CN207816558U - 一种用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置，该装置包括平装探针，其中，平装探针将探针电极表面与绝缘套表面相齐平。该结构很好的解决了在高速流场等离子体中，传统的静电探针由于电极裸露而在流场中易被损坏，以及传统静电探针伸出飞行物表面而影响飞行安全的问题。由此可见，在高速流场等离子体环境中，平装探针可以代替静电探针更好的诊断等离子体参数信息。本实用新型采用电极表面和飞行物表面相齐平的结构，成功的解决了传统朗缪尔探针电极裸露易绝缘和损坏的难点。
Description
技术领域
本实用新型属于空气动力学流场诊断技术领域，具体涉及一种用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置。
背景技术
静电探针是朗缪尔等人1923年发明，由于制作简单，空间分辨率高，可以较为准确的获取探针所在位置局域等离子体参数信息，因此被研究者广泛用于诊断等离子体密度，电子温度和空间电位等信息。但是传统的静电探针无法适用于高速流场环境下的等离子体信息诊断。等离子体鞘层是典型的高速流场等离子体；是高速再入飞行物进入大气层后，由于激波加热和防护材料烧蚀等原因在飞行物表面形成高密度的等离子体薄层。等离子体鞘层的形成会影响飞行物的通讯信号，因此，等离子体鞘层的物理信息诊断对解决通讯中断问题至关重要。传统的静电探针伸出飞行物外后极易被烧蚀，并影响飞行物的飞行安全和稳定，从而无法正常测量飞行物表面等离子体参数。为了解决这一问题，需要设计一种探测电极表面与飞行物表皮齐平的探针结构。
实用新型内容
本实用新型针对电探针不能伸出飞行物表面进行等离子体相关信息的探测问题，发明了一种结合飞行物的外形结构，包括平装探针尺寸、绝缘层、飞行物外形链接方式的平装探针。
本实用新型采用的技术方案为：一种用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置，该装置包括平装探针，其中，平装探针将探针电极表面与绝缘套表面相齐平。
其中，平装探针电极表面与飞行物表面相齐平。
其中，平装探针采用大面积且与飞行物共形的平面结构。
其中，平装探针根据飞行物外形曲率半径的不同选用不同形状的电极。
其中，电极的表面积大小应根据实验中等离子体的电子密度大小和采集系统的自身误差因素来决定，若后端采集电子学系统采集到的电流很小或者完整的伏安特性曲线上无饱和流，可适当增大电极的表面积和偏置电压幅度，直至采集系统可以采集到完整的伏安特性曲线。
其中，平装探针外部绝缘套的材料可以选用耐高温且硬度较大的绝缘材料，绝缘套的目的在于将平装探针电极和外壳之间绝缘。
其中，平装探针装置使用方法为：扫描偏压信号W用于提供平装探针偏置电压，在探针的电极上加入偏置电压后，电极就会收集等离子体中相应的电子或离子，此时将采集第一电阻上的电流信号作为纵坐标以及第二电阻、第三电阻上的电压信号之和作为横坐标第一电阻上的电流即为探针收集到的电流；第二电阻和第三电阻上的电压总和为电源信号加在平装探针上的偏置电压，在电阻的选择上，第一电阻和第二电阻、第三电阻总和之比一般为1:1000，即可得出伏安特性曲线。
本实用新型优点和积极效果为：
(1)本实用新型采用电极表面和飞行物表面相齐平的结构，成功的解决了传统朗缪尔探针电极裸露易绝缘和损坏的难点。
(2)本发明成功的解决了柱探针在飞行物表面易尖端放电和影响飞行物飞行稳定等难点。
(3)本发明相对于传统朗缪尔探针更能很好的契合飞行物表面。
附图说明
图1为平装探针圆形电极示意图；
图2为平装探针电极外部绝缘套示意图；
图3为平装探针外壳示意图；
图4为平装探针的总装配示意图，其中，1为陶瓷绝缘套，2为中心电极，3为装置表面，4为接同轴电缆外套，5为接同轴电缆芯线，6为介质垫圈；
图5为平装探针使用示意图，其中，7为第一电阻，8为第二电阻，9为第三电阻；
图6为探针伏安特性曲线示意图；
图7为平装探针诊断空间电位结果与单探针对比示意图，其中，图7(a)为不同气压下平装探针与柱探针的结果比对，图7(b)为不同电流下平装探针与柱探针结果比对；
