宋權(quán)斌，莫 辛，李 帆，杜 娟,2d，羅海云，聶超群,2d

(1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114；2.中國科學(xué)院a.工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室；b.先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(工程熱物理研究所)；c.輕型動(dòng)力創(chuàng)新研究院；d.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；3.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

如何準(zhǔn)確測量高超沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段和航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件的內(nèi)部流場是提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能及可靠性的有效手段之一，而隔離段和高壓壓氣機(jī)的內(nèi)部流場具有高溫、高壓、高頻動(dòng)態(tài)壓力等特點(diǎn)，因此若要在上述復(fù)雜動(dòng)力機(jī)械中完成內(nèi)部流場的準(zhǔn)確測量，動(dòng)態(tài)壓力傳感器要同時(shí)具備小尺寸、高頻響(MHz及以上)且在高溫高壓流場穩(wěn)定工作的能力[1-4]。而目前傳感器由于受到質(zhì)量慣性的影響，最高可用頻響在500 kHz以內(nèi)，或者有著存在著尺寸偏大(6～10 mm)、溫度漂移等問題[5-10]，無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜機(jī)械內(nèi)部非定常測量的需要。而在對(duì)新技術(shù)的探索中，等離子體技術(shù)由于其有著許多先天優(yōu)勢而引起了研究者們的關(guān)注，如其理論上有著高頻率響應(yīng)的特性、不受熱慣性的限制、基于等離子體原理的探針結(jié)構(gòu)尺寸小，可達(dá)毫米尺度[11]。因此認(rèn)為其具有十分優(yōu)秀的發(fā)展?jié)摿?，有望突破高溫高壓流場測量的技術(shù)瓶頸。

早在1934年，由加州理工學(xué)院的Lindvall設(shè)計(jì)了基于等離子體原理的等離子體風(fēng)速計(jì)，首次將等離子體技術(shù)應(yīng)用于流體測量中[12]；在此之后，利用等離子體在大氣壓下進(jìn)行放電引起了研究者們的興趣。但在當(dāng)時(shí)由于理論與信號(hào)處理水平的限制，對(duì)于等離子體傳感器的研究發(fā)展緩慢，直到近年隨著等離子體技術(shù)的發(fā)展[13-14]，等離子體傳感器才重新回到研究者的視野之中。在此基礎(chǔ)上，2005年美國圣母大學(xué)Matlis和Corke設(shè)計(jì)了基于2 MHz射頻放電的等離子體風(fēng)速計(jì)[15]，并成功應(yīng)用于高焓、高馬赫數(shù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)；2008年Matlis和Corke將由熱電偶改裝成的等離子體傳感器置于跨音壓氣機(jī)葉片前緣，測量了壓氣機(jī)的失速過程[16]；2015年Marshall研究了電極間隙和交流載波對(duì)等離子體壓力傳感器靜態(tài)靈敏度的影響，得出等離子體風(fēng)速計(jì)靜態(tài)靈敏度與電極間隙成正比，與載波頻率無關(guān)的結(jié)論[17]。

國內(nèi)研究者針對(duì)射頻等離子體及利用等離子體測量氣動(dòng)參數(shù)的研究，同樣開展了很多工作[18-19]。清華大學(xué)焦俊凱推導(dǎo)了適用ɑ模式、高氣壓和小間隙的電子數(shù)密度解析解，并在驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性后通過實(shí)驗(yàn)研究了等離子體的阻抗的變化規(guī)律[20]。南京航空航天大學(xué)董鳴春和沈華旭分別建立了二維輝光放電模型和等離子體風(fēng)速計(jì)模型以進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)沈華旭通過實(shí)驗(yàn)研究了等離子體風(fēng)速計(jì)風(fēng)速和電流有效值之間的關(guān)系[21-22]?？哲姽こ檀髮W(xué)王康在穩(wěn)態(tài)特性研究工作的基礎(chǔ)上，研究并以圓柱擾流實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了等離子體風(fēng)速計(jì)對(duì)動(dòng)態(tài)流場的測量效果[23]。中國科學(xué)院工程熱物理研究所李帆研究利用等離子體測量氣動(dòng)壓力，首先對(duì)直流驅(qū)動(dòng)的等離子體壓力傳感器測量壓力的原理進(jìn)行了理論推導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)電極間隙及氣壓耦合關(guān)系進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并通過激波管標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)該傳感器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)標(biāo)定，最終驗(yàn)證該傳感器及其系統(tǒng)的頻響為146.6 kHz[24-25]。

