基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器。该高频响压力传感器包括：电极，包括阴极和阳极，用于在高压直流电源作用下，在阴极和阳极之间产生等离子体；支撑结构，用于支撑和固定所述电极，保证阴极和阳极之间具有稳定的间隙；以及屏蔽罩，用于屏蔽等离子体与外界气体，使等离子体不受外界气流速度的影响，只感受外界气压的变化。本发明专利技术提供的高频响压力传感器比传统压阻式传感器的优势在于，不受质量惯性的影响，具有突破MHz高频响的潜力。

High frequency response pressure sensor based on the principle of DC glow discharge plasma

The present invention discloses a high frequency response pressure sensor based on the principle of DC glow discharge plasma. The high frequency pressure sensor comprises an electrode, which comprises a cathode and an anode, used in high voltage DC power supply under the action of plasma generated between the cathode and the anode; supporting structure for supporting and fixing the electrode, to ensure stable gap between the cathode and the anode; and a shielding cover for shielding and external gas, plasma, plasma not affected by outside air speed, only sense changes in ambient pressure. The advantages of the present high frequency response pressure sensor are that it is not affected by mass inertia, and has the potential to break through the high frequency response of MHz.

【技术实现步骤摘要】
基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器
本专利技术涉及到高压气体放电、气动热力学等多个学科的交叉，尤其涉及一种基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器。
技术介绍
现有的动态测量技术经历了半个多世纪的高速发展，涌现出的接触式动态测量技术，以半导体硅压阻式传感器技术和热膜与热线技术典型代表。半导体硅压阻式压力传感器是非常成熟的技术，基于其发展的动态气动探针技术，被广泛应用在叶轮机械中测量。然而，气动探针的设计受到诸多因素的限制。尤其传感器在探针中的安装方式，对探针的频响造成很大的影响，往往需要牺牲传感器的频响，来保证探针的空间分辨率、易于安装性和测量过程中的鲁棒性。为了更加清楚地了解叶轮机械中熵的损失，热膜和热线技术除了通过换热原理测量气流速度之外，在熵探针的研制上同样有所应用。然而，先进气动探针及熵探针的设计研制，瓶颈主要在于压阻式和热力学传感器受质量惯性和热惯性的影响，其频响均无法高于500kHz，且不耐高温。实际流场测量时，为了尽可能捕捉和提取其非定常信息和三维流场的精细结构，气体动力学研究者们同样期望传感器的时间分辨率越高越好。比如，一台叶片数20个转速24000rpm的跨音压气机，叶片通过频率则为8kHz，众所周知，叶顶端区流动极为复杂，泄漏流、角区涡、通道激波、吸力面附面层分离等一系列流动结构在其中相互作用。而激波、涡结构等细节流动通常只占通道的不到十分之一的宽度，因此，我们需要的捕捉频率至少要达到80kHz。为了使测量得到的流动结构更为精细，实测时经常以5倍采样频率来保证信息不丢失，再考虑到Nyqist倍频准则，则需要800kHz的采样频率。因此如果期望在频响级别达到MHz的突破，并进一步提高先进气动探针及熵探针的动态性能，已经不能通过传统的压电陶瓷、热丝或热膜来实现，需要新原理和新方法。以辉光放电原理发展起来的传感器在突破频响方面具有潜力。事实上，早在1934年，当时还在冯·卡门领导之下的加州理工学院，就分别对暗电流放电、辉光放电理论进行了探究，提出用等离子体辉光放电原理来制作高频响速度探针。但可能是由于当时对于辉光发电等离子体物理机制及其与空气相互作用的相关研究颇有争议，一直没有确切的理论支持，以及电子工程与信号处理的水平的限制，热线风速计的竞争，所以这种基于等离子体的测量探针很长时间都没有发展起来，研究中断大约50年。然而，近年来，随着航空航天领域的迅猛发展，对测量技术频响的要求越来越高，且最近三十年大气压辉光放电的理论和实验研究不断取得一些突破，这种基于辉光放电等离子体的超高频气压测量方法又一次进入了研究者的视野。在利用辉光放电等离子体进行气动参数测量方面，最早是1934年加州理工学院的Lindvall提议的，他设计了一种直流驱动辉光放电等离子体风速计，用来测量圆柱尾迹。1949年，同一个实验室的Mettler在Lindvall的工作基础上，对风速计的尺寸和设计进行了改进，并进行了1.6马赫数的风洞试验。研究者尝试了不同电极形状，获得了低速与电压的校准曲线。电极间隙是另一个影响风速计灵敏度的重要因素，研究者选取了不同的电极间隙，得到一系列校准曲线。1954年Vrebalovich研究了使用交流驱动辉光放电的风速计，电极间隙距离为76.2μm，解决了直流辉光发电的非对称燃烧和溅射问题，可以保持表面光滑稳定工作一个小时。他利用具有700kHz载波频率的交流电驱动探针，测量马赫数从1.3到4的附面层厚度。在交流驱动的研究工作方面，1955年Werner还设计了马赫数0.8的风洞中稳定工作的风速计，研究者认为，该风速计未补偿的频率频响超过100kHz。但是由于当时气体放电理论还不完善，并且对当时的高压变频电源、电子电路、系统控制等技术水平提出了过高的要求，因此在经历了早期的探索研究之后便被搁置了下来，人们的研究工作转移到了等离子体流动控制技术方面。直到2000年之后，人们重新对这项技术产生了浓厚的兴趣。目前发表的文献来看，国际上只有美国圣母大学(University.ofNotreDame)的Matlis和Corke团队在进行相关的研究工作。研究者在2005年前后，设计了一个由载波频率为2MHz的交流电驱动的等离子体风速计，实验结果表明，探针可以在高马赫数、高焓风洞中稳定工作，并且在马赫数为5时仍对质量通量的均值和脉动成分高度敏感。他们在19世纪50年代人们工作的基础上，实现了电脑自动控制。该团队设计了两个风速计：一个电极间隙选取为76.2μm，负载电压有效值为350V，电压功率为5W；另一个电极间隙选取为25.4μm，负载电压有效值为300V，电压功率为1W。最终实验结果显示，两个风速计均具有极高的响应频率，可以直接测量频率高达200kHz的扰动，并且不需要补偿。2008年他们将一个“SuperOMEGACLAD”型号的热电偶改装成裸金属电极对称布置的等离子体压力传感器，放置在跨音速压气试验台的机匣壁面，期望由此可以屏蔽气流中的速度分量，只感受壁面的压力扰动。改装过的等离子体传感器电极间隙大约为125μm，由负载电压为350Vrms，功率2W载波频率为2MHz的电源驱动，放置在转子前缘下游2.1％弦向的位置。他们另将一个Kulite压阻式传感器放置在转子前缘上游18.3％弦向的位置，作为参考信号。由获得的失速时域信号及各自的自相关系数可以看出Kulite压阻式传感器及等离子体传感器几乎同时捕捉压气机失速时压力的大幅波动。2016年同一个实验室的Marshall设计了一种介质阻挡结构的等离子体压力传感器，进行了稳态标定和激波管动态标定实验。他们称静态压力标定最高可以到13个大气压。Marshall认为暴露在外的电极尺寸、激励电源交流载波频率以及阻挡介质(石英)的厚度，是三个影响传感器线性度和动态响应频率的重要因素。国内空军工程大学等离子体动力学重点实验室，张耘玮等2016年研究了射频等离子体辉光放电特性与稳态风速、气压之间的关系。他们发现电极间距越小，射频等离子体辉光放电稳定性越高；固定的电源输出功率和工作频率，在不同的电源输出功率下，对应不同的风速范围，激励器负载电压与风速具有良好的线性关系；而在亚音速气流对应的静压(总压为大气压)范围内，射频等离子体辉光放电对气压变化不敏感。纵观国内外公开文献，前人在探索利用辉光放电等离子体测量气动参数的工作，都是围绕气流速度展开。在壁面压力测量方面，Matlis和Corke将探针嵌在机匣壁面，捕捉到了压气机失速时压力的高频大幅波动，但辉光放电等离子体与气体压力的耦合机制尚未清楚，在应用到压气机测量之前也未经电压-气压关联性的标定过程，具有一定的盲目性。人们普遍认为提供交流载波信号的高压高频电源决定了速度探针的原始动态频响能力，即载波信号的电信号频率为速度探针的频率响应，其测量气流速度原理为：速度及速度扰动通过影响电极间隙内部的等离子体运动，导致气隙电压和空间电场强度升高以释放更多的电荷，由此反应到电压的变化上。但是对于辉光发电等离子体物理机制及其与空气相互作用的相关研究颇有争议，没有确切的理论支持，实验结果参差不一。从气体放电理论来看，等离子体即为空气分子，因此它的频率响应不应该是由外部电路决定的。此外，调制解调的过程中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器，包括：电极，包括阴极和阳极，用于在高压直流电源作用下，在阴极和阳极之间产生等离子体；支撑结构，用于支撑和固定所述电极，保证阴极和阳极之间具有稳定的间隙；以及屏蔽罩，用于屏蔽等离子体与外界气体，使等离子体不受外界气流速度的影响，只感受外界气压的变化。

