再改变放电电极之间的间隙，重复上述过程，便可以得到不同电极间隙时的气压与等离子体压力传感器输出的电压信号(或电源功率)的关系曲线。

图8为本发明实施例提供的一种激波管动态标定系统的结构示意图。如图8所示，可采用激波管产生一个阶跃压力作为标准信号加在等离子体压力传感器上，研究其动态响应特征。由于激波管的上升时间通常为0.1μs甚至更小，因此，它能对共振频率小于1MHz的传感器进行校准，并能准确测出被校准压力传感器的时域指标(如上升时间、峰值时间、调节时间和超调量等)和频域指标(如工作频率和谐振频率等)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体压力传感器，其特征在于，包括：放电电极和绝缘支撑件；所述放电电极的个数为两个；两个所述放电电极间隔设置于所述绝缘支撑件上；

所述绝缘支撑件用于固定和隔离两个所述放电电极；

在射频交流电压驱动下，两个所述放电电极之间，以及，所述绝缘支撑件的表面产生等离子体。

2.根据权利要求1所述的等离子体压力传感器，其特征在于，所述放电电极超出所述绝缘支撑件的端面的范围是大于等于0.1mm且小于等于0.5mm。

3.根据权利要求1所述的等离子体压力传感器，其特征在于，两个所述放电电极之间的间隔由测量压力范围确定；

所述两个所述放电电极之间的间隔由测量压力范围确定，包括：

如果测量压力大于等于0.05MPa且小于等于0.5MPa，则设置两个所述放电电极之间的间隔大于等于10μm且小于等于100μm；

如果测量压力大于等于0.5MPa且小于等于3MPa，则设置两个所述放电电极之间的间隔大于等于150μm且小于等于300μm。

4.根据权利要求1所述的等离子体压力传感器，其特征在于，所述放电电极的材料为稀有金属或合金金属；和/或，所述绝缘支撑件的材料为陶瓷。

5.根据权利要求1所述的等离子体压力传感器，其特征在于，还包括金属螺纹套管和非金属引线底座；所述金属螺纹套管包括内螺纹和第一外螺纹；所述非金属引线底座包括引线孔和第二外螺纹；所述金属螺纹套管套接于所述绝缘支撑件的外表面，所述内螺纹与所述第二外螺纹连接；所述引线孔的直径小于所述放电电极的直径；

所述第一外螺纹用于将等离子体压力传感器安装在高压压气机机匣或冲压发动机隔离段上。

6.根据权利要求5所述的等离子体压力传感器，其特征在于，所述非金属引线底座还包括引线；所述引线与两个所述放电电极连接；

通过所述引线将所述射频交流电压提供给两个所述放电电极。

7.根据权利要求5或6所述的等离子体压力传感器，其特征在于，所述非金属引线底座的端部为六角螺母；所述非金属引线底座的顶部开设有沉孔；所述沉孔与所述放电电极过盈配合；

所述沉孔用于固定两个所述放电电极。

8.一种等离子体压力传感系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的等离子体压力传感器；还包括外电路，所述外电路包括射频交流电源、频率匹配模块、信号调制解调模块、电流负反馈模块和信号采集处理模块；所述射频交流电源的输出端与所述频率匹配模块的输入端连接，所述射频交流电源的控制端与所述电流负反馈模块的输出端连接；所述频率匹配模块的输出端与所述等离子体压力传感器连接；所述信号调制解调模块的输入端与所述等离子体压力传感器连接，所述信号调制解调模块的输出端与所述信号采集处理模块的输入端连接；所述信号采集处理模块的输入端还与所述等离子体压力传感器连接；

所述射频交流电源用于为两个所述放电电极提供射频交流电压；

所述频率匹配模块用于对所述射频交流电源输出的射频交流电压进行放大；

所述信号调制解调模块用于对所述等离子体压力传感器输出的电压信号进行解调，得到解调信号；

所述电流负反馈模块用于控制所述射频交流电源的输出功率，以使所述等离子体压力传感系统的回路电流维持为参考电流值，所述等离子体压力传感器的输出功率维持在预设功率范围内；

所述信号采集处理模块用于采集并处理所述解调信号和所述等离子体压力传感器输出的电流信号。

9.根据权利要求8所述的等离子体压力传感系统，其特征在于，所述信号采集处理模块包括电压探头、电流探头、数据采集卡和示波器；所述电压探头的输入端与所述信号调制解调模块的输出端连接，所述电压探头的输出端分别与所述数据采集卡的输入端和所述示波器的输入端连接；所述电流探头的输出端与所述示波器的输入端连接；

所述电压探头用于对所述解调信号进行衰减，得到衰减电压信号；

所述电流探头用于测量所述等离子体压力传感系统的回路中的电流信号；

所述数据采集卡用于采集并处理所述衰减电压信号和所述等离子体压力传感器输出的电流信号；

所述示波器用于采集并显示所述衰减电压信号和所述电流信号。

10.根据权利要求8所述的等离子体压力传感系统，其特征在于，所述外电路还包括标定模块；

所述标定模块用于对所述等离子体压力传感器进行静态标定和对激波管进行动态标定。