然而，直流驅(qū)動(dòng)的等離子體傳感器系統(tǒng)頻響受限于電源內(nèi)部的反饋系統(tǒng)，無法突破MHz，且目前沒有針對(duì)該等離子體壓力傳感器在高溫環(huán)境下的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并缺乏在葉輪機(jī)械領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用研究。因此本文在團(tuán)隊(duì)前期工作的基礎(chǔ)上，開展了射頻驅(qū)動(dòng)等離子體壓力傳感器的相關(guān)研究，包括高溫工作特性和壓氣機(jī)動(dòng)態(tài)壓力流場測量實(shí)驗(yàn)。首先介紹了等離子體壓力傳感器的設(shè)計(jì)、激勵(lì)射頻電源及電子電路、實(shí)驗(yàn)裝置介紹；其次研究了等離子體壓力傳感器在不同電源輸出功率下的電壓～氣壓(0.4～4.5 atm)響應(yīng)曲線，并研究了溫度(25 ℃～400 ℃)對(duì)其特性的影響；最終將該等離子體壓力傳感器用于低速軸流壓氣機(jī)葉頂動(dòng)態(tài)壓力場測量，并與壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器Kulite進(jìn)行比較。

1 傳感器及實(shí)驗(yàn)裝置介紹

1.1 等離子體壓力傳感器設(shè)計(jì)與介紹

該等離子體壓力傳感器為裸電極陶瓷外螺紋安裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要包括兩個(gè)放電電極和絕緣陶瓷承載部件；金屬電極材料采用純鉑，絕緣介質(zhì)和絕緣支撐、安裝結(jié)構(gòu)材料采用99 %純度的氧化鋁陶瓷，均可耐高溫。在研究直流驅(qū)動(dòng)的等離子體壓力傳感器時(shí)得到的傳感器工作維持電壓與外界氣壓的U-P特性曲線可知[25]，等離子體壓力傳感器的工作維持電壓與外界氣壓之間為U型曲線關(guān)系。在對(duì)間隙進(jìn)行研究后，為保證傳感器工作在同一規(guī)律即工作維持電壓與氣壓呈正相關(guān)的規(guī)律下，根據(jù)不同電極間隙下的氣壓響應(yīng)曲線，選擇放電電極間隙為220 μm，電極直徑為0.5 mm；對(duì)如此微小的間隙，在所施加射頻的周期內(nèi)，可以認(rèn)為帶電粒子(尤其是離子)來得及遷移，在直流輝光放電下推導(dǎo)的規(guī)律同樣適用于射頻放電。射頻交流驅(qū)動(dòng)的等離子體壓力傳感器也可以采用該結(jié)論，因此這也是本文所設(shè)計(jì)的等離子體壓力傳感器的基本工作原理和規(guī)律。

圖1 等離子體壓力傳感器示意圖及實(shí)物圖Fig.1 Schematic diagram and photograph of the plasma pressure sensor

1.2 實(shí)驗(yàn)測量電路

圖2為整個(gè)系統(tǒng)的等效電子電路，包括射頻交流電源及匹配電路、等離子體壓力傳感器、電壓探頭、示波器等。射頻交流電源采用美國T&C Power Conversion寬頻可調(diào)頻率高壓交流電源，型號(hào)為AG1020，連續(xù)功率輸出范圍為0～200 W，頻率調(diào)節(jié)范圍為10 kHz～20 MHz；變壓器原/副邊匝數(shù)比值為1:60，最終電路特性最佳工作頻率為1.25 MHz，升壓比為75，無感電阻阻值為5 kΩ；可使等離子體壓力傳感器在1W輸出功率下?lián)舸╇姌O間隙，成功放電。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等效電子電路示意圖Fig.2 A schematic of the electronic circuit