【技术特征摘要】
1.一种基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器，包括：电极，包括阴极和阳极，用于在高压直流电源作用下，在阴极和阳极之间产生等离子体；支撑结构，用于支撑和固定所述电极，保证阴极和阳极之间具有稳定的间隙；以及屏蔽罩，用于屏蔽等离子体与外界气体，使等离子体不受外界气流速度的影响，只感受外界气压的变化。2.根据权利要求1所述的高频响压力传感器，其中，还包括外电路，用于为电极提供直流电压，并测量和限制电极所在电路的电流，所述外电路包括：电流采样电阻，与电极串联，用于测量电极所在外电路中的电流；限流电阻，与电极串联，用于限制电极所在外电路中电流的大小；以及直流电源，为电极、电流采样电阻和限流电阻提供电压。3.根据权利要求2所述的高频响压力传感器，其中，还包括采集系统，用于测量和处理外电路及电压传感器的电流和电压数据，包括：高压探头，用于测量电极两端的电压和电流采样电阻两端的电压；示波器，用于接收并处理高压探头测得的电压和电流数据；和/或，PXI采集系统，用于接收并处理经高压探头衰减1000倍的电压数据。4.根据权利要求2所述的高频响压力传感器，其中，所述直流电源的最高电压幅值为10kV；所述压力传感器工作时，维持电极两端电压范围为300～450V；所述外电路电流范围为1～10mA；所述压力传感器功率范围为0.3～4.5W。5.根据权利要求1所述的高频响压力传感器，其中，所述屏蔽罩设置在支撑结构上方，且屏蔽罩底部与支撑结构接触，将电极罩在屏蔽罩内部；所述屏蔽罩顶部开有小孔，用于使等离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：李帆，杜娟，王偲臣，张宏武，聂超群，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11