基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器初探

发布时间：2017-12-16 07:36

  本文关键词：基于直流辉光放电等离子体原理的高频响压力传感器初探

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【摘要】：为了捕捉和提取更细致精确的非定常流动信息和三维流场的精细结构,如湍流、非定常分离泡以及流动失稳等,气体动力学研究者们期望传感器频响能够达到MHz级别。而目前广泛使用的压阻式传感器和热线风速仪受质量惯性和热惯性的限制,频响无法突破500 kHz。基于辉光放电等离子体原理测量气动参数的方法,频响由驱动电源载波频率决定,有望突破此瓶颈。辉光放电作为一种新的测量原理在应用到实际流场测量之前,首先需要研究实验条件环境下气体放电对气压变化的响应是否具有单调唯一性和足够的敏感性。从气体放电理论可知,这两个决定测量等离子体压力传感器的主要指标主要与传感器的放电模式有关。因此有必要跨学科开展大气压辉光放电等离子体的实验研究和理论研究,对等离子体与气压之间的关联性进行原理性验证和分析,尝试提出有效产生和可靠控制大气压辉光放电的指导原则,为其在实际应用场合提供理论支撑依据及设计指导准则。本论文围绕大气压微间隙静止气体放电特性研究,空气流场不同稳态及动态压力对等离子体场有何规律性影响这两个科学问题,具体的研究内容和结论包括:1.自主设计了静态标定高气压气体放电室及等离子体放电显微镜观察平台清华大学气体放电与等离子体实验室气体放电装置系统,设计压力(绝对压力)仅为真空到1.2个大气压(0-120kPa)。为了研究更宽气压范围内的气体放电特性,自主设计了高气压气体放电室,设计压力(绝对压力)为0-1000 kPa。电极间隙是影响气体放电模式的一个重要因素,为了尽可能精确测量、控制及在线调节电极间隙,更换电极(包括更换电极材料、尺寸等),并且实现在线观察放电状态,自主设计了等离子体放电显微镜观察平台。电极间隙距离通过与螺旋测微器调整,并在300倍显微镜下观察控制,进行间隙校准。2.得到了适用于任何电极材料的阴极位降区一般电压与气压(U-P)特性曲线。在气体放电理论基础上,我们通过一系列的假设,最终推导出阴极位降区的一般电压与气压的关系,无量纲化之后,得到适用于任何阴极材料的U-P特性曲线。与大气压下传感器电压随间隙变化的对应曲线相比,发现具有相似的规律。阴极位降区压降(基本等于辉光放电的维持电压)首先随着气压(间隙)的升高逐渐降低,经过最小值之后,再随着气压(间隙)升高而逐渐升高。理论和实验相互结合印证,验证了利用辉光放电等离子体测量空气压力的可行性。即辉光放电的维持电压为Pd的函数,当Pd足够小时,传感器工作在曲线左半支,即反常辉光放电模式,电压随着气压的升高而单调递减;当Pd足够大时,传感器工作在曲线右半支,即亚正常辉光放电模式,电压随着气压的升高而单调递增。3.形成了一套系统分析直流驱动辉光放电等离子体与气压之间耦合关系的实验研究方法。对直流驱动辉光放电等离子体与气压之间的耦合关系进行了原理性实验和分析,结合气体放电理论,分析几种典型电极间隙下的放电模式的影响因素及其诊断、转化和控制。实验结果表明,在固定电极间隙和特定电流范围内,辉光放电等离子体对气压变化的响应有良好的单调唯一性和足够高的敏感性,因此在测量空气压力方面完全具有可行性。实验中,通过改变气体放电室的内部气压和激励电源电压,测量了不同间隙下的放电伏安特性,得到了亚正常辉光放电、反常辉光放电等不同的放电模式。结果表明不同的辉光放电模式下,传感器维持对气压的变化响应规律不同,只有选择合适的间隙距离和电流,保证传感器始终工作在同一种放电模式(无论是稳定在亚正常辉光放电模式还是反常辉光放电模式),才能得到传感器维持电压对气压变化的单调响应曲线。较小的电极间隙,维持电压随气压升高具有良好的单调递减趋势;较大的电极间隙,维持电压随气压升高具有良好的单调递增趋势。这些结果都将为高频响等离子体压力传感器的实际应用打下基础。4.通过激波管动态标定实验对比了等离子体压力传感器与Kulite压阻式压力传感器的动态特性。设计了一种高频响等离子体压力传感器,此传感器主要由聚四氟乙烯底座、电极支撑铜柱、铂丝电极和有机玻璃外罩组成。电极材料选取较稳定的金属铂,直径为0.5 mm,电极间隙为250 μm,阴阳极同轴放置。采用Kulite阻抗压电式传感器测量基准压力信号。首先将压阻式传感器信号作为输入,分析等离子体压力传感器的动态特性。从原始时域信号幅值可以看出,二者几乎同时捕捉到激波的阶跃。为了屏蔽诱导速度,减弱空腔效应给等离子体压力传感器带来的干扰,并且尽可能保证激波的质量和强度,设计了有机玻璃罩。结果表明,对于频率小于20 kHz的动态压力信号,等离子体压力传感器具有和Kulite相同的捕捉能力。为了更精确地分析等离子体压力传感器的动态响应特征,对激波管进行了数值模拟研究,将得到的压力阶跃信号作为基准压力信号,分别对Kulite压力传感器和Plasma压力传感器进行标定,分析比较二者的动态响应特征。结果表明,在现有的实验条件下,Kulite压力传感器最高具有35 kHz的响应频率,而Plasma压力传感器最高具有55 kHz的响应频率。
【学位授予单位】：中国科学院工程热物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【参考文献】

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本文编号：1295231