專利名稱：：基于離子電流的脈沖爆震發(fā)動機高溫壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明設(shè)計的是一種用于脈沖爆震發(fā)動機高溫環(huán)境下的壓力傳感器，屬于壓力測量
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：脈沖爆震發(fā)動機(PulsedDetonationEngine——簡稱PDE)是一種利用周期性間歇式或脈沖式爆震波發(fā)出的沖量產(chǎn)生推力的非穩(wěn)態(tài)新型推力轉(zhuǎn)置爆震波本質(zhì)上由激波和燃燒波組成，激波對氣體的壓縮作用，使得脈沖爆震發(fā)動機中不需要傳統(tǒng)發(fā)動機中的壓氣機等旋轉(zhuǎn)部件，從而大大簡化了發(fā)動機結(jié)構(gòu)，減輕了重量，提高了推重比(〉20)。脈沖爆震發(fā)動機的燃燒過程近似為等容過程，熱循環(huán)效率高，耗油率低。脈沖爆震發(fā)動機的工作范圍廣，可以在M^010，飛行高度//=0~50^的包線范圍內(nèi)工作。推力可以在5^~49^的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。與常規(guī)沖壓式發(fā)動機不同，脈沖爆震發(fā)動機可以在地面靜止?fàn)顟B(tài)起動。脈沖爆震發(fā)動機可使用空氣中的氧氣作為氧化劑，也可自帶氧化劑，因而可以分為吸氣式脈沖爆震發(fā)動機(脈沖爆震發(fā)動機)和脈沖爆震火箭發(fā)動機(PDRE)。將兩者結(jié)合可以實現(xiàn)空天往返飛行。脈沖爆震發(fā)動機為間歇式循環(huán)進氣燃燒，燃燒室壁溫不高，燃燒火焰以亞音速傳播，其壓力不高，所以可采用普通材料，制造成本較低。爆震燃燒速度快，效率高，燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留的時間短，污染物少?；诿}沖爆震發(fā)動機的特點，它不僅可以作為獨立的動力裝置，同時還可以利用爆震燃燒構(gòu)成外涵脈沖爆震發(fā)動機渦扇發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機加力燃燒室，基于脈沖爆震發(fā)動機的混合循環(huán)和組合循環(huán)發(fā)動機，應(yīng)用于無人機、耙機、戰(zhàn)斗機、高超聲速隱身偵察機、戰(zhàn)略轟炸機、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、航天飛機等。脈沖爆震發(fā)動機已作為新概念發(fā)動機登上歷史舞臺，并已成為國際航空航天推進系統(tǒng)研究的熱點爆震發(fā)動機中的工況十分惡劣，瞬態(tài)的工作溫度高達(dá)2800K，可燃的混合氣體具有很強的腐蝕性，同時現(xiàn)有的爆震波頻率能夠達(dá)到一百赫茲，因此在爆震燃燒室周期的高溫環(huán)境中需要耐高溫、耐疲勞和耐腐蝕的壓力傳感器。已有的脈沖爆震發(fā)動機管內(nèi)壓力測量方法有兩種。其一，采用高頻響壓力傳感器進行測量。這種方法精度高，但是這種壓阻式傳感器在高達(dá)2800K的溫度下工作，不僅需要用絕熱材料來保護，還要用冷卻液進行降溫。一方面，絕熱材料的將減弱壓力值，降低傳感器的靈敏度，而且由于材料特性和制造工藝等方面的原因使得測量值的修正較難。因而測得的壓力只能作為定性的分析，而難以作為定量計算。另一方面，冷卻過程中，高溫環(huán)境下冷卻液不斷蒸發(fā)，需要不斷補充。對于今后脈沖爆震發(fā)動機作為推進系統(tǒng)而言，這種方法是不切實際的。其二，采用雙極式的離子探針進行測量。這種方法能夠滿足爆震波測量要求，但是探針兩極細(xì)短，極間距離較近，在連續(xù)爆震情況下，兩極容易受爆震波沖擊而接觸導(dǎo)通，或者由于長期工作而產(chǎn)生積碳導(dǎo)通。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的旨在利用爆震波的結(jié)構(gòu)特點，提出一種測量脈沖爆震發(fā)動機高溫環(huán)境下的壓力測量傳感器，該傳感器簡單可靠，安裝方便，測量電路簡單易行，抗干擾能力強，壓力測量可靠，精度高，設(shè)備成本低廉。本實用新型的技術(shù)解決方案其結(jié)構(gòu)是陽極插入在高溫陶瓷絕緣管中，然后一起插入在螺帽之中。螺帽上是硅膠密封層，在陽極和螺帽間直接施加一個穩(wěn)定電源，陽極與穩(wěn)壓電源的正極相接，螺帽通過電阻與穩(wěn)壓電源的負(fù)極相接。