CN111263503A - 一种等离子体气动探针及其测量系统 - Google Patents

一种等离子体气动探针及其测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及流场检测技术领域，特别地涉及一种等离子体气动探针及其测量系统。本发明公开了一种等离子体气动探针及其测量系统，其中，等离子体气动探针包括绝缘阻挡介质、圆柱状的绝缘件、作为阳极的第一电极和第二电极以及作为阴极的第三电极，所述第三电极为圆柱状结构，嵌设在绝缘件的第一端部内，所述第一电极为片状结构，裸露设置在绝缘件的第一端面，所述绝缘阻挡介质位于第一电极和第三电极的第一端面之间，所述第三电极的第一端面的面积大于第一电极的面积，所述第二电极的数量为多个，并周向等间距分布在绝缘件的外周面上，在绝缘件的径向方向上，第二电极与第三电极至少有部分不重叠。

Description

一种等离子体气动探针及其测量系统
技术领域
本发明属于流场检测技术领域，具体地涉及一种等离子体气动探针及其测量系统。
背景技术
三维流场的测试对于借助流体运动来实现能量转换的机械具有重要的意义，根据所测量的复杂机械表面速度大小及速度矢量分布进行相应的结构改进或飞行控制，可有效提高气动效率和机械运行稳定性。如：测量进气道入口旋流以评估流场畸变对发动机稳定性的影响；测试叶尖附近角区分离和根部泄漏流以分析压气机静子通道内总压损失；通过实时获得飞行器迎角和侧滑角数据以修正飞行姿态，避免失速尾旋。
面对不同场合空气动力流场的测试需求，现已发展出测试技术虽种类繁多，但也存在诸多限制，如基于电阻式压力传感器发展的动态气动探针技术，在航空流场测试中得到运用最广，但存在严重的热惯性，其所能测量的气流偏角范围不超过80度，所能达到的动态响应频率难以突破500kHz，为减小尺寸而制作的微型孔探头，也常存在气孔堵塞问题；热膜、热线传感技术在动态流场测试也具有垄断性地位，并且基于MEMS技术发展的薄膜传感器，常被用于表面精细流场的测量，但受到材料的限制，在高焓气流冲刷下敏感单元容易损坏，因此量程较小，在工程运用中十分有限；激光多普勒测速仪(LDV)、粒子成像测速仪(PIV)等非接触式测量技术是近年来发展的三维流场测试技术，能够展现跨声速流场的瞬时速度分布，但测量系统复杂，并且存在原理上的瓶颈，即示踪粒子运动轨迹无法反应非定常流场信息。
相较于上述测试手段存在问题，基于气体放电原理的等离子体流速测量技术存在诸多优势，基于这一原理所制作的传感器不仅不受热惯性和质量惯性的限制，还可用于高马赫流速下的动态测试，具有非常大的应用潜力。目前，以美国圣母大学的Corke为代表的团队对该项技术的研究最为成熟，所研制的基于交流辉光放电的等离子体风速计最高测试流速达5Ma，响应频率突破MHz，并率先开展压气机的动态测试实验。而国内关于该项技术的研制主要以中国科学院为主，主要是对放电敏感机理的探究，并关于直流辉光放电对气体环境压力的响应测试展开实验。
目前所研制的基于交流辉光放电的等离子体风速计主要采用双电极结构，无法满足对来流方向的测试需求，且放电过程引起的电极损耗极易影响放电的稳定性，进而影响校准和操控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体气动探针及其测量系统用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种等离子体气动探针，包括绝缘阻挡介质、圆柱状的绝缘件、作为阳极的第一电极和第二电极以及作为阴极的第三电极，所述第三电极为圆柱状结构，嵌设在绝缘件的第一端部内，所述第一电极为片状结构，裸露设置在绝缘件的第一端面，所述绝缘阻挡介质位于第一电极和第三电极的第一端面之间，所述第三电极的第一端面的面积大于第一电极的面积，所述第二电极的数量为多个，并周向等间距分布在绝缘件的外周面上，在绝缘件的径向方向上，第二电极与第三电极至少有部分不重叠。
进一步的，所述第一电极为圆形结构。
