- 頭條中國學者發布新型等離子體壓力傳感器，為航空發動機提供技術支撐2022-03-07 作者：李帆、羅海云 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語中國科學院輕型動力創新研究院、中國科學院先進能源動力重點實驗室（工程熱物理研究所）等單位的研究人員李帆、羅海云 等人，在2021年第15期《電工技術學報》上撰文，研究了一種基于直流輝光放電等離子體原理的氣體壓力測量方法，設計了一種等離子體壓力傳感器，并對該傳感器的放電維持電壓與氣壓之間的關系進行了穩態及動態標定實驗。 穩態標定實驗結果表明，50μm 間隙適用于氣壓量程0.4~2.0atm(1atm=101325Pa)，220μm 適用于氣壓量程0.5~5.0atm，此時電流選取在3.0~5.0mA之間。動態標定實驗在激波管實驗臺上進行，結果表明等離子體壓力傳感器和參考Endevco壓阻式傳感器的上升時間基本一致，均為1μs；且通過計算動態傳遞函數可得，該等離子體壓力傳感器及其電源、電子電路系統的固有頻率為146.6kHz，未來可以為航空發動機、沖壓發動機嚴苛高溫環境及超高速流動中的高頻壓力脈動信息的獲取提供支撐。
臨界空間高超音速飛行器是21世紀航空航天領域的研究熱點之一，該技術領域兩大難題為附面層轉捩點的預測及沖壓發動機進氣道/隔離段的流場測試，即高溫環境下的高頻動態壓力測量。例如，飛行馬赫數為10時，沖壓發動機隔離段的最大滯止溫度將大于1700℃；高超聲速附面層轉捩過程則會出現150~400kHz的壓力脈動。
現有廣泛應用的動態壓力傳感器，主要包括可用頻率響應范圍為Hz~105Hz的壓阻式、壓電式、電容式等類型，以及由此發展起來的多孔動態壓力探針式，但通常不適用于高溫環境的測量（通常低于120℃）。在犧牲動態頻響和尺寸的前提下，J.F.Brouckaert在溫度高達900 ℃、氣壓環境為5atm(1atm=101.325kPa)的航空發動機排氣環境下實現了測試，M. Mersinligil等在溫度超過1600 ℃、4atm的沖壓發動機環境實現了測試，但最高可用頻響均不超過100kHz，且尺寸較大（6~8mm）。
其他可用于高溫環境測試的壓阻式壓力傳感器，如Kulite公司帶有水冷卻結構的EWCTV—312型號，具有耐高溫壓力敏感元件的藍寶石法-珀腔光纖式、SiC法-珀腔光纖式高溫壓力傳感器等，適用環境溫度雖然能夠達到1000℃，尺寸仍然偏大，均無法滿足附面層轉捩區及進氣道/隔離段高溫環境下的高頻壓力脈動測試需求。由此可見，基于傳統的測壓原理已經很難同時突破溫度和頻響的瓶頸，亟需尋求新的原理實現高溫環境高頻動態壓力的測試需求。
利用等離子體技術開發的動態壓力傳感器為這種高溫環境下的高頻壓力測試提供了可能性，這種測量技術理論上不受熱慣性和質量慣性的限制，動態響應頻率由激勵頻率決定，可達MHz水平。
等離子體在氣動熱力學領域的應用，一種是基于“等離子體氣動激勵”的主動流動控制技術，在抑制氣流邊界層分離和改善氣動阻力方面具有良好的應用前景。另一種則是利用等離子體進行氣動測量，最早是由加州理工學院的馮?卡門教授團隊提出來的，該團隊圍繞開發研制高頻響等離子體風速計，進行了一系列的研究。
在前人探索的基礎上，近年來美國圣母大學的E. Matlis和T. Corke 團隊進一步在等離子體風速計的研制與應用方面進行了拓展，國內空軍工程大學張耘瑋等研究了射頻等離子體輝光放電特性與穩態風速之間的關系。
