基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，该装置包括若干由阳极与阴极构成的电极对、绝缘板、隔离壁、放大器、变频变压装置、高压探头、调制解调装置和数据采集装置，外部电源提供的三相电依次通过放大器和变频变压装置被转换成高频高压交流电，该高频高压交流电被加载至电极对的阳极和阴极上，在阳极和阴极之间产生等离子体场，采用高压探头获得阳极与阴极之间的高频高压电压，并采用调制解调装置将原始施加的高频高压电压和来流非定常压力波动分离，最后通过数据采集装置对非定常压力波动进行采集和分析，还原真实的壁面非定常压力波动，实现对真实流场的显示。
【专利说明】基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空航天技术中叶轮机械壁面非定常流场显示测量【技术领域】，尤其是针对叶轮机械内部壁面非定常流场显示的一种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置。
【背景技术】
[0002]由于叶轮机械内部流动相当复杂，其具体体现在:强三维、逆压梯度、激波干涉、气动非稳定性等。这些因素在遵循不同非线性规律的条件下相互耦合和激励，一直是驱动开展压气机内部流动基础性和应用性研究并兼的原动力。另外随着叶轮机械设计方法的不断更新，也从早期的一维设计发展到目前的全三维非定常多级匹配设计。虽然目前计算机水平的不断提升，也不断推动叶轮机械设计软件的革新，在数值模拟方面，目前已能完成全三维设计，但是由于数值计算在边界层处理等方面比实际要理想很多，仅仅依靠数值计算，远远还不能完成对实际叶轮机械的设计指导。因此需要相应的实验测量手段和数值模拟相互验证发展，但是由于叶轮机械内部三维流动复杂，特别是压气机，目前的接触式测量(传感器，热线等)很难达到测量需求，使得人们开始探索新的测量手段。
[0003]非接触式测量技术的提出并实施，对叶轮机械内部三维非定常流场的测量带来了全新的局面，如激光多普勒测速仪(LDV)和粒子图像测速(Particle Image Velocietry,PIV)等。其中粒子图像测速(PIV)技术目前在叶轮机械领域受到了广泛的关注，PIV测量技术的出现，实现了从一个切面发展到一个容积空间、从面内二维速度矢量到二维切片内三维速度矢量、从瞬间速度场测量到一个连续时间过长的速度场测量，将真实流场完成展示出来，将人们对三维流动的认识提高了一个档次。其采用高速CCD相机和激光技术进行非接触形式流场测量，通过对所采(略)加以互相关分析以获取流场信息。与传统的测试(热线等)IV技术避免了测量中测试仪器对流场的干扰，并且克服了以前只能单点测量的缺点，可以获得整个测试流场的瞬时速度场，而且具有较高的精度。
[0004]随着计算机与图像处理技术的发展，PIV技术取得了长足的进步，逐渐由二维平面发展到三维空间，成为流场测量中的重要手段之一。目前这些非接触式测量技术都已应用于高速瞬态、脉动流场的测量，比如高跨声速流场速度分布、压力分布和激波附面层在诱导层的影响。但如何稳定均匀地播撒示踪粒子及有效地消除叶片反光现象是很难突破的障碍。
[0005]另外分子散射技术如瑞利散射，利用高焓气体自发光作为高超声速流场显示的方法和激光诱导荧光技术虽不受示踪粒子播撒的影响，在研究高速流动的机理方面具有巨大潜力，但在可预见的将来无法实现湍流的连续测量。
[0006]为了解决目前常用的非接触式测量技术面临的如上问题，消除示踪粒子对流场的影响，并推广到三维空间场的动态测量，开发出一种全新的流场显示手段也成为了行业内专家比较关注的重点。
[0007]另外在流场显示与光学测量系统方面，PIV等以示踪粒子跟踪流场的仪器在非定常流场测量中遇到了原理上的瓶颈，那就是流体力学的基本原理决定了示踪粒子显示的既不是非定常流场的流线，也不是流体微团运动的迹线，而是粒子被流体推动形成的脉线。这三种线在定常流场中是完全一致的，但在非定常流场中却各不相同。因此，高频非定常流场的实时流场显示需要革命性的新原理和新技术。
【发明内容】
[0008](一 )要解决的技术问题
[0009]有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，以解决现有流动显示测量装置对流场干扰、频响不够以及失踪粒子跟踪性差等问题，实现对壁面真实流场细节连续变化的测量显示，实现定性和定量分析叶轮机械内部复杂流动机理的目的。
[0010](二)技术方案