更进一步的，所述第一电极的厚度为0.001～1mm，其外径小于第三电极的第一端面的外径。
进一步的，所述第二电极采用气相沉积的方式设置在绝缘件的外周面上，数量为3～7个，厚度为0.001～1mm。
进一步的，所述第三电极的外径为0.1～10mm，所述第三电极的中心设有圆柱形的孔洞，其半径为0.05～5mm，所述绝缘阻挡介质还具有填充在该孔洞内的部分。
进一步的，所述第一电极、绝缘阻挡介质、圆柱状的绝缘件和第三电极均为无气隙配合连接。
进一步的，所述绝缘件采用石英或陶瓷材料制成，其位于第三电极的周面外的壁面厚度为0.01～1mm。
进一步的，还包括过渡连接件，所述过渡连接件与绝缘件的第二端固定连接。
进一步的，所述第一电极、第二电极和第三电极均采用耐高温耐腐蚀的导电材料制成。
本发明还提供了一种等离子体气动探针测量系统，包括上述的等离子体气动探针。
本发明的有益技术效果：
本发明具有很高的频响，可达到MHz级别，所测量的气流偏角可达到90度；其敏感单元为气体放电产生的等离子体，因此不存在敏感单元的破坏问题；可反应流场流速、偏角和波动情况等信息，并避免溅射带来的传感器稳定性问题。
本发明结构简单，可结合精密加工技术制备微型探针，为精细三维流场测量提供可能；具有很高的敏感度，在马赫数为5的时候，对流场的均值及波动成分仍能保持高度敏感；适用于高温环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例的等离子体气动探针的立体图；
图2为本发明具体实施例的等离子体气动探针的分解图；
图3为本发明具体实施例的等离子体气动探针的部分剖视图；
图4为本发明具体实施例的等离子体气动探针的剖视图；
图5为本发明具体实施例的等离子体气动探针敏感原理示意图；
图6为本发明具体实施例的等离子体气动探针测量气流方向原理示意图；
图7为本发明具体实施例的等离子体气动探针测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1-4所示，一种等离子体气动探针，包括绝缘阻挡介质2、圆柱状的绝缘件3、作为阳极的第一电极1和第二电极4以及作为阴极的第三电极6，所述第三电极6为圆柱状结构，嵌设在绝缘件3的第一端部(即图4的左端部)内，所述第一电极1为片状结构，裸露设置在绝缘件3的第一端面，所述绝缘阻挡介质2位于第一电极1和第三电极6的第一端面之间，所述第三电极6的第一端面的面积大于第一电极1的面积，所述第二电极4的数量为多个，并周向等间距分布在绝缘件3的外周面上，在绝缘件3的径向方向上，第二电极4与第三电极6至少有部分不重叠，即错位设置。
本具体实施例中，绝缘件3的第一端部向内凹陷形成一安装腔体31，第三电极6安装在安装腔体31内，且第三电极6的轴与绝缘件3的轴平行，绝缘阻挡介质2覆盖在第三电极6的第一端面上，绝缘阻挡介质2的面积应不小于第三电极6的第一端面的面积，从而将第三电极6的第一端面全部覆盖。
优选的，安装腔体31为圆形结构，绝缘阻挡介质2也为圆形结构，绝缘阻挡介质2的直径不小于第三电极6的外径，且与安装腔体31的内径相适配。
优选的，绝缘阻挡介质2与绝缘件3的第一端面平齐，但并不限于此，第一电极1设置在绝缘阻挡介质2的外端面上。放电的形成关键在于达到气体击穿所需的电场大小，绝缘层厚度过大，则相应的需提高电极两端电压，这对电源的要求有所提高；绝缘层厚度过小，在高压电场下易发生电击穿，使器件失效，因此，本具体实施例的绝缘阻挡介质2的厚度优选为0.01～1mm，绝缘件3的位于第三电极6的周面外的壁面厚度优选为0.01～1mm，但并不限于此。
本具体实施例中，第一电极1优选为圆形，使得电场更均匀，测量效果更好，第一电极1的直径小于第三电极6的外径，且中心与第三电极6的轴线重合，但并不以此为限，在其它实施例中，第一电极1也可以是正方形等其它形状。