图8为平装探针诊断电子密度结果与单探针对比示意图，其中，图8(a)为不同距离下平装探针与柱探针结果比对，图8(b)为不同气压下平装探针与柱探针结果比对；
图9为平装探针诊断电子温度结果与单探针对比示意图，其中，图9(a)为不同气压下平装探针与柱探针结果比对，图9(b)为不同电流下平装探针与柱探针结果比对。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本实用新型。
传统的静电探针由于电极裸露于绝缘套之外的特性导致它不能准确诊断高速飞行物表面的等离子体参数信息。为了解决这一问题，我们提出了将探针电极表面与绝缘套表面相齐平的设计结构，并将具有这种特殊结构的探针，称为平装探针。这一特殊电极结构设计理念很好的解决了在该特殊区域内电探针不能正常诊断等离子体参数的难题。
图1为平装探针电极图(图中阴影部分为平装探针电极，左方为电极侧视图；右方为电极主视图)。平装探针的内电极(收集电极)、外电极嵌于飞行物表面内，且内、外电极表面与飞行物表面相齐平。该结构很好的解决了在高速流场等离子体中，传统的静电探针由于电极裸露而在流场中易被损坏，以及传统静电探针伸出飞行物表面而影响飞行安全的问题。由此可见，在高速流场等离子体环境中，平装探针可以代替静电探针更好的诊断等离子体参数信息。在平装探针电极设计图中，我们采用其中一种面积比较大且与飞行物共形的圆柱结构(根据飞行物外形曲率半径的不同选用不同形状的电极)。电极的表面积大小应根据实验中等离子体的电子密度大小和采集系统的自身误差因素(如：温漂移，电漂移，分辨率等)来决定，若后端采集电子学系统采集到的电流很小或者完整的伏安特性曲线上无饱和流，可适当增大电极的表面积和偏置电压幅度，直至采集系统可以采集到完整的伏安特性曲线。
如图1所示，平装探针的电极为面积最大的圆形，平装探针的电极形状可以为圆形，矩形等，是根据飞行物的表面来定。
图2为平装探针外部绝缘套(图中阴影部分为平装探针电极外部绝缘套，左方为外部绝缘套侧视图；右方为绝缘套的主视图)，绝缘套的材料可以选用耐高温且硬度较大的陶瓷或聚四氟乙烯(绝缘套的目的在于将平装探针电极和外壳之间绝缘)。
图3为平装探针外壳(图中阴影部分为绝缘套外壳，左方为外壳侧视图；右方为外壳的主视图)，外壳的材料可以选用通用的不锈钢材质(外壳是用于固定平装探针电极和外部绝缘套，因此，材料的选取应遵从与飞行物外皮相同的材料，高温下也应考虑耐热因素)。
图4为平装探针总装配图。图中的中心电极为图1所示；绝缘套为图2所示；外套为图3所示。
平装探针的电极嵌入式结构从根本上解决了传统静电探针由于电极裸露而导致在一些特殊的等离子体环境中无法正常工作的难题。如：高温等离子体中传统的静电探针电极易被热的沉积物附着而绝缘，飞行物表面区域中传统的静电探针也不能很好的运行。因此，平装探针电极嵌入式的结构设计有效的解决了传统静电探针在特殊环境下工作的局限。这一实用新型不仅打破了传统探针的结构类型，也在一定程度上扩大了探针的实用区域范围，具有极其重要的意义。
如图5所示平装探针使用示意图(图5下方为平装探针后端诊断电路)，使用方法为：在图5中的最下端为扫描偏压信号W用于提供平装探针偏置电压。在探针的电极上加入偏置电压后，电极就会收集等离子体中相应的电子或离子。此时将采集第一电阻7上的电流信号作为纵坐标以及第二电阻8、第三电阻9上的电压信号之和作为横坐标(第一电阻7上的电流即为探针收集到的电流；第二电阻8和第三电阻9上的电压总和为电源信号加在平装探针上的偏置电压，在电阻的选择上，第一电阻7和第二电阻8、第三电阻9总和之比一般为1:1000)，即可得出如图6所示的伏安特性曲线。
根据探针的伏安特性曲线，就可以得到等离子体区域内的相关参数信息。
平装探针的电极设计不同于传统的静电探针将收集电极裸露于绝缘套外，而是将探针电极表面与绝缘套表面相齐平。这一特殊设计很好的解决了高温等离子体中传统的静电探针由于热沉积而导致探针表面绝缘无法准确的诊断等离子体参数信息，以及再入飞行物表面由于激波加热和防护材料的烧蚀等原因致使传统的静电探针也无法正常的工作的难题。为了使平装探针可以准确的在特殊环境中诊断等离子体参数，在实验室环境下我们还对平装探针进行了校准实验。针对平装探针的特殊结构，提出相关鞘层理论模拟和参数修正，并将所得数据与静电探针相对比。所得结果如图7所示(图中的CP为传统的静电探针，FP为平装探针)：
