實驗名稱：等離子體壓力傳感器及其在動態壓力測量中的應用

研究方向：壓力傳感器

測試目的：

如何準確測量高超沖壓發動機隔離段和航空發動機壓氣機部件的內部流場是提升發動機性能及可靠性的有效手段之一,而隔離段和高壓壓氣機的內部流場具有高溫、高壓、高頻動態壓力等特點，因此若要在上述復雜動力機械中完成內部流場的準確測量,動態壓力傳感器要同時具備小尺寸、高頻響(MHz及以上)且在高溫高壓流場穩定工作的能力。而目前傳感器由于受到質量慣性的影響，最高可用頻響在500kHz以內，或者有著存在著尺寸偏大(6~10mm)、溫度漂移等問題,無法滿足發動機復雜機械內部非定常測量的需要。而在對新技術的探索中,等離子體技術由于其有著許多先天優勢而引起了研究者們的關注，如其理論上有著高頻率響應的特性、不受熱慣性的限制、基于等離子體原理的探針結構尺寸小,可達毫米尺度。因此認為其具有十分優秀的發展潛力，有望突破高溫高壓流場測量的技術瓶頸。

測試設備：等離子體壓力傳感器、信號源、示波器、壓力傳感器、ATA-8202射頻功率放大器、電熱高溫箱。

圖1：等離子體壓力傳感器示意圖及實物圖

實驗過程：

實驗時將等離子體壓力傳感器置于壓力氣罐中，通過氣體放電室外部的絕綜套簡將導線接入放電空中，打開射頻交流電源，調整電源輸出功率為5W，此時等離子體壓力傳感器兩端的電壓波形為近似正弦波，可判斷此時等離子體穩定放電。實驗采用衰減比1000:1電壓探頭來記錄傳感器兩端的維持電壓值，并由示波器進行顯示和記錄數據。

首先在大氣壓環境下獲得穩定的射頻等離子體，電源輸出交流頻率為125MHZ；然后改變放電室氣壓，從0.4atm逐步升高到4.5atm，以0.latm為間隔記錄等離子體壓力傳感器兩端的電壓值隨放電室內的氣壓變化的特性曲線:期間通過調節射頻電源的輸出功率，維持其穩定連續放電；電極間隙220m的等離子體壓力傳感器的適用氣壓量程為0.4~4.5atm，對應的電源輸出功率量程為5~9W。當罐內氣壓增大時，其穩定工作電壓也隨之增大，即等離子體壓力傳感器維持電壓與氣壓之間為正相關關系，且不同的電源輸出功率對應若不同的氣壓范圍，整體靈敏度為0.22V/kPa。當電源輸出功率為8W時，實驗結果如圖2所示。

圖2：校準曲線

實驗結果：

本文研究了基于射頻放電等離子體壓力傳感器在激勵載波頻率為1.25MHz，氣壓范圍04~4.5atm下不同輸出功率所對應的穩態響應規律，及其在25C~400C下的高溫工作特性，最終將該等離子體壓力傳感器應用于單轉子軸流壓氣機葉頂動態壓力測量實驗，得到結論如下:

(1)穩態標定實驗結果表明，電極間隙220m的射頻等離子體壓力傳感器可正常工作的氣壓量程為0.4~4.5at，其對應的電源輸出功率量程為5~9w，電源輸出功率隨氣壓的增大而變化，且不同的輸出功率對應著不同的氣壓范圍。整體而言，等離子體壓力傳感器整體的靈敏度為0.22V/kPa。

(2)高溫特性實驗證明，在25C~400C溫度范圍內,等離子體壓力傳感器的維持電壓基本不隨溫度的變化而產生變化,僅在356V左右波動，證明了該等離子體壓力傳感器不僅耐高溫，并且在該溫度范圍內對溫度不具有敏感性，因此不需要進行溫度校準或補償。這是等離子體壓力傳感器與其他類型傳感器相比的優勢之一。

(3)在上述研究工作的基礎上，將該等離子體壓力傳感器和壓阻式動態壓力傳感器Kulite同時安裝在軸流壓氣機機匣上并測量了壓氣機葉頂動態壓力流場，并選取了兩個工況點進行分析:大流量工況(流量系數為0.53)和近失速工況(流量系數為0.45)。對頻域分析可知,等離子體動態壓力傳感器和Kulite動態壓力傳感器一樣，具有捕提葉片通過頻率(2410Hz)的能力，且同樣可以捕捉到葉頂泄漏流的自激非定常特征頻率(970Hz)。

(4)然而，從動態壓力測量實驗結果來看，目前等離子體壓力傳感器與Kulite傳感器仍有差距，主要體現在傳感器的信號處理、信噪比以及精確度上，這是之后等離子體壓力傳感器需要攻克的難點所在。接下來的研究工作將首先改善等離子體壓力傳感器的信噪比及測量精確度，在此基礎上，開展其在實際的高溫高壓環境中的應用研究，最終期望實現在航空發動機、沖壓發動機內部十分嚴苛的高溫高壓高速環境中動態壓力脈動信號的測量與采集。

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

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審核編輯：湯梓紅