一种等离子体风洞的等离子体参数测量方法技术

本发明专利技术提供了一种基于等离子体风洞的等离子体参数测量方法，所述测量方法首先在等离子风洞输入层流等离子体前，通过矢量网络分析仪调整发射天线和接收天线同相位；输入等离子体后在发射天线与接收天线之间风洞中形成等离子体束流；测量等离子体束流的直径、接收天线与发射天线的相位差，并根据相位差及等离子体束流直径计算等离子体电子密度；再通过光谱仪测量等离子体粒子的特征谱线的偏移量，并根据偏移量计算等离子体的束流速度。本发明专利技术所测量的等离子体电子密度和束流速度测量误差小于0.01mm，相伴分辨率小于0.5°，综合误差小于0.16％，在不干扰等离子体束流的前提下，对等离子参数进行精确测量，提高了测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体风洞的等离子体参数测量方法
本专利技术属于等离子体风洞测试领域，具体涉及一种等离子体风洞的等离子体参数测量方法。
技术介绍
等离子体风洞中的气流是由纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流形成，可用来研究高超声速飞行器等离子体鞘层电磁特性。在等离子体风洞实验装置上，气体介质通过旋向进气装置进入石英管，通过加热或辐射产生等离子体，等离子体通过喷管进入真空试验段，从而形成等离子体射流。要实现等离子风洞，关键是获得长时间稳定的等离子射流。为了保证等离子射流的稳定性，需要对等离子射流的电子密度和束流速度进行实时测量。现有技术中，一般通过探针对等离子体风洞的电子密度和束流速度进行测量。由于探针要介入流场进行测量，对流场有着不同程度的扰动，对测量带来误差。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本专利技术旨在提供一种针对等离子体风洞的非介入式等离子体参数测量方法，基于微波干涉法和光谱测速法对等离子体风洞中电子密度和束流速度进行测量，非介入式测量避免了与束流的直接接触，减少了对等离子体的干扰，测量结果更加精确。为了实现上述目的，本专利技术实施例采用如下技术方案：本专利技术实施例提供了一种基于等离子体风洞的等离子体参数测量方法，所述测量方法包括如下步骤：步骤S1,等离子风洞输入层流等离子体前，通过矢量网络分析仪调整发射天线和接收天线同相位；步骤S2，层流等离子体源功率/工质输入端口控制层流等离子体源向等离子风洞输入层流等离子体，层流等离子体经过线圈和磁场，在发射天线与接收天线之间风洞中形成等离子体束流；步骤S3，测量等离子体束流的直径；步骤S4，矢量网络分析仪测量输入层流等离子体后的接收天线和发射天线的相位差；并根据相位差及等离子体束流直径计算等离子体束流电子密度；步骤S5，设置光谱仪的准直镜背向等离子体束流喷射方向、与等离子体束流的运动方向夹角为θ，光谱仪测量等离子体粒子的特征谱线的偏移量，并根据偏移量计算等离子体束流速度。上述方案中，步骤S4中，所述计算等离子体束流电子密度采用公式(1)：式(1)中，Ne等离子体束流为电子密度,f0为微波信号的频率，为相位差，L为等离子体束流直径，即微波信号通过等离子体所经过的距离。上述方案中，步骤S5中所述根据偏移量计算等离子体的束流速度采用公式(2)：△λ＝(λvcosθ)/c(2)式(2)中，△λ为波长变化量，λ为特征谱线波长；v是粒子运动速度，θ是观测方向与粒子运动方向夹角，c是光速。上述方案中，所述矢量网络分析仪频率范围10MHz～43.5GHz，微波信号采用30.5GHz中心频率，带宽1KHz。上述方案中，所述层流等离子体源来自于氩灯光源；所述光谱仪测量ArI的840.8nm和842.4nm两条谱线的偏移量，计算两个束流速度并取平均值，作为最终计算的束流速度。上述方案中，所述矢量网络分析仪采用微波信号和/或螺旋波放电结构射频功率输入信号进行发射天线和接收天线的通信。上述方案中，当采用微波信号和螺旋波放电结构射频功率输入信号时，分别测得两种信号下的等离子体密度和束流速度，取两次测量的平均值作为参数测量结果。本专利技术通过上述基于等离子体风洞的等离子体参数测量方法，一种非介入式的测量方法，减少了对流场的扰动误差，在不干扰等离子体束流的前提下，对等离子参数进行精确测量，提高了风洞参数测量的精度，所测量的等离子体电子密度和束流速度误差小于0.01mm，相伴分辨率小于0.5°，综合误差小于0.16％。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术实施方式中等离子体风洞的等离子体参数测量原理示意图；图2为本专利技术实施方式中等离子体风洞的等离子体参数测量方法流程图。附图标记说明：1-层流等离子体源；2-线圈；3-磁场；4-准直镜；5-接收天线；6-发射天线；7-等离子体束流；8-层流等离子体源功率/工质输入端口；9-射频输入端口；10-光谱仪；11-矢量网络分析仪。