一种聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路及监测方法技术

公开一种聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路及相应的监测方法，在聚合物基激励器的放电回路中放置串联电容，每间隔固定老化周期，测量激励器两端的电压和串联电容两端的电压，通过两组数据计算激励器在工作状态下由放电等离子体形成的虚拟电极和覆盖电极间的有效电容，获得有效电容随老化时间的变化规律；比较放电过程中某一时刻对应的有效电容和临近击穿前的有效电容，够定量评估聚合物基激励器的老化状态并估算出激励器的剩余寿命。本发明专利技术的方法对应的监测电路构成简易，测试操作便捷，适用范围广，能够定量评估聚合物基激励器的老化状态并估算其剩余寿命，将为聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器的放电安全提供有力保障。

Monitoring circuit and monitoring method for polymer based dielectric barrier discharge plasma actuator aging state

A polymer-based dielectric barrier discharge plasma actuator aging monitoring circuit and its corresponding monitoring method are disclosed. A series capacitor is placed in the discharge circuit of the polymer-based dielectric barrier discharge plasma actuator. The aging period is fixed at each interval. The voltage at both ends of the actuator and the voltage at both ends of the series capacitor are measured. The excitation is calculated by two sets of data. The effective capacitance between the virtual electrodes and the covered electrodes formed by the discharge plasma in the working state of the exciter can be obtained, and the change rule of the effective capacitance with aging time can be obtained. The effective capacitance corresponding to a certain time in the discharge process and the effective capacitance near breakdown can be compared to quantitatively evaluate the aging state of the polymer-based exciter. The remaining life of the actuator is estimated. The method of the invention has the advantages of simple structure, convenient test operation and wide application range, can quantitatively evaluate the aging state of polymer-based actuator and estimate its residual life, and will provide strong guarantee for the discharge safety of polymer-based dielectric barrier discharge plasma actuator.

