等離子體壓力顯示膜片及其穩(wěn)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)和測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流體機(jī)械行業(yè)流場動(dòng)態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于飛機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和強(qiáng)三維性流場的等離子體壓力顯示膜片及其穩(wěn)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)，以及利用等離子體壓力顯示膜片進(jìn)行表面壓力測量的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著氣體動(dòng)力學(xué)的迅速發(fā)展，對(duì)于流場精細(xì)結(jié)構(gòu)的測量要求越來越高，尤其是飛機(jī)表面壓力分布和葉輪機(jī)械內(nèi)部葉片表面壓力分布的測量引起了更多的關(guān)注。各種流場顯示技術(shù)為氣體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用，而目前常用的一些全流場測試技術(shù)如PIV等往往難以滿足需求，以葉輪機(jī)械為例，為了研究葉片載荷，需要知道葉片表面詳細(xì)的壓力分布及其動(dòng)態(tài)特性。然而PIV難以測量復(fù)雜表面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的熱線、熱膜以及一些動(dòng)態(tài)壓力傳感器只能提供單點(diǎn)測量數(shù)據(jù)；油流法和壓力敏感漆(PSP)或者溫度敏感漆(TSP)等測量手段測量頻響都比較低，最多只能達(dá)到千赫茲量級(jí)。而流體機(jī)械葉片表面壓力非定常性對(duì)于研究其內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義，故針對(duì)當(dāng)今空氣動(dòng)力學(xué)和葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，迫切需要超高頻響(即頻響達(dá)到IMHz)的表面壓力測量技術(shù)和與其配套測量系統(tǒng)。這個(gè)級(jí)別的頻響已經(jīng)不能通過傳統(tǒng)的壓電陶瓷、熱絲或熱膜來實(shí)現(xiàn)，需要新原理和新方法。
[0003]簡要回顧一下等離子測量技術(shù)的發(fā)展歷程。早在1934年，Lindvall便提議將輝光放電應(yīng)用于風(fēng)速計(jì)。他利用直流輝光放電測量圓柱尾跡速度。1949年，加州理工學(xué)院的Mettler成功研制出一個(gè)噪音低的直流輝光放電風(fēng)速計(jì)，并在1.6馬赫數(shù)下試驗(yàn)成功。他還對(duì)空氣氣流輝光放電的定量理論進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速計(jì)對(duì)溫度并不敏感。在早期研制的輝光放電風(fēng)速計(jì)中，VrebalOViCh(1954)的直流和交流輝光放電設(shè)計(jì)是比較突出的。尤其直流設(shè)計(jì)隨著時(shí)間的推移電極降解方面越優(yōu)越。他利用直流驅(qū)動(dòng)探針，可以測量馬赫數(shù)從1.3到4的附面層，且具有700kHz載波頻率。