电极厚度太大不利于形成稳定的放电，放电细丝易出现跳动，不利于获得稳定的输出；介质阻挡放电裸露的阳极虽溅射产生的电极损耗小，但厚度如果太小，放电过于集中，仍易影响其寿命，因此，本具体实施例中，所述第一电极的厚度优选为0.001～1mm，第二电极4厚度优选0.001～1mm，但并不以此为限。
本具体实施例中，所述第三电极6的中心设有圆柱形的孔洞61，便于后续第一电极1的接线，所述绝缘阻挡介质2还具有填充在该孔洞61内的部分。
优选的，本实施例中，第三电极的外径为0.1～10mm，孔洞61的半径为0.05～5mm(阴极电极的尺寸将直接影响整体结构的尺寸，尺寸太大，影响测试流场；尺寸太小影响结构强度)，但并不限于此，第一电极1的直径大于孔洞61的直径。
本具体实施例中，第二电极4采用气相沉积的方式设置在绝缘件3的外周面上，保证第二电极4与绝缘件3的外周面无气隙，当然，在其它实施例中，第二电极4也可以采用电镀等其它方式设置在绝缘件3的外周面上。
优选的，第二电极4的数量为3～7个，所分布电极数量越多，理论上所确定的气流方向越为精准。本具体实施例的第二电极4的数量为4个，等间距沿轴向设置在绝缘件3的外周面上。
本具体实施例中，第二电极4为长方形结构，但并不限于此。
本具体实施例中，在绝缘件3的径向方向上，第二电极4与第三电极6没有重叠部分，即完全错开设置，当然，在其它实施例中，第二电极4与第三电极6也可以有部分重叠。
为保证等离子体气动探针能够在高温环境下使用，本具体实施例中，第一电极1、第二电极4和第三电极6优选采用稀有金属(如铂、铱、钽)、合金金属(如铂铑合金、铂铱合金)或导电陶瓷材料(如ITO、二硼化钽)等耐高温耐腐蚀的导电材料制成，在保证导电性的同时，还具有耐高温、耐腐蚀的特性。绝缘件3和绝缘阻挡介质2优选采用石英或者陶瓷(如氧化铝、氮化硼、云母等)制成，这些材料均具有高温绝缘性和稳定性。
优选的，所述第一电极1、绝缘阻挡介质2、圆柱状的绝缘件3和第三电极6均为无气隙配合连接，以保证只有裸露在空气中的电极产生放电，可以采用高温胶涂覆在元件之间的配合面上，保证气隙被充分填充，如绝缘阻挡介质2与第三电极6的配合，第三电极6与绝缘件3的配合；也可通过电镀或气相沉积的方法直接生长电极，如第二电极4和第一电极1。
本具体实施例中，所述绝缘件3和绝缘阻挡介质2还设有分别与第一电极1、第二电极4和第三电极6连通的线孔7，用于第一电极1、第二电极4和第三电极6的接线，线孔7的出线口设置在绝缘件3的第二端面。
分别与第一电极1、第二电极4和第三电极6连接的导线穿设在线孔7内，并从出线口引出，导线可以使用耐高温导电浆料或焊接的方式与各自的电极形成牢固接触，并使用高温绝缘胶封住线孔7，起到进一步绝缘保护作用。
本具体实施例中，还包括过渡连接件5，所述过渡连接件5与绝缘件3的第二端固定连接，用于支撑和固定绝缘件3。
本具体实施例中，过渡连接件5为圆柱状结构，且与绝缘件3连接的端部为圆锥状，但并不限于此。
过渡连接件5设有贯穿其前后端且与线孔7连通的过线孔，用于让导线穿过，以保护导线。过渡连接件5优选采用耐高温金属或陶瓷制成，不仅耐高温，且具有一定的强度，以免受高马赫气流的冲击而出现断裂。
本具体实施例中，绝缘件3和绝缘阻挡介质2为两个分立部件，便于加工组装，当然，在其它实施例中，绝缘件3和绝缘阻挡介质2也可以是一体成型件，如通过浇注成型等。
图5为本发明等离子体气动探针敏感原理示意图，通过对交错布置在绝缘阻挡介质两侧的电极通高压交流电，就可以形成介质阻挡放电，裸露在空气中的电极附近便产生等离子体。未施加流场时，单位时间内通过电极的电荷量一定，即平均电流大小不变；当施加流场时，部分等离子体被带离放电区域而未到达电极，所以单位时间内到达电极的电荷量减少，均值电流减小，由此建立起电流大小和气流流速的关系。因为电流发生变化，分压到电极两端的电压也随之变化，所以也可建立起电压和流速的关系。
等离子体气动探针关于流速方向的测量机理和压阻式多孔气动探针机理大致相似，当来流方向一定时，气动探针不同位置电极感受到流速大小不同，最终根据获得的数据来确定气流偏角。如图6所示，来流方向一定时，由第二电极4和第一电极1共同确定流速沿x、y、z的三个方向的分量，并由此确定气流的迎角α、侧滑角β、俯仰角θ和方位角φ，它们之间的转换关系如下：
