基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，該裝置包括若干由陽極與陰極構成的電極對、絕緣板、隔離壁、放大器、變頻變壓裝置、高壓探頭、調制解調裝置和數據采集裝置，外部電源提供的三相電依次通過放大器和變頻變壓裝置被轉換成高頻高壓交流電，該高頻高壓交流電被加載至電極對的陽極和陰極上，在陽極和陰極之間產生等離子體場，采用高壓探頭獲得陽極與陰極之間的高頻高壓電壓，并采用調制解調裝置將原始施加的高頻高壓電壓和來流非定常壓力波動分離，最后通過數據采集裝置對非定常壓力波動進行采集和分析，還原真實的壁面非定常壓力波動，實現對真實流場的顯示。
【專利說明】基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及航空航天技術中葉輪機械壁面非定常流場顯示測量【技術領域】，尤其是針對葉輪機械內部壁面非定常流場顯示的一種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置。
【背景技術】
[0002]由于葉輪機械內部流動相當復雜，其具體體現在:強三維、逆壓梯度、激波干涉、氣動非穩(wěn)定性等。這些因素在遵循不同非線性規(guī)律的條件下相互耦合和激勵，一直是驅動開展壓氣機內部流動基礎性和應用性研究并兼的原動力。另外隨著葉輪機械設計方法的不斷更新，也從早期的一維設計發(fā)展到目前的全三維非定常多級匹配設計。雖然目前計算機水平的不斷提升，也不斷推動葉輪機械設計軟件的革新，在數值模擬方面，目前已能完成全三維設計，但是由于數值計算在邊界層處理等方面比實際要理想很多，僅僅依靠數值計算，遠遠還不能完成對實際葉輪機械的設計指導。因此需要相應的實驗測量手段和數值模擬相互驗證發(fā)展，但是由于葉輪機械內部三維流動復雜，特別是壓氣機，目前的接觸式測量(傳感器，熱線等)很難達到測量需求，使得人們開始探索新的測量手段。
[0003]非接觸式測量技術的提出并實施，對葉輪機械內部三維非定常流場的測量帶來了全新的局面，如激光多普勒測速儀(LDV)和粒子圖像測速(Particle Image Velocietry,PIV)等。其中粒子圖像測速(PIV)技術目前在葉輪機械領域受到了廣泛的關注，PIV測量技術的出現，實現了從一個切面發(fā)展到一個容積空間、從面內二維速度矢量到二維切片內三維速度矢量、從瞬間速度場測量到一個連續(xù)時間過長的速度場測量，將真實流場完成展示出來，將人們對三維流動的認識提高了一個檔次。其采用高速CCD相機和激光技術進行非接觸形式流場測量，通過對所采(略)加以互相關分析以獲取流場信息。與傳統(tǒng)的測試(熱線等)IV技術避免了測量中測試儀器對流場的干擾，并且克服了以前只能單點測量的缺點，可以獲得整個測試流場的瞬時速度場，而且具有較高的精度。
[0004]隨著計算機與圖像處理技術的發(fā)展，PIV技術取得了長足的進步，逐漸由二維平面發(fā)展到三維空間，成為流場測量中的重要手段之一。目前這些非接觸式測量技術都已應用于高速瞬態(tài)、脈動流場的測量，比如高跨聲速流場速度分布、壓力分布和激波附面層在誘導層的影響。但如何穩(wěn)定均勻地播撒示蹤粒子及有效地消除葉片反光現象是很難突破的障礙。
[0005]另外分子散射技術如瑞利散射，利用高焓氣體自發(fā)光作為高超聲速流場顯示的方法和激光誘導熒光技術雖不受示蹤粒子播撒的影響，在研究高速流動的機理方面具有巨大潛力，但在可預見的將來無法實現湍流的連續(xù)測量。
[0006]為了解決目前常用的非接觸式測量技術面臨的如上問題，消除示蹤粒子對流場的影響，并推廣到三維空間場的動態(tài)測量，開發(fā)出一種全新的流場顯示手段也成為了行業(yè)內專家比較關注的重點。
[0007]另外在流場顯示與光學測量系統(tǒng)方面，PIV等以示蹤粒子跟蹤流場的儀器在非定常流場測量中遇到了原理上的瓶頸，那就是流體力學的基本原理決定了示蹤粒子顯示的既不是非定常流場的流線，也不是流體微團運動的跡線，而是粒子被流體推動形成的脈線。這三種線在定常流場中是完全一致的，但在非定常流場中卻各不相同。因此，高頻非定常流場的實時流場顯示需要革命性的新原理和新技術。

【發(fā)明內容】

[0008](一 )要解決的技術問題
