等离子体压力显示膜片及其稳态标定系统和测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体机械行业流场动态测量技术领域，尤其涉及一种用于飞机、燃气轮机和强三维性流场的等离子体压力显示膜片及其稳态标定系统，以及利用等离子体压力显示膜片进行表面压力测量的系统。
【背景技术】
[0002]随着气体动力学的迅速发展，对于流场精细结构的测量要求越来越高，尤其是飞机表面压力分布和叶轮机械内部叶片表面压力分布的测量引起了更多的关注。各种流场显示技术为气体动力学的发展起到了极大的推动作用，而目前常用的一些全流场测试技术如PIV等往往难以满足需求，以叶轮机械为例，为了研究叶片载荷，需要知道叶片表面详细的压力分布及其动态特性。然而PIV难以测量复杂表面的流动结构，而传统的热线、热膜以及一些动态压力传感器只能提供单点测量数据；油流法和压力敏感漆(PSP)或者温度敏感漆(TSP)等测量手段测量频响都比较低，最多只能达到千赫兹量级。而流体机械叶片表面压力非定常性对于研究其内部流动结构具有非常重要的意义，故针对当今空气动力学和叶轮机械气动热力学发展的战略需求，迫切需要超高频响(即频响达到IMHz)的表面压力测量技术和与其配套测量系统。这个级别的频响已经不能通过传统的压电陶瓷、热丝或热膜来实现，需要新原理和新方法。
[0003]简要回顾一下等离子测量技术的发展历程。早在1934年，Lindvall便提议将辉光放电应用于风速计。他利用直流辉光放电测量圆柱尾迹速度。1949年，加州理工学院的Mettler成功研制出一个噪音低的直流辉光放电风速计，并在1.6马赫数下试验成功。他还对空气气流辉光放电的定量理论进行了研究，发现风速计对温度并不敏感。在早期研制的辉光放电风速计中，VrebalOViCh(1954)的直流和交流辉光放电设计是比较突出的。尤其直流设计随着时间的推移电极降解方面越优越。他利用直流驱动探针，可以测量马赫数从1.3到4的附面层，且具有700kHz载波频率。
[0004]由于等离子探针的想法非常超前，在经历了初期的研究之后渐渐被搁置下来，相关研究转到等离子体流动主动控制技术上。直到2000年之后，高超声速气动力学的发展、叶轮机械性能的需求又让人们开始对这项技术产生了浓厚的兴趣，开始重新审视它的优点，研究它的机理以及全新的应用。2005年前后，美国Univ.0f Notre Dame的Matlis和Corke设计的等离子风速计由2MHz的AC交流电驱动，可以在高马赫数、高恰风洞试验中稳定工作，在马赫数为5时仍对质量通量的均值和脉动成分高度敏感，并实现了电脑自动控制。其具有极高的响应频率，且无须补偿，可以直接测量频率高达200kHz的可控记录扰动。原则上，在频率高达2MHz的实验测量中，是可以得到未补偿响应频率的载波频率的。风速计幅值调制的交流载波输出信号，信噪比要高于热线。
[0005]2010年，GE公司的Moeckel等人提出了在航空发动机上采用等离子传感器测量压气机失速信号的设想，并据此申请了专利。由于该传感器对温度不敏感且耐高温，因此可以用在其他发动机高温部件进行相关参数测量，如燃烧室或涡轮。
[0006]过去的研究表明，等离子体对空气参数的变化比较敏感，而且具有较高的响应频率。而本发明则采用了新的原理设计出用了测量压力的等离子体压力显示膜片，因而对应提出了新的结构和数据处理方式。
【发明内容】
[0007](一 )要解决的技术问题
[0008]综合考虑上述需求对流场表面压力测量所提出的新的要求，本发明的主要目的在于提供一种等离子体压力显示膜片及其稳态标定和利用该膜片进行压力测量的系统，以满足高焓高马赫数流动的测量，同时解决传统的表面压力显示技术频响不够高且成本较高的问题。
[0009]( 二 )技术方案