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与专利技术相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。本专利技术实施方式针对等离子风洞参数测量，基于微波干涉技术和光谱测速，提出了一种用于低气压等离子体的参数测量方法。图1示出了本实施方式中等离子体参数测量原理。如图1所示，等离子风洞工作环境为粗抽真空，通过网络分析仪11调整，将接收天线5的微波信号与发射天线6的发射信号进行相位归零。层流等离子体源1通过层流等离子体源功率/工质输入端口8进行功率和气流量的输入控制，经过线圈2和磁场3，在发射天线6与接收天线5之间形成一定直径的等离子体束流7，接收天线5接收的微波信号与发射信号将产生由等离子体引起的相位差。射频输入端口9提供磁场3，光谱仪10的准直镜4背向等离子体束流喷射方向，夹角为θ，矢量网络分析仪11实时监控接收天线5和发射天线6的相位差，光谱仪10测量粒子特征谱线的偏移量。通过相位差，计算等离子体的电子密度；通过粒子特征谱线的偏移量，计算等离子体的束流速度。图2示出了本专利技术实施方式等离子体风洞的等离子体参数测量方法流程图。如图2所示，所述等离子体测量方法，包括如下步骤：步骤S1,等离子风洞输入层流等离子体前，通过矢量网络分析仪调整发射天线和接收天线同相位。本步骤中，所述矢量网络分析仪采用微波信号进行发射天线和接收天线的通信，作为第一信号；还可以采用螺旋波放电结构射频功率向发射天线输入信号，作为第二信号。在实际应用中，采用第一信号，计算得到第一电子密度和束流速度；采用第二信号，计算得到第二电子密度和束流速度。第一电子密度和束流速度与第二电子密度和束流速度基本相同，其误差来自于信号本身的干扰。当采用二者的平均值时，所获得的数据为校正数据，是更精确的等离子体密度和束流速度。优选地，本实施方式中进行两次测量，取平均值。步骤S2，层流等离子体源功率/工质输入端口控制层流等离子体源向等离子风洞输入层流等离子体，经过线圈和磁场，在发射天线与接收天线之间风洞中形成等离子体束流。本步骤中，所述层流等离子体源采用氩灯作为标准光源。所述磁场，由射频输入端口提供。步骤S3，在风洞的真空室内微波干涉路径上设置高清摄像装置，读取等离子体束流的直径。步骤S4，矢量网络分析仪测量输入层流等离子体后的接收天线和发射天线的相位差；并根据相位差及等离子体束流直径计算等离子体束流电子密度。本步骤中，所述计算等离子体束流电子密度采用公式(1)：式(1)中，N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等离子体风洞的等离子体参数测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：/n步骤S1,等离子风洞输入层流等离子体前，通过矢量网络分析仪调整发射天线和接收天线同相位；/n步骤S2，层流等离子体源功率/工质输入端口控制层流等离子体源向等离子风洞输入层流等离子体，层流等离子体经过线圈和磁场，在发射天线与接收天线之间风洞中形成等离子体束流；/n步骤S3，测量等离子体束流的直径；/n步骤S4，矢量网络分析仪测量输入层流等离子体后的接收天线和发射天线的相位差；并根据相位差及等离子体束流直径计算等离子体束流电子密度；/n步骤S5，设置光谱仪的准直镜背向等离子体束流喷射方向、与等离子体束流的运动方向夹角为θ，光谱仪测量等离子体粒子的特征谱线的偏移量，并根据偏移量计算等离子体束流速度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子体风洞的等离子体参数测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：
步骤S1,等离子风洞输入层流等离子体前，通过矢量网络分析仪调整发射天线和接收天线同相位；
步骤S2，层流等离子体源功率/工质输入端口控制层流等离子体源向等离子风洞输入层流等离子体，层流等离子体经过线圈和磁场，在发射天线与接收天线之间风洞中形成等离子体束流；
步骤S3，测量等离子体束流的直径；
步骤S4，矢量网络分析仪测量输入层流等离子体后的接收天线和发射天线的相位差；并根据相位差及等离子体束流直径计算等离子体束流电子密度；
步骤S5，设置光谱仪的准直镜背向等离子体束流喷射方向、与等离子体束流的运动方向夹角为θ，光谱仪测量等离子体粒子的特征谱线的偏移量，并根据偏移量计算等离子体束流速度。


2.根据权利要求1所述的等离子体参数测量方法，其特征在于，步骤S4中，所述计算等离子体束流电子密度采用公式(1)：



式(1)中，Ne为等离子体束流电子密度,f0为微波信号的频率，为相位差，L为等离子体束流直径。


3.根据权利要求1所述的等离子体参数测量方法，其特征在于，步骤S5...

【专利技术属性】
技术研发人员：白冰，丁亮，韩潇，张磊，赵华，李涛，彭毓川，顾志飞，李高，吴达，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11