回路中使用的高壓探頭型號(hào)為美國泰克公司的P6015A，探頭的衰減比為1000：1，其最大輸入電壓為20 kVRMS，探頭P6015A測量后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫吞?hào)為美國泰克公司的DPO3034數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行后續(xù)處理。

1.3 氣體放電室

本文將在氣體放電室中研究不同壓力環(huán)境下等離子體壓力傳感器的工作特性。圖3所示是等離子體放電室及其系統(tǒng)的組成示意圖。等離子體放電室中最高可加壓到1.0 MPa，可為等離子體壓力傳感器模擬不同壓力環(huán)境以研究其不同壓力下的放電現(xiàn)象及狀況。罐內(nèi)氣壓由真空泵和充氣泵來模擬真空和加壓環(huán)境，同時(shí)配有出氣口來調(diào)整罐內(nèi)氣壓大小。

圖3 等離子體氣體放電室組成示意圖Fig.3 A schematic for the static calibration setup

系統(tǒng)包括一個(gè)等離子體放電室壓力氣罐，在放電室腔體正面上有泵組、氣壓表、觀察窗、安全閥，除此以外還包括高速示波器，射頻激勵(lì)電源、電壓探頭等。

1.4 電熱高溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)

本文將在電熱高溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)中研究高溫環(huán)境下等離子體壓力傳感器的工作特性。實(shí)驗(yàn)所采用的DHG-500電熱高溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖5所示，內(nèi)部尺寸為350*350*350mm，工作時(shí)功率為3 kW，工作溫度可由室溫25 ℃起升至500 ℃。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂部裝有排氣閥，排氣閥可調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，還可以引入電線進(jìn)行高溫實(shí)驗(yàn)。

圖4 DHG-500電熱高溫箱Fig.4.DHG-500 electro thermostat

2 等離子體壓力傳感器穩(wěn)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 等離子體壓力傳感器電壓對(duì)氣壓的響應(yīng)規(guī)律

等離子體壓力傳感器穩(wěn)態(tài)標(biāo)定是在章節(jié)1.3中介紹的高壓氣體放電室實(shí)驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)時(shí)將等離子體壓力傳感器置于壓力氣罐中，通過氣體放電室外部的絕緣套筒將導(dǎo)線接入放電室中，打開射頻交流電源，調(diào)整電源輸出功率為5W，此時(shí)等離子體壓力傳感器兩端的電壓波形為近似正弦波，可判斷此時(shí)等離子體穩(wěn)定放電。實(shí)驗(yàn)采用衰減比1000:1電壓探頭來記錄傳感器兩端的維持電壓值，并由示波器進(jìn)行顯示和記錄數(shù)據(jù)。

首先在大氣壓環(huán)境下獲得穩(wěn)定的射頻等離子體，電源輸出交流頻率為1.25 MHz；然后改變放電室氣壓，從0.4 atm逐步升高到4.5 atm，以0.1 atm為間隔記錄等離子體壓力傳感器兩端的電壓值隨放電室內(nèi)的氣壓變化的特性曲線；期間通過調(diào)節(jié)射頻電源的輸出功率，維持其穩(wěn)定連續(xù)放電；電極間隙220 μm的等離子體壓力傳感器的適用氣壓量程為0.4～4.5 atm，對(duì)應(yīng)的電源輸出功率量程為5～9 W，當(dāng)罐內(nèi)氣壓增大時(shí)，其穩(wěn)定工作電壓也隨之增大，即等離子體壓力傳感器維持電壓與氣壓之間為正相關(guān)關(guān)系，且不同的電源輸出功率對(duì)應(yīng)著不同的氣壓范圍，整體靈敏度為0.22 V/kPa。當(dāng)電源輸出功率為5 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，對(duì)應(yīng)工作氣壓量程為0.4～1.2 atm，靈敏度為0.35 V/kPa；當(dāng)電源輸出功率為7 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，對(duì)應(yīng)工作氣壓量程為1.3～2.5 atm，靈敏度為0.225 V/kPa；當(dāng)電源輸出功率為8 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，對(duì)應(yīng)工作氣壓量程為2.6～3.5 atm，靈敏度為0.2 V/kPa；當(dāng)電源輸出功率為9 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，對(duì)應(yīng)工作氣壓量程為3.6～4.5 atm，靈敏度為0.167 V/kPa。最終得到該等離子體壓力傳感器的特性如表1。