在利用等離子體原理開發壓力傳感器方面，2008年圣母大學團隊將一個熱電偶改裝成等離子體壓力傳感器，并將其嵌在一臺跨音壓氣機的機匣壁面，用來感受壁面壓力擾動。同年圣母大學航空系的C.E.Marshall 博士設計了一種等離子體壓力傳感器，并在脈沖爆震發動機和旋轉爆震發動機試驗臺（火焰溫度為2760℃）上進行了激波測試，這些實驗結果意味著等離子體壓力傳感器在高焓、高速流動中具有非常大的應用潛力。
然而，輝光放電等離子體電壓-氣壓關聯性的實驗結果仍然不夠完善，從發表的文獻來看所研究的壓力范圍都是低于1atm或大氣壓環境下研究的，抑或是稀有氣體放電，并不能滿足實際的應用環境要求，即放電介質為空氣且通常高于1atm的應用環境，并且等離子體壓力傳感器的動態響應特性仍是研究空白。
本項目研究團隊前期針對輝光放電等離子體對低氣壓范圍（0.5～1.0atm）變化的響應特性進行了研究，并通過伏安特性曲線和放電圖片確定了傳感器工作在輝光放電狀態，通過實驗證明了利用輝光放電等離子體進行穩態氣壓測量的可行性。因此，本項目在上述研究的基礎上，進一步開展輝光放電等離子體在高氣壓環境下的實驗研究，并針對這種壓力傳感器開展了穩態標定和激波管動態標定實驗。
科研人員首先介紹了激勵等離子體的高壓電源及電子電路，以及穩態標定的實驗裝置；其次在高壓氣罐中對三種不同間隙的等離子體壓力傳感器進行了寬氣壓范圍（0.4~5.0atm）穩態標定，設計一種等離子體壓力傳感器，在激波管實驗臺上進行了動態標定實驗，以期為這種新型的等離子體壓力傳感器在實際應用場合提供理論支撐及設計準則。
圖1 等離子體壓力傳感器結構及實物
科研人員最后得到的具體結論如下：
1）標準大氣壓環境下，保持外電路電流3mA不變，輝光放電的維持電壓首先隨著電極間隙的增大而逐漸減小，經過50μm時的電壓最小值之后，再隨著電極間隙的增大而逐漸增大，且基本呈線性關系。
2）穩態結果表明：50μm間隙適用于氣壓量程0.4~2.0atm，等離子體維持電壓隨著氣壓升高而減小，具有較為良好的單調遞減趨勢，對應的電壓變化為44V，靈敏度為0.275V/kPa。
電流選取在3~5mA之間，220μm間隙適用于氣壓量程0.5~5.0atm，等離子體維持電壓隨著氣壓升高而增大，呈良好的單調遞增趨勢。電流選定為3mA時，氣壓從0.5atm升高到3.4atm，對應的電壓變化為86V，靈敏度為0.297V/kPa；電流選定為4mA時，氣壓從0.6atm升高到5.0atm，對應的電壓變化為90V，靈敏度為0.205V/kPa；電流選定為5mA時，氣壓從0.8atm升高到3.9atm，對應的電壓變化為70V，靈敏度為0.226V/kPa。
3）激波管標定實驗結果表明，等離子體壓力傳感器與Endevco壓阻式傳感器均可以測試到激波的壓力上升過程，且二者對階躍壓力的響應上升時間均為1μs。通過計算動態傳遞函數可得，該等離子體壓力傳感器及其電源、電子電路系統的固有頻率為146.6kHz，Endevco壓阻式傳感器的固有頻率為279.24kHz。雖然目前等離子體壓力傳感器和成熟的壓阻式傳感器相對比在頻響上還有一定差距，但后期可通過改進高壓電源和電子電路的響應特性來獲取更高的頻響。
下一步將主要針對等離子體壓力傳感器所適用的應用環境展開研究：研究大氣壓高溫環境、高氣壓高溫環境對等離子體放電和對氣壓響應規律的影響，為航空發動機、沖壓發動機嚴苛高溫環境及超高速流動中的高頻壓力脈動信息的獲取提供技術保障。
以上研究成果發表在2021年第15期《電工技術學報》，論文標題為“基于直流輝光放電等離子體的氣體壓力傳感器”，作者為李帆、羅海云 等。