[0004]由于等離子探針的想法非常超前，在經(jīng)歷了初期的研究之后漸漸被擱置下來，相關(guān)研究轉(zhuǎn)到等離子體流動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)上。直到2000年之后，高超聲速氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展、葉輪機(jī)械性能的需求又讓人們開始對(duì)這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，開始重新審視它的優(yōu)點(diǎn)，研究它的機(jī)理以及全新的應(yīng)用。2005年前后，美國Univ.0f Notre Dame的Matlis和Corke設(shè)計(jì)的等離子風(fēng)速計(jì)由2MHz的AC交流電驅(qū)動(dòng)，可以在高馬赫數(shù)、高恰風(fēng)洞試驗(yàn)中穩(wěn)定工作，在馬赫數(shù)為5時(shí)仍對(duì)質(zhì)量通量的均值和脈動(dòng)成分高度敏感，并實(shí)現(xiàn)了電腦自動(dòng)控制。其具有極高的響應(yīng)頻率，且無須補(bǔ)償，可以直接測量頻率高達(dá)200kHz的可控記錄擾動(dòng)。原則上，在頻率高達(dá)2MHz的實(shí)驗(yàn)測量中，是可以得到未補(bǔ)償響應(yīng)頻率的載波頻率的。風(fēng)速計(jì)幅值調(diào)制的交流載波輸出信號(hào)，信噪比要高于熱線。
[0005]2010年，GE公司的Moeckel等人提出了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上采用等離子傳感器測量壓氣機(jī)失速信號(hào)的設(shè)想，并據(jù)此申請(qǐng)了專利。由于該傳感器對(duì)溫度不敏感且耐高溫，因此可以用在其他發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測量，如燃燒室或渦輪。
[0006]過去的研究表明，等離子體對(duì)空氣參數(shù)的變化比較敏感，而且具有較高的響應(yīng)頻率。而本發(fā)明則采用了新的原理設(shè)計(jì)出用了測量壓力的等離子體壓力顯示膜片，因而對(duì)應(yīng)提出了新的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問題
[0008]綜合考慮上述需求對(duì)流場表面壓力測量所提出的新的要求，本發(fā)明的主要目的在于提供一種等離子體壓力顯示膜片及其穩(wěn)態(tài)標(biāo)定和利用該膜片進(jìn)行壓力測量的系統(tǒng)，以滿足高焓高馬赫數(shù)流動(dòng)的測量，同時(shí)解決傳統(tǒng)的表面壓力顯示技術(shù)頻響不夠高且成本較高的問題。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種等離子體壓力顯示膜片，該等離子體壓力顯示膜片為層狀結(jié)構(gòu)，分為四層，包括裸露金屬薄膜、絕緣膜片、掩埋金屬薄膜和絕緣覆蓋薄膜，其中:裸露金屬薄膜采用導(dǎo)電金屬制成，厚度為5-30微米，通過電鍍或者粘貼的方式生成在絕緣膜片的正面，與連接等離子體激勵(lì)器的地線相連接；絕緣膜片作為等離子壓力顯示膜片的基底材料，采用剛性(如石英、剛玉或者陶瓷)或者柔性(如聚酰亞胺，聚四氟乙烯等)材料制成，厚度為微米量級(jí)，作為阻擋介質(zhì)隔開裸露金屬薄膜與掩埋金屬薄膜；掩埋金屬薄膜采用導(dǎo)電金屬制成，厚度為5-30微米，通過電鍍的或者粘貼方式生成在絕緣膜片的背面，與連接等離子體激勵(lì)器的高壓線相連接；絕緣覆蓋薄膜采用噴涂或者粘貼的方式在絕緣膜片的背面生成，可以為剛性(如石英、剛玉或者陶瓷)或者柔性(如聚酰亞胺，聚四氟乙烯等)材料，厚度為30微米左右。
[0011]上述方案中，所述裸露金屬薄膜、絕緣膜片、掩埋金屬薄膜和絕緣覆蓋薄膜之間都是緊密結(jié)合，不存在任何間隙。
[0012]上述方案中，所述裸露金屬薄膜和掩埋金屬薄膜分布在絕緣膜片的兩個(gè)表面，而且面積均不超過絕緣膜片；裸露金屬薄膜的面積大于掩埋金屬薄膜的面積；絕緣覆蓋薄膜將掩埋金屬薄膜完全覆蓋住，同時(shí)面積不超過絕緣膜片。