图7(a)和图7(b)分别为固定放电电流不变和固定放电气压不变的情况下，平装探针诊断空间电势的结果与朗缪尔探针诊断的结果相对比，结果显示，利用平装探针诊断的结果与朗缪尔探针几乎一致，误差仅小于10％。
图8(a)和图8(b)分别为固定放电气压和电流，只改变探针距离灯丝的位置和固定放电电流，只改变放电气压的两种情况下，平装探针诊断电子密度的结果和朗缪尔探针相比较，结果表示两者误差仅小于10％。
图9(a)和图9(b)分别为固定放电电流和固定放电气压的情况下，平装探针诊断有效电子温度的结果与朗缪尔探针的结果相对比，误差也仅小于10％。
根据实验数据可以看出平装探针通过探针伏安特性曲线理论模拟得出的等离子参数信息和传统的朗缪尔探针采集到的数据信息几乎一致，两者的诊断误差都在10％以内。说明平装探针确实可以作为一个准确的诊断工具，诊断静电探针无法正常工作的特殊区域。因此，该实用新型不仅扩大了探针的类型，也在一定程度上极大的扩展了探针的诊断区域范围。
Claims (6)
1.一种用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置，其特征在于：该装置包括平装探针，其中，平装探针将探针电极表面与绝缘套表面相齐平。
2.根据权利要求1所述的用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置，其特征在于：平装探针的电极表面与飞行物表面相齐平。
3.根据权利要求1所述的用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置，其特征在于：平装探针采用大面积且与飞行物共形的平面结构。
4.根据权利要求1所述的用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置，其特征在于：平装探针根据飞行物外形曲率半径的不同选用不同形状的电极。
5.根据权利要求1所述的用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置，其特征在于：电极的表面积大小应根据实验中等离子体的电子密度大小和采集系统的自身误差因素来决定，若后端采集电子学系统采集到的电流很小或者完整的伏安特性曲线上无饱和流，可适当增大电极的表面积和偏置电压幅度，直至采集系统可以采集到完整的伏安特性曲线。
6.根据权利要求1所述的用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置，其特征在于：平装探针外部绝缘套的材料可以选用耐高温且硬度较大的绝缘材料，绝缘套的目的在于将平装探针电极和外壳之间绝缘。
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Cited By (2)
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| CN107817085A (zh) * | 2017-12-07 | 2018-03-20 | 中国科学技术大学 | 一种用于高速流场等离子体参数诊断的平装探针装置 |
| CN111263503A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-06-09 | 厦门大学 | 一种等离子体气动探针及其测量系统 |
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2017
- 2017-12-07 CN CN201721688777.7U patent/CN207816558U/zh active Active
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