[0009]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，以解決現有流動顯示測量裝置對流場干擾、頻響不夠以及失蹤粒子跟蹤性差等問題，實現對壁面真實流場細節(jié)連續(xù)變化的測量顯示，實現定性和定量分析葉輪機械內部復雜流動機理的目的。
[0010](二)技術方案
[0011]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，其特征在于，該裝置包括若干由陽極與陰極構成的電極對、用以布置該若干電極對的絕緣板、設置于陽極與陰極之間用以將每一電極對中的陽極與陰極隔開的隔離壁、放大器、變頻變壓裝置、高壓探頭、調制解調裝置和數據采集裝置，其中:外部電源提供的50Hz、380V的三相電依次通過放大器和變頻變壓裝置被轉換成高頻高壓交流電，該高頻高壓交流電被加載至電極對的陽極和陰極上，在陽極和陰極之間產生等離子體場，采用高壓探頭獲得陽極與陰極之間的高頻高壓電壓，并采用調制解調裝置將原始施加的高頻高壓電壓和來流非定常壓力波動分離，最后通過數據采集裝置對非定常壓力波動進行采集和分析，還原真實的壁面非定常壓力波動，實現對真實流場的顯示。
[0012]上述方案中，外部電源提供的50Hz、380V的三相電依次通過放大器和變頻變壓裝置被轉換成高頻高壓交流電，頻響能達到2MHz，電壓能達lkv。
[0013]上述方案中，為了防止相鄰電極放電影響測量結果，采用隔離壁將布置于絕緣板的電極對中的陽極和陰極隔開，保證測量數據的準確性和可靠性。所述絕緣板及隔離壁采用的絕緣材料是米卡塔絕緣材料或環(huán)氧樹脂絕緣材料。
[0014]上述方案中，所述陽極和陰極的尺寸小于1mm，陽極與陰極之間的間隙僅為零點幾毫米。所述陽極和陰極采用的材料為鉬或銥。
[0015]上述方案中，由于非定常流場的波動加載在載波頻率上，為了定量的獲得非定常流場的壓力和速度分布，采用所述調制解調裝置將載波信號和非定常波動信號分開，準確獲得非定常波動的頻率和幅值。
[0016]上述方案中，為了能夠采集頻響超過IMHz的非定常流場波動數據，所述數據采集裝置采用DSP高速采集卡，實現多通道數據采集，海量數據存儲和在線分析的功能。
[0017](三)有益效果
[0018]本發(fā)明提供的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，具有如下優(yōu)點:
[0019]1、本發(fā)明提供的這種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，由于將等離子體電極布置在壁面，且能充分利用施加在電極上的超高頻響電壓，所以可以解決現有流動顯示測量裝置對流場干擾、頻響不夠以及失蹤粒子跟蹤性差等問題，實現對壁面真實流場細節(jié)連續(xù)變化的測量顯示，實現定性和定量分析葉輪機械內部復雜流動機理的目的，并為葉輪機械設計技術及相關的穩(wěn)定性控制技術提供理論支撐。
[0020]2、本發(fā)明提供的這種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，和其他非接觸式測量儀相比其具有很高的頻響，頻響能達到IMHz以上，遠遠超過同類產品的響應頻響。
[0021]3、本發(fā)明提供的這種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，原理上采用輝光放電原理，而輝光放電原理目前發(fā)展的比較成熟，而且對湯遜放電原理的認識也比早期更深，而且目前等離子體電視顯示技術也逐漸在成熟。在原理上可行是等離子體探針和傳感器研制和加工的基本保障。
[0022]4、本發(fā)明提供的這種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，電極尺寸小，等離子體空間對流場的影響非常小，達到了較高的空間分辨率。
[0023]5、本發(fā)明提供的這種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，具有很高的敏感度，在馬赫數為5的時候，對質量通量的均值和波動成分仍然高度敏感。
[0024]6、本發(fā)明提供的這種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，采用調制解調裝置提供優(yōu)良輸出信號，具良好的共模抑制比；且信噪比高。