[0013]上述方案中，所述裸露金屬薄膜為線條連接的空心圓孔陣列，線條的寬度為3_，圓孔的內(nèi)徑為l_2mm，圓孔的外徑為8mm。
[0014]上述方案中，所述掩埋金屬薄膜為線條連接的實(shí)心圓點(diǎn)陣列，線條的寬度為1_，圓點(diǎn)的外徑為6mm。
[0015]上述方案中，所述絕緣膜片和掩埋金屬薄膜均為連續(xù)結(jié)構(gòu)，厚度均勻，不存在任何孔。
[0016]上述方案中，所述裸露金屬薄膜暴露于待測氣流中，絕緣覆蓋薄膜與待測表面直接接觸。
[0017]上述方案中，所述等離子體壓力顯示膜片可以通過粘結(jié)的方式貼在待測表面上，也可以直接在待測表面上按照工藝生成此膜片。
[0018]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種對(duì)所述等離子體壓力顯示膜片進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括該系統(tǒng)包括等離子體激勵(lì)器、電流探頭、電壓探頭、高速示波器、高壓線入口、地線出口、高壓線、地線、壓力氣罐、等離子體壓力顯示膜片、安全閥、閥門、栗組、傳感器接口、觀察窗和相機(jī)，其中:等離子體激勵(lì)器用于為等離子體壓力顯示膜片提供合適電壓和頻率的交流電，從而讓裸露金屬薄膜表面產(chǎn)生等離子體；電流探頭用于地線中的電流放大后供高速示波器采集使用；電壓探頭用于將高壓線的高電壓衰減后供高速示波器采集使用；高速示波器用于采集并顯示電壓探頭和電流探頭傳輸?shù)碾娦盘?hào)；高壓線入口和地線出口分別為高壓線和地線提供接入壓力氣罐的通道，保證電氣安全和氣密性；等離子體壓力顯示膜片用于感受氣體壓力。安全閥可以在壓力氣罐內(nèi)部壓力過高的時(shí)候打開放氣，從而保證壓力氣罐的安全；栗組通過閥門給壓力氣罐充氣或者抽氣，從而調(diào)節(jié)壓力氣罐內(nèi)部的氣體壓力；傳感器接口允許接入不同的傳感器從而對(duì)壓力氣罐內(nèi)部的氣體參數(shù)進(jìn)行測量；觀察窗采用耐壓玻璃，提供等離子體壓力顯示膜片發(fā)光射出壓力氣罐的光通路；相機(jī)用于拍攝等離子體壓力顯示膜片所發(fā)出的光。
[0019]上述方案中，所述等離子體激勵(lì)器由能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波形的高壓高頻電源和能夠調(diào)節(jié)電壓和頻率大小的控制器構(gòu)成，該高壓高頻電源產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)波形為正弦波，電壓范圍為0-30KV，頻率范圍為 10KHz-20KHz。
[0020]上述方案中，所述高壓線和地線一端連接在等離子體激勵(lì)器上，其中高壓線中的電壓值為標(biāo)準(zhǔn)波形電壓，地線也同時(shí)接地，其電壓值為0V，二者與等離子體壓力顯示膜片構(gòu)成放電回路，地線與裸露金屬薄膜相連接，高壓線與掩埋金屬薄膜相連接。
[0021]上述方案中，所述電壓探頭采用1000:1的比例將等離子體激勵(lì)器的高電壓值衰減為低電壓供高速示波器采集；所述電流探頭采用互感原理，將由等離子體激勵(lì)器、高壓線、地線和等離子體壓力顯示膜片構(gòu)成的回路中的電流按照1:5或者1:10的比例放大，供高速示波器采集。
[0022]上述方案中，所述高速示波器至少有兩個(gè)模擬信號(hào)輸入通道，分別接入電壓探頭和電流探頭的信號(hào)，這兩個(gè)模擬信號(hào)輸入通道的采集速率至少為lGS/s，帶寬為300MHz。
[0023]上述方案中，其特征在于:相機(jī)為高速ICCD或EMCCD相機(jī)，能夠拍攝到微弱的等離子體亮光，相機(jī)分辨率至少為1024X 1204，16bit數(shù)據(jù)位，10kHz讀出速度。
[0024]上述方案中，所述等離子體壓力顯示膜片與高壓線及地線的連接采用激光焊接，當(dāng)?shù)入x子體激勵(lì)器啟動(dòng)時(shí)，在等離子體壓力顯示膜片在裸露