F/atm圖5 電極間隙220 μm在電源輸出功率5W時(shí)對(duì)氣壓變化的校準(zhǔn)曲線Fig.5 The effect of pressure on the voltage at 5 W with 220 μm electrode spacing

F/atm圖6 電極間隙220 μm在電源輸出功率7W時(shí)對(duì)氣壓變化的校準(zhǔn)曲線Fig.6 The effect of pressure on the voltage at 7 W with 220 μm electrode spacing

F/atm圖7 電極間隙220 μm在電源輸出功率8W時(shí)對(duì)氣壓變化的校準(zhǔn)曲線Fig.7 The effect of pressure on the voltage at 8 W with 220 μm electrode spacing

F/atm圖8 電極間隙220 μm在電源輸出功率9W時(shí)對(duì)氣壓變化的校準(zhǔn)曲線Fig.8 The effect of pressure on the voltage at 9 W with 220 μm electrode spacing

表1 等離子體壓力傳感器的特性Table 1 Technical parameters of the plasma pressure sensor

2.2 溫度對(duì)等離子體壓力傳感器特性的影響

該實(shí)驗(yàn)在章節(jié)1.4介紹的極限工作溫度可達(dá)500 ℃的電熱高溫箱中開展。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將等離子體壓力傳感器放置于高溫箱中，射頻交流電通過箱頂排氣閥伸出的導(dǎo)線進(jìn)入到高溫箱內(nèi)，首先在大氣壓常溫環(huán)境下獲得穩(wěn)定的射頻等離子體，此時(shí)等離子體壓力傳感器兩端的電壓和頻率大小由示波器測量得到，電源輸出交流頻率為1.25 MHz。保持電源輸出功率5 W不變，改變高溫箱的室內(nèi)溫度，溫度值從高溫箱上的示數(shù)盤讀取，每隔25 ℃改變高溫箱的室內(nèi)溫度，最終得到等離子體壓力傳感器的高溫工作特性曲線，如圖9所示。

t/℃圖9 大氣壓下溫度對(duì)電壓的影響規(guī)律Fig.9 Effect of temperature on voltage at atmosphere pressure

從圖9可以看出，等離子體壓力傳感器的放電維持電壓基本不隨溫度的變化而變化，在356和358 V左右波動(dòng)，這在示波器測量的誤差范圍之內(nèi)，即證明了等離子體壓力傳感器在放電時(shí)，對(duì)25 ℃～400 ℃的溫度變化不具有敏感性，因此在此溫度區(qū)域中可以不需要對(duì)其進(jìn)行溫度校準(zhǔn)或補(bǔ)償。

2.3 穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

(1)電極間隙220 μm的射頻驅(qū)動(dòng)等離子體壓力傳感器可正常工作的氣壓量程為0.4～4.5 atm，其對(duì)應(yīng)的輸出功率量程為5～9 W，電源輸出功率隨氣壓的增大而變化，且不同的輸出功率對(duì)應(yīng)著不同的氣壓范圍。同時(shí)傳感器工作維持電壓隨著氣壓增大而增大，即維持電壓與氣壓之間成正比例關(guān)系，當(dāng)電源輸出功率為5 W時(shí)，對(duì)應(yīng)工作氣壓量程為0.4～1.2 atm，靈敏度為0.35 V/kPa；當(dāng)電源輸出功率為7 W時(shí)，對(duì)應(yīng)工氣壓量程為1.3～2.5 atm，靈敏度為0.225 V/kPa；當(dāng)電源輸出功率為8 W時(shí)，對(duì)應(yīng)工作氣壓量程為2.6～3.5 atm，靈敏度為0.2 V/kPa；當(dāng)電源輸出功率為9 W時(shí)，對(duì)應(yīng)工作氣壓量程為3.6～4.5 atm，靈敏度為0.167 V/kPa。傳感器整體平均靈敏度為0.22 V/kPa。