[0010]为达到上述目的，本发明提供了一种等离子体压力显示膜片，该等离子体压力显示膜片为层状结构，分为四层，包括裸露金属薄膜、绝缘膜片、掩埋金属薄膜和绝缘覆盖薄膜，其中:裸露金属薄膜采用导电金属制成，厚度为5-30微米，通过电镀或者粘贴的方式生成在绝缘膜片的正面，与连接等离子体激励器的地线相连接；绝缘膜片作为等离子压力显示膜片的基底材料，采用刚性(如石英、刚玉或者陶瓷)或者柔性(如聚酰亚胺，聚四氟乙烯等)材料制成，厚度为微米量级，作为阻挡介质隔开裸露金属薄膜与掩埋金属薄膜；掩埋金属薄膜采用导电金属制成，厚度为5-30微米，通过电镀的或者粘贴方式生成在绝缘膜片的背面，与连接等离子体激励器的高压线相连接；绝缘覆盖薄膜采用喷涂或者粘贴的方式在绝缘膜片的背面生成，可以为刚性(如石英、刚玉或者陶瓷)或者柔性(如聚酰亚胺，聚四氟乙烯等)材料，厚度为30微米左右。
[0011]上述方案中，所述裸露金属薄膜、绝缘膜片、掩埋金属薄膜和绝缘覆盖薄膜之间都是紧密结合，不存在任何间隙。
[0012]上述方案中，所述裸露金属薄膜和掩埋金属薄膜分布在绝缘膜片的两个表面，而且面积均不超过绝缘膜片；裸露金属薄膜的面积大于掩埋金属薄膜的面积；绝缘覆盖薄膜将掩埋金属薄膜完全覆盖住，同时面积不超过绝缘膜片。
[0013]上述方案中，所述裸露金属薄膜为线条连接的空心圆孔阵列，线条的宽度为3_，圆孔的内径为l_2mm，圆孔的外径为8mm。
[0014]上述方案中，所述掩埋金属薄膜为线条连接的实心圆点阵列，线条的宽度为1_，圆点的外径为6mm。
[0015]上述方案中，所述绝缘膜片和掩埋金属薄膜均为连续结构，厚度均匀，不存在任何孔。
[0016]上述方案中，所述裸露金属薄膜暴露于待测气流中，绝缘覆盖薄膜与待测表面直接接触。
[0017]上述方案中，所述等离子体压力显示膜片可以通过粘结的方式贴在待测表面上，也可以直接在待测表面上按照工艺生成此膜片。
[0018]为达到上述目的，本发明提供了一种对所述等离子体压力显示膜片进行静态标定的系统，该系统包括该系统包括等离子体激励器、电流探头、电压探头、高速示波器、高压线入口、地线出口、高压线、地线、压力气罐、等离子体压力显示膜片、安全阀、阀门、栗组、传感器接口、观察窗和相机，其中:等离子体激励器用于为等离子体压力显示膜片提供合适电压和频率的交流电，从而让裸露金属薄膜表面产生等离子体；电流探头用于地线中的电流放大后供高速示波器采集使用；电压探头用于将高压线的高电压衰减后供高速示波器采集使用；高速示波器用于采集并显示电压探头和电流探头传输的电信号；高压线入口和地线出口分别为高压线和地线提供接入压力气罐的通道，保证电气安全和气密性；等离子体压力显示膜片用于感受气体压力。安全阀可以在压力气罐内部压力过高的时候打开放气，从而保证压力气罐的安全；栗组通过阀门给压力气罐充气或者抽气，从而调节压力气罐内部的气体压力；传感器接口允许接入不同的传感器从而对压力气罐内部的气体参数进行测量；观察窗采用耐压玻璃，提供等离子体压力显示膜片发光射出压力气罐的光通路；相机用于拍摄等离子体压力显示膜片所发出的光。
[0019]上述方案中，所述等离子体激励器由能够产生标准波形的高压高频电源和能够调节电压和频率大小的控制器构成，该高压高频电源产生的标准波形为正弦波，电压范围为0-30KV，频率范围为 10KHz-20KHz。
[0020]上述方案中，所述高压线和地线一端连接在等离子体激励器上，其中高压线中的电压值为标准波形电压，地线也同时接地，其电压值为0V，二者与等离子体压力显示膜片构成放电回路，地线与裸露金属薄膜相连接，高压线与掩埋金属薄膜相连接。
[0021]上述方案中，所述电压探头采用1000:1的比例将等离子体激励器的高电压值衰减为低电压供高速示波器采集；所述电流探头采用互感原理，将由等离子体激励器、高压线、地线和等离子体压力显示膜片构成的回路中的电流按照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两个模拟信号输入通道，分别接入电压探头和电流探头的信号，这两个模拟信号输入通道的采集速率至少为lGS/s，带宽为300MHz。
[0023]上述方案中，其特征在于:相机为高速ICCD或EMCCD相机，能够拍摄到微弱的等离子体亮光，相机分辨率至少为1024X 1204，16bit数据位，10kHz读出速度。
[0024]上述方案中，所述等离子体压力显示膜片与高压线及地线的连接采用激光焊接，当等离子体激励器启动时，在等离子体压力显示膜片在裸露