所述的陽極是一根直徑2.5mm的硬質(zhì)合金絲，所述的支座為鐵質(zhì)六角螺母，既作為支座安裝在脈沖爆震發(fā)動機管壁上，又作為傳感器的陰極。本實用新型的優(yōu)點采用單針型的離子探針作為脈沖爆震發(fā)動機的高溫壓力傳感器，相較于傳統(tǒng)的壓電式壓力傳感器，耐高溫，適合于脈沖爆震發(fā)動機連續(xù)爆震的高溫下長時間工作，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，工程應(yīng)用性強；采用單針型的離子探針作為脈沖爆震發(fā)動機的高溫壓力傳感器，相較于雙針式的離子探針壓力傳感器，耐沖擊，無兩極導(dǎo)通導(dǎo)致傳感器失效的情況，積碳現(xiàn)象得到明顯改善；采用單針型的離子探針作為脈沖爆震發(fā)動機的高溫壓力傳感器，在外加電場的作用下可以捕獲更多的自由電子和離子，獲得的離子電流更為穩(wěn)定有效。-附圖1是基于離子電流的脈沖爆震發(fā)動機高溫壓力傳感器(離子探針)的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2是本發(fā)明實施的測量電路圖。具體實施方式對照附圖l，其結(jié)構(gòu)是陽極4插入在高溫陶瓷絕緣管3中，然后一起插入在螺帽2中，螺帽2上是硅膠密封層1，在陽極4和螺帽2間直接施加一個穩(wěn)定的電壓，提供穩(wěn)定的電場。陽極與穩(wěn)壓電源的正極相接，螺帽2通過電阻R1與穩(wěn)壓電源的負(fù)極相接。當(dāng)爆震波掃過離子探針陽極時，自由電子和離子分別向陽極4和螺帽2移動；陽極4是一根直徑2.5mm的硬質(zhì)合金絲，伸出高溫陶瓷絕緣管3外3mm。螺帽2為鐵質(zhì)六角螺母，既作為支座安裝在脈沖爆震發(fā)動機管壁上，又作為傳感器的陰極。對照附圖2，其結(jié)構(gòu)是穩(wěn)壓電源與電阻R1串接后與基于離子電流的脈沖爆震發(fā)動機高溫壓力傳感器并接，其中電阻R1與高速電壓采集系統(tǒng)并接。在爆震掃過脈沖爆震發(fā)動機高溫壓力傳感器時能形成穩(wěn)定的離子電流，利用一套高速電壓采集系統(tǒng)(現(xiàn)有技術(shù)由美國NI公司生產(chǎn))測量采集電阻R1兩端電壓，獲得測量電路中離子電流的大小。基于離子電流的脈沖爆震發(fā)動機高溫壓力測量方法，當(dāng)脈沖爆震發(fā)動機燃燒時，爆震波中感應(yīng)區(qū)存在大量自由電子和離子，采用離子探針，并在其兩極施加一個穩(wěn)定的偏置電壓，在測量電路中形成持續(xù)的離子電流，電流衰減速度與爆震管內(nèi)的壓力存在線性關(guān)系，其具體關(guān)系是P-^f^C，其中P是爆震管內(nèi)壓力，！是離子電流的衰減速度，/c和C是系數(shù)，由此，根據(jù)離子電流衰減速度獲得爆震管內(nèi)壓力大小。爆震波結(jié)構(gòu)可以用一維ZND模型表示，它由一道平面激波和緊隨其后的化學(xué)反應(yīng)區(qū)，即燃燒波組成。當(dāng)利用碳?xì)淙剂吓c空氣的混合物燃燒時，在燃燒區(qū)顯現(xiàn)出強烈的離子化。由于脈沖爆震發(fā)動機每個工作循環(huán)中，燃燒反應(yīng)時間較短，因此碳?xì)淙剂虾涂諝獾姆磻?yīng)中，離子的生成主要集中在感應(yīng)區(qū)，生成離子的典型反應(yīng)有C/f+0~^C+e-(1)+H20~^CO+//30++e-(2)仏0++f~^//，(9+//(3)式中0^+的濃度遠(yuǎn)小于CHO+和/^0+，可以忽略；產(chǎn)生C/們+的反應(yīng)式(1)是放熱的，反應(yīng)中所釋放的熱量使得CMT繼續(xù)電離，產(chǎn)生7/30+。大量的自由電子、正負(fù)離子和自由基等帶電粒子使燃?xì)饩哂幸欢ǖ碾妼?dǎo)性。在離子探針兩極間施加一個直流偏置電壓，形成一個電場，帶電粒子在電場中發(fā)生定向遷移，正離子向陰極方向運動，電子和負(fù)離子向陽極方向運動。離子傳感器正、負(fù)極兩端間形成的持續(xù)離子電流。在測量電路中，形成的電流，即離子傳感器離子電流為/=e/^;r721^=6丌72￡//(4)式中e為單位電荷，為相應(yīng)于離子濃度的自由電子濃度，^為遷移速度，五為電場強度，^為遷移速率，i為離子探針陽極直徑。對式(4)求對時間的偏導(dǎo)數(shù)，可得離子電流的衰減速度t加A(5)形成離子電流的粒子遷移速度是指在電場方向測得的速度，存在大量碰撞時，帶電粒子的平均遷移速度與電場強度有關(guān)，也與氣體的濃度有關(guān)，而氣體的濃度隨管內(nèi)壓力的增大而增大(其它條件不變時)，因而帶電粒子的遷移速度正比于電場強度E與壓力P之比。