(2)電極間隙220 μm的射頻驅(qū)動(dòng)等離子體壓力傳感器維持電壓基本不隨溫度的變化而產(chǎn)生變化，在356 V和358 V左右波動(dòng)，證明了該等離子體壓力傳感器在高溫環(huán)境下可以正常工作，并且在25 ℃～400 ℃對(duì)溫度不具有敏感性。

3 等離子體壓力傳感器在低速軸流壓氣機(jī)中葉頂動(dòng)態(tài)壓力測量實(shí)驗(yàn)及分析

上一章我們得到了穩(wěn)態(tài)下等離子體壓力傳感器在220 μm間隙時(shí)不同輸出功率所對(duì)應(yīng)的不同電壓～穩(wěn)態(tài)氣壓響應(yīng)曲線，為了進(jìn)一步驗(yàn)證等離子體壓力傳感器在實(shí)際動(dòng)態(tài)壓力場中的測量能力，本章將等離子體壓力傳感器應(yīng)用于低速軸流壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，開展壓氣機(jī)葉頂動(dòng)態(tài)壓力測量實(shí)驗(yàn)，并以Kulite壓阻式傳感器作為對(duì)照；實(shí)驗(yàn)選取的動(dòng)態(tài)采集工況點(diǎn)為流量系數(shù)0.53的大流量工況和0.45的近失速工況，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 低速軸流壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)及測量系統(tǒng)介紹

如圖10所示的低速單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機(jī)，該壓氣機(jī)通道外徑為500 mm，輪轂比為0.75，轉(zhuǎn)子共有60個(gè)葉片，此次實(shí)驗(yàn)采用的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為2400 r·min-1，因此葉片通過頻率為2400 Hz，其他詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

圖10 壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)測量布置示意圖Fig.10 Layout of compressor measure ments experiment

表2 IET-LAC低速軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子幾何及氣動(dòng)參數(shù)Table.2 Geometric and aerodynamic parameters of IET-LAC low speed axial compressor rotor

如圖11所示為壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)測量布置示意圖，實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)包括穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)測量主要為壓氣機(jī)特性測量，在距轉(zhuǎn)子前緣13倍轉(zhuǎn)子葉頂軸向弦長(Cax)的A截面周向均勻布置4個(gè)穩(wěn)態(tài)壓力傳感器，用于測量進(jìn)口壁面靜壓，在出口距轉(zhuǎn)子尾緣4Cax處C截面周向均勻布置四個(gè)穩(wěn)態(tài)壓力傳感器和一個(gè)五孔梳狀總壓探針，用于測量出口壁面靜壓及出口總壓；動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)包括Kulite壓力傳感器、等離子體壓力傳感器、信號(hào)放大器以及PXI高頻采集系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)子葉頂距前緣20%Cax位置B截面處周向均勻布置了4支動(dòng)態(tài)壓力傳感器。圖12(左)是實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)壓力傳感器在壓氣機(jī)機(jī)匣的具體周向位置示意圖，沿壓氣機(jī)周向?qū)ΨQ布置了3個(gè)Kulite動(dòng)態(tài)壓力傳感器和一個(gè)等離子體動(dòng)態(tài)壓力傳感器。圖12(右)是傳感器在葉片頂部的軸向位置示意圖，傳感器安裝在轉(zhuǎn)子頂部 (距前緣20%軸向弦長位置)，即泄漏流自激非定常特性最為明顯的區(qū)域，并使傳感器頭部與機(jī)匣內(nèi)壁面齊平。圖13為等離子體壓力傳感器安裝在工裝內(nèi)并正在放電的圖片，此時(shí)電源輸出功率為5 W，工作頻率為1.25 MHz。