Figure BDA0002312466650000081
Figure BDA0002312466650000082
其中，W、V和U分别沿x、y、z轴的速度分量大小。
如图7所示，本发明还公开了一种等离子体气动探针测量系统，包括上述的等离子体气动探针，还包括外电路部分和采集系统。
所述外电路主要用于为放电提供所需的电压，其中交流电源为功率放大器，输出功率范围为0～200W，输出频率范围为10kHz～20MHz；为实现交流电源与后端电路的阻抗匹配，交流电源需连接阻抗匹配器，匹配范围为1～2000Ω；由于电源在满足阻抗匹配后直接输出电压最大不超过600V，因此需连接变压器进行升压，本实施例所用变压器升压比为1:20，可承受峰值电压为10kV，工作频率为500kHz；电源经由变压器升压后，输出端先连接至限流电阻R0再连接至第一电极1和第二电极4，用于限制外电路电流的大小，通常选用电阻大小为100kΩ～10MΩ；第三电极6与采样电阻Ri相连，最终接地，主要用于间接获取放电电流和电压数据，其大小通常为100Ω～10kΩ。
所述采集系统用于采集放电电压和电流数据，并用于校验流速大小和波动情况。其中高压探头采用1000:1的衰减比例将高电压转换为低电压，连接至示波器以便能够获取数据；所述示波器采集速度为2.5GS/s，有4个模拟输入通道，用于采集并显示所得到动态数据及波形，最终存储并记录到电脑以便作进一步数据处理。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子体气动探针，其特征在于：包括绝缘阻挡介质、圆柱状的绝缘件、作为阳极的第一电极和第二电极以及作为阴极的第三电极，所述第三电极为圆柱状结构，嵌设在绝缘件的第一端部内，所述第一电极为片状结构，裸露设置在绝缘件的第一端面，所述绝缘阻挡介质位于第一电极和第三电极的第一端面之间，所述第三电极的第一端面的面积大于第一电极的面积，所述第二电极的数量为多个，并周向等间距分布在绝缘件的外周面上，在绝缘件的径向方向上，第二电极与第三电极至少有部分不重叠。
2.根据权利要求1所述的等离子体气动探针，其特征在于：所述第一电极为圆形结构。
3.根据权利要求2所述的等离子体气动探针，其特征在于：所述第一电极的厚度为0.001～1mm，其外径小于第三电极的第一端面的外径。
4.根据权利要求1所述的等离子体气动探针，其特征在于：所述第二电极采用气相沉积的方式设置在绝缘件的外周面上，数量为3～7个，厚度为0.001～1mm。
5.根据权利要求1所述的等离子体气动探针，其特征在于：所述第三电极的外径为0.1～10mm，所述第三电极的中心设有圆柱形的孔洞，其半径为0.05～5mm，所述绝缘阻挡介质还具有填充在该孔洞内的部分。
6.根据权利要求1所述的等离子体气动探针，其特征在于：所述第一电极、绝缘阻挡介质、圆柱状的绝缘件和第三电极均为无气隙配合连接。
7.根据权利要求1所述的等离子体气动探针，其特征在于：所述绝缘件采用石英或陶瓷材料制成，其位于第三电极的周面外的壁面厚度为0.01～1mm。
8.根据权利要求1所述的等离子体气动探针，其特征在于：还包括过渡连接件，所述过渡连接件与绝缘件的第二端固定连接。
9.根据权利要求1所述的等离子体气动探针，其特征在于：所述第一电极、第二电极和第三电极均采用耐高温耐腐蚀的导电材料制成。
10.一种等离子体气动探针测量系统，其特征在于：包括权利要求1-9任意一项所述的等离子体气动探针。
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CN111935893A (zh) * 2020-07-23 2020-11-13 中国科学院力学研究所 一种三电极结构的静电探针系统

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