v,(6)在火焰前鋒期，爆震管內(nèi)離子濃度變化的凈速率為離子生產(chǎn)速率與離子結(jié)合速率之差。由于分子碰撞，高濃度離子會自然地向低濃度擴散衰減，其衰減關(guān)系滿足沙哈方程。由式(3)可以看出，在離子結(jié)合反應(yīng)過程中，分子個數(shù)變?yōu)樗p前的兩倍。因而，離子濃度的衰減速度依賴于壓力的平方。在脈沖爆震發(fā)動機中，如果測量中保持離子探針兩極間電場強度恒定，即偏置電壓恒定，則式(5)可寫成改U、；式(7)表明爆震管內(nèi)壓力與離子電流的衰減速度成正比，由此得到的離子電流與壓力的關(guān)系模型P4蕓+c(8)其中，尸是爆震管內(nèi)壓力，f是離子電流的衰減速度，a和c是系數(shù)。因此，爆震管內(nèi)壓力測量可以轉(zhuǎn)化為離子電流衰減速度的測量，這是脈沖爆震發(fā)動機高溫環(huán)境下壓力測量的一種新方法。實施例為了獲得a和c，以乙炔為燃料，空氣為氧化劑，化學(xué)恰當(dāng)比^=0.8，偏置電壓^/=1(^，開展單爆震試驗，選取16次試驗中的50個數(shù)據(jù)點進行分析，建立表1壓力峰值與離子電流衰減速度之間的關(guān)系表。離子電流的衰減速度定義為離子電流峰值與離子電流衰減時間之比。限于篇幅，在此列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。表1壓力傳感器測量值/離子電流峰值/離子電流衰減時間<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>采用上述50組數(shù)據(jù)，采用最小二乘算法對式(8)進行直線擬和，結(jié)果得到C^力05，*=L254，從而得到爆震管內(nèi)壓力和離子電流衰減速度的關(guān)系式P=1.2542+3.005(9)為了驗證擬和關(guān)系式，隨機選取16組試驗中的另外9組數(shù)據(jù)，將/&帶入式(9)中計算壓力P，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，如表2所示。從表內(nèi)數(shù)據(jù)可以看出，根據(jù)離子電流衰減速度，通過擬和公式計算的爆炸管內(nèi)壓力與壓力傳感器測量值基本一致，相對誤差基本集中在1-3%。表2離子電流衰減速度/壓力傳感器測量值/擬和公式計算壓力/相對誤差<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1、基于離子電流的脈沖爆震發(fā)動機高溫壓力傳感器，其特征是陽極插入在高溫陶瓷絕緣管中，然后一起插入螺帽，螺帽安裝在脈沖爆震發(fā)動機管壁上，螺帽上是硅膠密封層，在陽極和螺帽間直接施加一個穩(wěn)定電源，陽極與穩(wěn)壓電源的正極相接，螺帽通過電阻與穩(wěn)壓電源的負(fù)極相接。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子電流的脈沖爆震發(fā)動機高溫壓力傳感器，其特征是所述的陽極是一根直徑2.5mm的硬質(zhì)合金絲，伸出高溫陶瓷絕緣管外3mm，螺帽為鐵質(zhì)六角螺母，既作為支座安裝在脈沖爆震發(fā)動機管壁上，又作為傳感器的陰極。專利摘要本實用新型是一種基于離子電流的脈沖爆震發(fā)動機高溫壓力傳感器，其特征是陽極插入在高溫陶瓷絕緣管中，然后一起插入螺帽，螺帽安裝在脈沖爆震發(fā)動機管壁上，螺帽上是硅膠密封層，在陽極和螺帽間直接施加一個穩(wěn)定電源，陽極與穩(wěn)壓電源的正極相接，螺帽通過電阻與穩(wěn)壓電源的負(fù)極相接。優(yōu)點相較于傳統(tǒng)的壓電式壓力傳感器，耐高溫，適合于脈沖爆震發(fā)動機連續(xù)爆震的高溫下長時間工作，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，工程應(yīng)用性強；相較于雙針式的離子探針壓力傳感器，耐沖擊，無兩極導(dǎo)通導(dǎo)致傳感器失效的情況，積碳現(xiàn)象得到明顯改善；在外加電場的作用下可以捕獲更多的自由電子和離子，獲得的離子電流更為穩(wěn)定有效。文檔編號G01M15/00GK201225942SQ200820040369公開日2009年4月22日申請日期2008年7月22日優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日發(fā)明者潘慕絢,黃金泉申請人:南京航空航天大學(xué)