圖11 單轉(zhuǎn)子低速軸流壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.11 Photograph of IET-LAC compressor

圖12 傳感器在壓氣機(jī)機(jī)匣周向位置(左)和葉片頂部軸向位置(右)示意圖Fig.12 Schematic diagram of the sensor in compressor circumferential position (left) and axial position (right)

圖13 安裝在工裝內(nèi)的等離子體壓力傳感器Fig.13 The Plasma pressure sensor mounted in tooling

實(shí)驗(yàn)所選用的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器為美國Kulite公司所生產(chǎn)的XCS-190(M)傳感器，頭部直徑5 mm，量程為±35 kPa，固有頻率為150 kHz。為了對(duì)MHz高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集，本章動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用北京泛華恒興科技有限公司生產(chǎn)的PXI/PXIe-3371，該采集系統(tǒng)分辨率16位，同時(shí)采樣頻率為10 MHz。在試驗(yàn)過程中，節(jié)流閥由一臺(tái)直流電機(jī)控制，均速關(guān)閉使壓氣機(jī)均勻連續(xù)節(jié)流至失速邊界。

3.2 動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理

首先介紹一下等離子體壓力傳感器測量脈動(dòng)壓力的原理：射頻電源在微等離子體壓力傳感器兩端施加MHz的交流信號(hào)，這個(gè)正弦波信號(hào)通常稱為載波信號(hào)，并由該信號(hào)激勵(lì)傳感器使其正常放電工作。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化時(shí)，傳感器兩端的電壓信號(hào)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的波動(dòng)，即由傳感器所測得壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化而成的電信號(hào)疊加到電源載波信號(hào)上。這種現(xiàn)象稱之為載波信號(hào)與傳感器信號(hào)互相調(diào)制，常見的幅度調(diào)制示意圖如圖14所示。為從調(diào)制信號(hào)中求得所需的消息信號(hào)(即解調(diào)信號(hào)fm)，需要將載波信號(hào)與消息信號(hào)重新分開，而這個(gè)過程稱之為解調(diào)，下面將對(duì)調(diào)制解調(diào)方法進(jìn)行介紹。

圖14 幅度調(diào)制示意圖Fig.14 Schematic representation of time domain response of amplitude modulation

如圖14所示的標(biāo)準(zhǔn)幅度調(diào)制示意圖，假設(shè)壓力(調(diào)制)信號(hào)m(t)的平均值為0，將其疊加一個(gè)直流偏量A0后與載波相乘，即可形成已調(diào)信號(hào)s(t)。對(duì)于此次實(shí)驗(yàn)射頻交流電源所提供的載波c(t)其幅值大于壓力信號(hào)m(t)的幅值，因此調(diào)制方式為常規(guī)幅度調(diào)制。其中正弦型載波為：

c(t)=Acos(ωct+φ0)

(1)

其已調(diào)信號(hào)s(t)時(shí)域表達(dá)式為：

s(t)=[A0+m(t)]cosωct=A0cosωct+m(t)cosωct

(2)