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路及监测方法
本专利技术涉及航空等离子体
，具体涉及一种聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路及监测方法。
技术介绍
主动流动控制技术相比传统的被动流动控制，在提升飞行器和发动机气动特性方面具备良好的优势和潜力。基于表面介质阻挡放电等离子体气动激励的新概念主动流动控制技术，具有结构简单、响应迅速、无运动部件、激励频带宽、功耗低等优点，已经成为了国际范围内的研究热点。激励器作为等离子体气动激励的载体，其主要结构包括表面裸露电极、掩埋电极和中间绝缘阻挡介质，其中，两个电极非对称布置在绝缘层的两面。当裸露电极接正弦波高压，掩埋电极接地时，增大电压至击穿裸露电极附近的空气，带电粒子在电场的作用下运动并与中性气体分子发生碰撞，诱导近壁面气体的宏观加速，形成近壁面气体射流，用于飞机在飞行过程中的流动控制。聚合物和陶瓷是目前应用最为广泛的绝缘阻挡介质，其中聚合物例如聚酰亚胺、聚四氟乙烯、硅橡胶等，陶瓷例如氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、二氧化硅陶瓷等。相比陶瓷来讲，聚合物的柔性特征使其能够更加便捷地布置在飞机机翼前缘、发动机叶栅、机匣等弯曲型面，因此更加具备应用方面的优势。然而，聚合物基等离子体激励器在使用过程中，由于带电粒子的碰撞、紫外光子的辐射以及臭氧的强腐蚀作用，阻挡介质的老化问题不可避免，这往往会威胁到激励器的放电安全。目前，仅是通过肉眼观测聚合物基激励器介质材料的降解来粗略地评估其老化状态，仍然缺乏一种有效的监测手段来定量评估聚合物基激励器的老化状态。
技术实现思路
为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出了一种聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测方法，该方法不仅能够定量评估激励器的老化状态，而且可以估算激励器的剩余寿命。本专利技术的聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路，包括高压电源101、激励器102、串联电容103、高压探针201和电压探针202；其中高压电源101、激励器102、串联电容103通过串联的方式连接；高压电源101的高压输出端接激励器102的裸露电极102-2，高压电源101的低压端接地，高压电源101的输出电压为0-20kV；输出频率为1-15kHz；串联电容103的一端接激励器102的覆盖电极102-3，另一端接地，电容值为2nF-47nF；高压探针201的高压端接高压电源101的高压输出端，高压探针201的另一端接地，用于测量高压电源101的输出电压；电压探针202一端接串联电容103的一端，另外一端接地，用于测量串联电容103两端的电压；激励器102的放电老化周期，即放电参数测量周期为0.5h-5h。在本专利技术的一个实施例中，高压电源101的输出电压范围8-14kV，输出频率为4-12kHz；串联电容103的电容值为10nF-33nF，选自I类陶瓷电容或云母电容；激励器102的放电老化周期为1h-3h。在本专利技术的一个具体实施例中，高压电源101的输出电压为10kV，输出频率设为6kHz；串联电容103选择I类陶瓷电容，电容值大小为10nF；激励器102的放电老化周期为3h。在本专利技术的一个实施例中，激励器102为片状材料，自上而下依次包括裸露电极102-2、绝缘介质102-1、覆盖电极102-3和覆盖材料102-4；绝缘介质102-1为片状矩形材料，材料类型为聚合物；绝缘介质102-1为薄片状材料；裸露电极102-2为长条矩形薄片；覆盖材料102-4亦为片状矩形材料，覆盖材料102-4的形状与绝缘介质102-1完全相同，因此能够完全覆盖绝缘介质102-1，覆盖材料102-4用于屏蔽激励器背部的放电；覆盖电极102-3为片状矩形材料；并且其中裸露电极102-2贴附在绝缘介质102-1上表面偏左边的位置；覆盖材料102-4贴附在绝缘介质102-1下面；覆盖电极102-3被夹在绝缘介质102-1与覆盖材料102-4之间大致中间的位置处；并且，裸露电极102-2右边缘的投影与覆盖电极102-3的左边缘重合；此外，覆盖电极102-3左边缘的两端导圆角，以避免尖端放电。在本专利技术的一个实施例中，绝缘介质102-1为矩形薄片，材料类型为聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚乙烯或硅橡胶，厚度为0.1-0.5mm，长度为40-100mm，宽度为40-100mm；裸露电极102-2材料类型为铜箔、铝箔、金箔或钨箔，长度为30-60mm，宽度为1-10mm；裸露电极102-2的长度方向与绝缘介质102-1的左、右边缘平行；覆盖材料102-4材料选择为聚酰亚胺胶带、玻璃布绝缘胶带或聚酯绝缘胶带，覆盖材料102-4厚度为0.2-1mm；覆盖电极102-3的长度方向与绝缘介质102-1的左、右边缘平行，宽度方向与绝缘介质102-1的上、下边缘平行；覆盖电极102-3的材料类型为铜箔、铝箔、金箔或钨箔，长度为30-60mm，宽度为20-30mm；裸露电极102-2和覆盖电极102-3的电极厚度为35±1μm。在本专利技术的一个具体实施例中，绝缘介质102-1的材料类型为聚酰亚胺，厚度为0.2-0.4mm，长度为50-60mm，宽度为50-60mm；裸露电极102-2材料类型为铜箔，长度为40-50mm；宽度为2-5mm；覆盖材料102-4的材料为聚酰亚胺胶带，厚度为0.3-0.5mm；覆盖电极102-3的材料类型为铜箔，覆盖电极102-3的长度为40-50mm；宽度为22-28mm。在本专利技术的一个具体实施例中，绝缘介质102-1的厚度为0.36mm，长度和宽度均为50mm；覆盖材料102-4的厚度为0.2mm，长度和宽度均为50mm；裸露电极102-2的长度是40mm，宽度5mm；覆盖电极102-3的长度是30mm，宽度是25mm；还提供一种聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测方法，具体操作过程如下：Step1、选定激励器102的高压电源101老化参数，设定初始输出电压和初始输出频率，选定激励器102的老化周期；Step2、将电源101频率调节到初始频率，逐渐升高电压至老化电压，施加于激励器102的裸露电极102-2，裸露电极102-2边缘附近的空气被击穿，观察到放电等离子体301；Step3、用高压探针201测量高压电源101输出电压，由于串联电容103的电容值远高于激励器102电容值，因此串联电容103的分压忽略不计，将输出电压近似为施加给激励器102两端的电压；与此同时，电压探针202测量串联电容103两端的电压；两组电压数据记录次数根据需要设定；Step4、对激励器102持续施加电压以保持激励器102持续放电，每间隔一轮老化周期，重复步骤3的内容，直到激励器102击穿失效为止；Step5、用串联电容103两端的电压值乘以串联电容103的电容值，获得通过激励器102的电荷量；Step6、以步骤5计算得到的电荷量为纵坐标，以高压电源101两端记录的电压为横坐标，做出每一轮老化周期后激励器102的电荷量-电压关系图；Step7、依据电荷量-电压关系图，分别计算从最大负压初始升高位置点和升高直至最大正压位置点对应切线的斜率。在本专利技术的一个具体实施例中，Step1、设定初始输出电压和初始输出频率分别为10kV和6kHz；选定激励器102的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路，包括高压电源(101)、激励器(102)、串联电容(103)、高压探针(201)和电压探针(202)；其中高压电源(101)、激励器(102)、串联电容(103)通过串联的方式连接；高压电源(101)的高压输出端接激励器(102)的裸露电极(102‑2)，高压电源(101)的低压端接地，高压电源(101)的输出电压为0‑20kV；输出频率为1‑15kHz；串联电容(103)的一端接激励器(102)的覆盖电极(102‑3)，另一端接地，电容值为2nF‑47nF；高压探针(201)的高压端接高压电源(101)的高压输出端，高压探针(201)的另一端接地，用于测量高压电源(101)的输出电压；电压探针(202)一端接串联电容(103)的一端，另外一端接地，用于测量串联电容(103)两端的电压；激励器(102)的放电老化周期，即放电参数测量周期为0.5h‑5h。