[0025]7、本發(fā)明提供的這種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，適用于高溫環(huán)境，采用銥作為電極材料時，可以在1000°c的環(huán)境下工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為依照本發(fā)明實施例的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置的示意圖；
[0027]圖2為依照本發(fā)明實施例的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置在測量顯示時的示意圖；
[0028]圖3為依照本發(fā)明實施例的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置在拍攝測量顯示時的示意圖。
【具體實施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0030]為了突破目前非接觸式測量受到的種種限制，本發(fā)明提出了基于輝光放電原理的等離子體流場顯示裝置，受到目前正在發(fā)展，也是未來的發(fā)展趨勢之一的等離子體電視啟發(fā)，等離子體電視的顯示原理是根據視頻信號頻率和幅值的要求，改變電極兩端的交流電壓頻率和幅值，調整等離子體的分布，從而使得電極隔離空間內的惰性氣體產生相應的可見光，實現視頻的輸出。
[0031]本發(fā)明提出的基于輝光放電原理的等離子體流場顯示裝置克服了接觸式測量單點測量、對流場有干擾以及頻響受限的影響，也能克服目前流行的非接觸式測量失蹤粒子對真實流場顯示受限等不足，能夠實現對非定常流動的實時顯示，在原理和技術上都能實現，對未來葉輪機械三維設計提供更加充足的實驗數據，具有廣泛的應用前景。
[0032]本發(fā)明提供的這種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，基于輝光放電原理，其結構示意圖如圖1所示，通過在絕緣材料壁面布置多個組微型等離子體電極，并電極兩端施加高壓電壓之后，電極陰極和陽極之間就產生了等離子體場，這樣整個絕緣面板就會產生熒光，既可以通過拍攝技術獲得熒光分布，也可以通過壓力分布對等離子體分布的影響，改變電極之間高頻交流電壓的幅值和頻率，實現對非定常波動壓力分布的測量顯示。由于電極是離散布置，其顯示的像素和分辨率完全取決于電極尺寸和單位面積上布置的電極對數。即可通過感受非定常脈動流場對等離子體場的影響，顯示真實的非定常流場細節(jié)。
[0033]如圖1所示，本發(fā)明提供的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置包括:若干由陽極與陰極構成的電極對、用以布置該若干電極對的絕緣板、設置于陽極與陰極之間用以將每一電極對中的陽極與陰極隔開的隔離壁、放大器、變頻變壓裝置、高壓探頭、調制解調裝置和數據采集裝置，其中:外部電源提供的50Hz、380V的三相電依次通過放大器和變頻變壓裝置被轉換成高頻高壓交流電，該高頻高壓交流電頻響能達到2MHz，電壓可達幾百伏；該高頻高壓交流電被加載至電極對的陽極和陰極上，在陽極和陰極之間產生等離子體場，采用高壓探頭獲得陽極與陰極之間的高頻高壓電壓，并采用調制解調裝置將原始施加的高頻高壓電壓和來流非定常壓力波動分離，最后通過數據采集裝置對非定常壓力波動進行采集和分析，還原真實的壁面非定常壓力波動，實現對真實流場的顯示。
[0034]其中，本發(fā)明首先通過在絕緣板布置若干對微小電極，為了防止其相互之間放電，采用隔離壁將每一對電極隔開。然后通過放大器和變頻變壓裝置將外部電源提供的50Hz、380V的三相電轉換成高頻高壓交流電，頻響能達到2MHz，電壓可達lkv。在測量過程中，通過感受來流非定常壓力波動，非定常壓力波動會影響電極之間電壓的波動，采用高壓探頭獲得電極之間的高頻高壓電壓，并采用調制解調裝置將原始施加的高頻高壓電壓和來流非定常壓力波動分離。最后就可以通過數據采集系統(tǒng)對非定常壓力波動進行采集和分析，還原真實的壁面非定常壓力波動，實現對真實流場的顯示。
[0035]在本發(fā)明中，為了防止相鄰電極放電影響測量結果，采用隔離壁將電極隔開，保證測量數據的準確性和可靠性。絕緣板及隔離壁采用的絕緣材料一般是米卡塔絕緣材料或環(huán)氧樹脂絕緣材料。用于提供50Hz、380V的三相電的外部電源，其電壓為380V，但經過放大器和變頻變壓裝置之后在陽極和陰極施加的電壓能達到Ikv。