式中：A0為直流分量；m(t)為壓力信號(hào)或調(diào)制信號(hào)，即實(shí)驗(yàn)中所測得的壓力信號(hào)。

在頻譜中，因調(diào)制而產(chǎn)生的邊帶頻率對(duì)應(yīng)為fc-fm和fc+fm，其變化示意圖如圖15所示，在得到已調(diào)信號(hào)s(t)后，需要進(jìn)行解調(diào)處理，還原壓力信號(hào)m(t)，其解調(diào)示意圖如圖16所示。在還原信號(hào)過程中會(huì)存在有噪聲n(t)影響已調(diào)信號(hào)。此時(shí)需要帶通濾波器BPF濾波已調(diào)信號(hào)頻帶外的噪聲，經(jīng)過帶通濾波器后得到的信號(hào)仍可以認(rèn)為是s(t)，而噪聲為ni(t)。經(jīng)過解調(diào)得到的有用信號(hào)可認(rèn)為是壓力m(t)。對(duì)于目前常用的解調(diào)方法包括Hilbert解調(diào)、包絡(luò)解調(diào)、平方解調(diào)等解調(diào)方法，針對(duì)等離子體傳感器系統(tǒng)中遇到的信號(hào)調(diào)制方式，即載波頻率高，在調(diào)制信號(hào)圖像上不存在載波反相的情況，故我們可采用包絡(luò)解調(diào)來對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，只需要求得其包絡(luò)即可求得所需消息信號(hào)。通過Matlab程序確定已調(diào)信號(hào)s(t)的局部極值點(diǎn)，用3次樣條線將所有的局部極大值點(diǎn)連接起來形成上包絡(luò)線，即得到了所需的壓力脈動(dòng)信號(hào)。

圖15 幅度調(diào)制頻譜示意圖Fig.15 Schematic representation of frequency domain response of the amplitude modulation

圖16 信號(hào)解調(diào)示意圖Fig.16 Schematic representationof demodulation

3.3 葉頂動(dòng)態(tài)壓力測試結(jié)果及分析

圖17給出了均勻進(jìn)氣下低速軸流壓氣機(jī)的特性線。在壓氣機(jī)的相關(guān)研究中，一般通過總靜壓升系數(shù)隨流量系數(shù)的變化關(guān)系，來表示壓氣機(jī)運(yùn)行過程的穩(wěn)態(tài)特性。

采用的流量系數(shù)φ定義為：

(3)

式中：Vx,inlet為壓氣機(jī)進(jìn)口氣流的軸向速度；Umid為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中徑處的圓周切向速度。

進(jìn)口氣流的軸向速度Vx,inlet和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中徑處的圓周切向速度的計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中：Pt,inlet為壓氣機(jī)進(jìn)口總壓，實(shí)驗(yàn)中壓氣機(jī)進(jìn)口總壓為環(huán)境大氣壓,Px,inlet為進(jìn)口壁面靜壓ρ為環(huán)境大氣密度；Dm為轉(zhuǎn)子葉片中徑；n為轉(zhuǎn)速。

采用的總壓升系數(shù)ψ的定義為：

(6)

式中：Px,exit為壓氣機(jī)出口壁面靜壓。

如圖17所示，實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)測量選取的流動(dòng)工況點(diǎn)，分別為大流量工況(流量系數(shù)φ= 0.53)和近失速工況(流量系數(shù)φ=0.45)，并在該流動(dòng)工況下應(yīng)用等離子體壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，以驗(yàn)證其應(yīng)用。

圖17 壓氣機(jī)特性線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.17 Experiment result of the compressor characteristic line

3.3.1 大流量工況葉頂動(dòng)態(tài)壓力測試結(jié)果及分析

為了方便對(duì)等離子體壓力傳感器和Kulite傳感器的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，首先按照公式7對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，U為采集所得的電信號(hào)：

(7)

將1號(hào)Kulite傳感器和Plasma傳感器(解調(diào)后)的時(shí)域信號(hào)通過傅里葉FFT變換，得到了圖18所展示的Kulite頻譜圖和圖19展示的等離子體壓力傳感器的頻譜圖，從頻譜圖可以看出，等離子體壓力傳感器和壓阻式Kulite傳感器相比，具有相同捕捉葉片通過頻率的能力，即圖中的2411 Hz。

f/Hz圖18 大流量工況下1號(hào)Kulite傳感器FFT頻譜圖Fig.18 The FFT frequency domain diagram of Kulite with a flow coefficient of 0.53

f/Hz圖19 大流量工況下Plasma傳感器 (解調(diào)后)FFT頻譜圖Fig.19 The FFT frequency domain diagram of Plasma with a flow coefficient of 0.53 (demodulated)