【技术特征摘要】
1.一种聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路，包括高压电源(101)、激励器(102)、串联电容(103)、高压探针(201)和电压探针(202)；其中高压电源(101)、激励器(102)、串联电容(103)通过串联的方式连接；高压电源(101)的高压输出端接激励器(102)的裸露电极(102-2)，高压电源(101)的低压端接地，高压电源(101)的输出电压为0-20kV；输出频率为1-15kHz；串联电容(103)的一端接激励器(102)的覆盖电极(102-3)，另一端接地，电容值为2nF-47nF；高压探针(201)的高压端接高压电源(101)的高压输出端，高压探针(201)的另一端接地，用于测量高压电源(101)的输出电压；电压探针(202)一端接串联电容(103)的一端，另外一端接地，用于测量串联电容(103)两端的电压；激励器(102)的放电老化周期，即放电参数测量周期为0.5h-5h。2.如权利要求1所述的聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路，其中高压电源(101)的输出电压范围8-14kV，输出频率为4-12kHz；串联电容(103)的电容值为10nF-33nF，选自I类陶瓷电容或云母电容；激励器(102)的放电老化周期为1h-3h。3.如权利要求2所述的聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路，其中高压电源(101)的输出电压为10kV，输出频率设为6kHz；串联电容(103)选择I类陶瓷电容，电容值大小为10nF；激励器(102)的放电老化周期为3h。4.如权利要求1至3的任何一项所述的聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路，其中激励器(102)为片状材料，自上而下依次包括裸露电极(102-2)、绝缘介质(102-1)、覆盖电极(102-3)和覆盖材料(102-4)；绝缘介质(102-1)为片状矩形材料，材料类型为聚合物；绝缘介质(102-1)为薄片状材料；裸露电极(102-2)为长条矩形薄片；覆盖材料(102-4)亦为片状矩形材料，覆盖材料(102-4)的形状与绝缘介质(102-1)完全相同，因此能够完全覆盖绝缘介质(102-1)，覆盖材料(102-4)用于屏蔽激励器背部的放电；覆盖电极(102-3)为片状矩形材料；并且其中裸露电极(102-2)贴附在绝缘介质(102-1)上表面偏左边的位置；覆盖材料(102-4)贴附在绝缘介质(102-1)下面；覆盖电极(102-3)被夹在绝缘介质(102-1)与覆盖材料(102-4)之间大致中间的位置处；并且，裸露电极(102-2)右边缘的投影与覆盖电极(102-3)的左边缘重合；此外，覆盖电极(102-3)左边缘的两端导圆角，以避免尖端放电。5.如权利要求4所述的聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路，其中绝缘介质(102-1)为矩形薄片，材料类型为聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚乙烯或硅橡胶，厚度为0.1-0.5mm，长度为40-100mm，宽度为40-100mm；裸露电极(102-2)材料类型为铜箔、铝箔、金箔或钨箔，长度为30-60mm，宽度为1-10mm；裸露电极(102-2)的长度方向与绝缘介质(102-1)的左、右边缘平行；覆盖材料(102-4)材料选择为聚酰亚胺胶带、玻璃布绝缘胶带或聚酯绝缘胶带，覆盖材料(102-4)厚度为0.2-1mm；覆盖电极(102-3)的长度方向与绝缘介质(102-1)的左、右边缘平行，宽度方向与绝缘介质(102-1)的上、下边缘平行；覆盖电极(102-3)的材料类型为铜箔、铝箔、金箔或钨箔，长度为30-60mm，宽度为20-30mm；裸露电极(102-2)和覆盖电极(102-3)的电极厚度为35±1μm。6.如权利要求5所述的聚合物基介质阻挡放电等离子体激励器老化状态监测电路，其中绝缘介质(102-1)的材料类型为聚酰亚胺，厚度为0.2-0.4mm，长度为50-60mm，宽度为50-60mm；裸露电极(102-2)材料类型为铜箔，长度为40-50mm；宽度为2-5mm；覆盖材料(102-4)的材料为聚酰亚胺胶带，厚度为0.3-0.5mm；覆盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴云，卞栋梁，贾敏，宋慧敏，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61