[0036]電極的尺寸小于1mm，電極間隙僅為零點幾毫米。電極尺寸小，且電極間隙也很小，具有足夠高的空間分辨率，能捕捉更多的流場細節(jié)。兩塊電極總長小于1mm，具有足夠高的空間分辨率，能捕捉更多的流場細節(jié)。由于電極尺寸很小，為了防止電極之間長期放電導致電極燒毀，采用比較耐用的傳感元件，如鉬、銥或其他合金材料。
[0037]在電極之間施加一定電壓之后，就會產生等離子體，由于等離子體產生之后會在壁面發(fā)出熒光，即可以通過高速攝像機拍攝熒光分布和強弱變化規(guī)律，從而可以定性反映壁面非定常壓力的分布和變化規(guī)律。在壁面壓力變化時，會引起電極之間等離子體分布的變化，這樣，為了維持電極之間的等離子體空間，所加的電壓就會隨之發(fā)生變化，即通過測量電極上所加的電壓波動反映壁面壓力場的波動。在數據采集裝置中還原真實的流場壓力分布，即可顯示真實的壁面非定常壓力分布。電極的頻響取決于加載電壓的載波頻率，電極之間的交流電壓載波頻率很高，能夠超過2MHz，使得等離子體流動顯示儀的頻響也很高，具有足夠高的時間分辨率，準確及時的捕捉壁面非定常壓力變化。
[0038]由于非定常流場的波動加載在載波頻率上，為了定量的獲得非定常流場的壓力和速度分布，采用調制解調裝置，將載波信號和非定常波動信號分開，準確獲得非定常波動的頻率和幅值。為了能夠采集頻響超過IMHz的非定常流場波動數據，數據采集裝置采用DSP高速采集卡，實現多通道數據采集，海量數據存儲和在線分析的功能。
[0039]如圖2所示，等離子體流動顯示裝置安裝在被測流場壁面，如機匣內部、葉片表面等，會在壁面形成等離子體場。由于來流壓力梯度的變化對等離子體場會產生影響，這種影響對圖2而言，反映在交流電壓的頻率和幅值上，并通過調制解調裝置和離線處理方式，顯示出壁面非定常壓力脈動變化；也可以通過拍攝技術獲得壁面熒光強度分布受來流壓力梯度影響的變化規(guī)律。
[0040]本發(fā)明主要是基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置制定了如下的具體的實施方式；
[0041]制作工藝:
[0042]首先是電極材料選型，由于測量過程中要保證電極之間等離子體的一直存在，這就需要電極材料要保證輝光放電足夠長的穩(wěn)定時間，即盡可能減少電極濺射和噪聲級；材料本身具有高熱傳導性、比熱和導電性，以保持電極溫度接近氣流溫度，降低溫差導致的電流變化；材料應具有良好的工藝性，即可以制成給定幾何形狀，幾何形狀主要以平坦形、半圓形和非對稱形為主，且要保證表面粗糙度。本發(fā)明將主要以目前認為比較可靠的鉬、銥等材料作為電極材料。
[0043]其次是電極間隙的選取。由于電極間隙越大，等離子容易逃逸，空間分辨率低；而電極間隙越小，空間分辨率高，但是電極容易被擊穿，而且電極間隙不同對不同速度范圍內的敏感性也會不同。另外，顯示儀的像素和分辨率取決于單位面積上電極的對數，因此本發(fā)明提出的等離子體流動顯示儀的電極之間的間隙大約從0.064mm到0.17_。
[0044]標定工藝:
[0045]首先是穩(wěn)態(tài)標定。對于壓力的標定，則采用標準壓力校驗儀標定來流速度為O時，等離子探針輸出電壓與環(huán)境壓力變化之間的關系進行標定。以及在風洞上通過固定來流馬赫數，標定不同來流速度條件下，等離子體探針輸出電壓與壓力變化之間的關系。
[0046]其次是動態(tài)標定。動態(tài)標定主要分為對脈動速度的頻響特性和脈動壓力的頻響特性分析。由于本發(fā)明提出的等尚子體流動顯不儀的頻響很聞，聞達IMHz,現有的動態(tài)標定裝置一激波管，雖然能夠獲得很好的階躍響應，但是標定過程中需要頻響等離子體流動顯示儀的測量設備測量捕捉階躍響應，這顯然無法滿足。因此本發(fā)明提出了以下動態(tài)標定方法:對脈動壓力測量時，需要能夠獲得頻響很高的脈動源，現有的實驗室很難獲得頻響高達IMHz的脈動源，本發(fā)明提出采用通過聲場激勵方式產生高頻壓力脈動，進行動態(tài)標定。
[0047]數據采集裝置:
[0048]本發(fā)明提出的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置具有超高頻響(IMHz)、耐高溫等特點，傳統(tǒng)的數據采集裝置無法滿足要求。為了能將其推廣到實際的測量應用中，需要解決高頻數據采集、海量數據存儲及讀寫、數據的在線分析以及攜帶方便等問題。因此本發(fā)明在等離子體探針和傳感器研制和實驗測量的基礎上，開發(fā)一套高度集成的數據采集裝置。通過選用TI6000系列的DSP芯片實現采集頻率高達幾十MHz，甚至上百MHz的速度讀寫高頻響動態(tài)數據。同時為了實時觀察動態(tài)數據的變化，實現在線數據分析的能力，分析方法主要包括=FFT分析、相關分析、功率譜分析等。另外為了實現對海量高頻數據存儲和離線分析，通過外設USB端口實現數據的快速存儲。
[0049]在等離子體流動顯示裝置使用過程中，當電極之間加上高壓電壓之后，等離子體區(qū)域會發(fā)出熒光，因此也可以采用高速攝像機對其進行拍攝，獲取熒光強弱分布規(guī)律，如圖3所示，采用高速攝像機對多組電極之間的熒光進行拍攝，其中高速攝像機的拍攝速度能達到每秒幾十萬幀，且分辨率也很高，捕捉流場細節(jié)的能力取決于單位面積上布置的電極對數和攝像機拍攝速度。因此基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，在使用過程中也可以采用高速攝像機進行拍攝，定性分析壁面非定常壓力分布和變化規(guī)律。
[0050]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，其特征在于，該裝置包括若干由陽極與陰極構成的電極對、用以布置該若干電極對的絕緣板、設置于陽極與陰極之間用以將每一電極對中的陽極與陰極隔開的隔離壁、放大器、變頻變壓裝置、高壓探頭、調制解調裝置和數據采集裝置，其中: 外部電源提供的50Hz、380V的三相電依次通過放大器和變頻變壓裝置被轉換成高頻高壓交流電，該高頻高壓交流電被加載至電極對的陽極和陰極上，在陽極和陰極之間產生等離子體場，采用高壓探頭獲得陽極與陰極之間的高頻高壓電壓，并采用調制解調裝置將原始施加的高頻高壓電壓和來流非定常壓力波動分離，最后通過數據采集裝置對非定常壓力波動進行采集和分析，還原真實的壁面非定常壓力波動，實現對真實流場的顯示。
2.根據權利要求1所述的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，其特征在于，外部電源提供的50Hz、380V的三相電依次通過放大器和變頻變壓裝置被轉換成高頻高壓交流電，頻響能達到2MHz,電壓能達lkv。
3.根據權利要求1所述的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，其特征在于，為了防止相鄰電極放電影響測量結果，采用隔離壁將布置于絕緣板的電極對中的陽極和陰極隔開，保證測量數據的準確性和可靠性。
4.根據權利要求3所述的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，其特征在于，所述絕緣板及隔離壁采用的絕緣材料是米卡塔絕緣材料或環(huán)氧樹脂絕緣材料。
5.根據權利要求1所述的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，其特征在于，所述陽極和陰極采用的材料為鉬或銥。
6.根據權利要求1所述的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，其特征在于，所述陽極和陰極的尺寸小于1mm，陽極與陰極之間的間隙僅為零點幾毫米。
7.根據權利要求1所述的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，其特征在于，由于非定常流場的波動加載在載波頻率上，為了定量的獲得非定常流場的壓力和速度分布，采用所述調制解調裝置將載波信號和非定常波動信號分開，準確獲得非定常波動的頻率和幅值。
8.根據權利要求1所述的基于輝光放電原理的等離子體流動顯示裝置，其特征在于，為了能夠采集頻響超過IMHz的非定常流場波動數據，所述數據采集裝置采用DSP高速采集卡，實現多通道數據采集，海量數據存儲和在線分析的功能。
【文檔編號】H01J11/32GK103474311SQ201310413706
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權日:2013年9月12日
【發(fā)明者】李繼超, 林峰, 李帆, 張文強, 聶超群 申請人:中國科學院工程熱物理研究所