3.3.2 近失速工況葉頂動(dòng)態(tài)壓力測試結(jié)果及分析

同樣地，將近失速工況下(流量系數(shù)0.45)的Kulite傳感器和等離子體壓力傳感器解調(diào)后的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行無量綱化處理，并將1號(hào)Kulite傳感器和Plasma傳感器(解調(diào)后)的時(shí)域信號(hào)通過傅里葉FFT變換，得到圖20所展示Kulite的頻譜圖和圖21展示的等離子體壓力傳感器的頻譜圖，從頻譜圖可以看出，等離子體壓力傳感器和壓阻式Kulite傳感器相比，具有相同捕捉葉片通過頻率的能力，即圖中的2410 Hz，且還可以捕捉到葉頂泄漏流自激非定常性的頻率，即圖中的970 Hz[26]。

f/Hz圖20 近失速工況下1號(hào)Kulite傳感器FFT頻譜圖Fig.20 The FFT frequency domain diagram of Kulite with a flow coefficient of 0.45

f/Hz圖21 近失速工況下Plasma傳感器 (解調(diào)后)FFT頻譜圖Fig.21 The FFT frequency domain diagram of Plasma with a flow coefficient of 0.45 (demodulated)

4 結(jié)論

本文研究了基于射頻放電等離子體壓力傳感器在激勵(lì)載波頻率為1.25 MHz，氣壓范圍0.4～4.5 atm下不同輸出功率所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，及其在25 ℃～400 ℃下的高溫工作特性，最終將該等離子體壓力傳感器應(yīng)用于單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機(jī)葉頂動(dòng)態(tài)壓力測量實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)論如下：

(1)穩(wěn)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電極間隙220 μm的射頻等離子體壓力傳感器可正常工作的氣壓量程為0.4～4.5 atm，其對(duì)應(yīng)的電源輸出功率量程為5～9 W，電源輸出功率隨氣壓的增大而變化，且不同的輸出功率對(duì)應(yīng)著不同的氣壓范圍。整體而言，等離子體壓力傳感器整體的靈敏度為0.22 V/kPa。

(2)高溫特性實(shí)驗(yàn)證明，在25 ℃～400 ℃溫度范圍內(nèi)，等離子體壓力傳感器的維持電壓基本不隨溫度的變化而產(chǎn)生變化，僅在356 V左右波動(dòng)，證明了該等離子體壓力傳感器不僅耐高溫，并且在該溫度范圍內(nèi)對(duì)溫度不具有敏感性，因此不需要進(jìn)行溫度校準(zhǔn)或補(bǔ)償。這是等離子體壓力傳感器與其他類型傳感器相比的優(yōu)勢之一。

(3)在上述研究工作的基礎(chǔ)上，將該等離子體壓力傳感器和壓阻式動(dòng)態(tài)壓力傳感器Kulite同時(shí)安裝在軸流壓氣機(jī)機(jī)匣上并測量了壓氣機(jī)葉頂動(dòng)態(tài)壓力流場，并選取了兩個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行分析：大流量工況(流量系數(shù)為0.53)和近失速工況(流量系數(shù)為0.45)。對(duì)頻域分析可知，等離子體動(dòng)態(tài)壓力傳感器和Kulite動(dòng)態(tài)壓力傳感器一樣，具有捕捉葉片通過頻率(2410 Hz)的能力，且同樣可以捕捉到葉頂泄漏流的自激非定常特征頻率(970 Hz)。

然而，從動(dòng)態(tài)壓力測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，目前等離子體壓力傳感器與Kulite傳感器仍有差距，主要體現(xiàn)在傳感器的信號(hào)處理、信噪比以及精確度上，這是之后等離子體壓力傳感器需要攻克的難點(diǎn)所在。接下來的研究工作將首先改善等離子體壓力傳感器的信噪比及測量精確度，在此基礎(chǔ)上，開展其在實(shí)際的高溫高壓環(huán)境中的應(yīng)用研究，最終期望實(shí)現(xiàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部十分嚴(yán)苛的高溫高壓高速環(huán)境中動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)信號(hào)的測量與采集。