[0011]为达到上述目的，本发明提供了一种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，其特征在于，该装置包括若干由阳极与阴极构成的电极对、用以布置该若干电极对的绝缘板、设置于阳极与阴极之间用以将每一电极对中的阳极与阴极隔开的隔离壁、放大器、变频变压装置、高压探头、调制解调装置和数据采集装置，其中:外部电源提供的50Hz、380V的三相电依次通过放大器和变频变压装置被转换成高频高压交流电，该高频高压交流电被加载至电极对的阳极和阴极上，在阳极和阴极之间产生等离子体场，采用高压探头获得阳极与阴极之间的高频高压电压，并采用调制解调装置将原始施加的高频高压电压和来流非定常压力波动分离，最后通过数据采集装置对非定常压力波动进行采集和分析，还原真实的壁面非定常压力波动，实现对真实流场的显示。
[0012]上述方案中，外部电源提供的50Hz、380V的三相电依次通过放大器和变频变压装置被转换成高频高压交流电，频响能达到2MHz，电压能达lkv。
[0013]上述方案中，为了防止相邻电极放电影响测量结果，采用隔离壁将布置于绝缘板的电极对中的阳极和阴极隔开，保证测量数据的准确性和可靠性。所述绝缘板及隔离壁采用的绝缘材料是米卡塔绝缘材料或环氧树脂绝缘材料。
[0014]上述方案中，所述阳极和阴极的尺寸小于1mm，阳极与阴极之间的间隙仅为零点几毫米。所述阳极和阴极采用的材料为钼或铱。
[0015]上述方案中，由于非定常流场的波动加载在载波频率上，为了定量的获得非定常流场的压力和速度分布，采用所述调制解调装置将载波信号和非定常波动信号分开，准确获得非定常波动的频率和幅值。
[0016]上述方案中，为了能够采集频响超过IMHz的非定常流场波动数据，所述数据采集装置采用DSP高速采集卡，实现多通道数据采集，海量数据存储和在线分析的功能。
[0017](三)有益效果
[0018]本发明提供的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，具有如下优点:
[0019]1、本发明提供的这种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，由于将等离子体电极布置在壁面，且能充分利用施加在电极上的超高频响电压，所以可以解决现有流动显示测量装置对流场干扰、频响不够以及失踪粒子跟踪性差等问题，实现对壁面真实流场细节连续变化的测量显示，实现定性和定量分析叶轮机械内部复杂流动机理的目的，并为叶轮机械设计技术及相关的稳定性控制技术提供理论支撑。
[0020]2、本发明提供的这种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，和其他非接触式测量仪相比其具有很高的频响，频响能达到IMHz以上，远远超过同类产品的响应频响。
[0021]3、本发明提供的这种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，原理上采用辉光放电原理，而辉光放电原理目前发展的比较成熟，而且对汤逊放电原理的认识也比早期更深，而且目前等离子体电视显示技术也逐渐在成熟。在原理上可行是等离子体探针和传感器研制和加工的基本保障。
[0022]4、本发明提供的这种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，电极尺寸小，等离子体空间对流场的影响非常小，达到了较高的空间分辨率。
[0023]5、本发明提供的这种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，具有很高的敏感度，在马赫数为5的时候，对质量通量的均值和波动成分仍然高度敏感。
[0024]6、本发明提供的这种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，采用调制解调装置提供优良输出信号，具良好的共模抑制比；且信噪比高。
[0025]7、本发明提供的这种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，适用于高温环境，采用铱作为电极材料时，可以在1000°c的环境下工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为依照本发明实施例的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置的示意图；
[0027]图2为依照本发明实施例的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置在测量显示时的示意图；
[0028]图3为依照本发明实施例的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置在拍摄测量显示时的示意图。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0030]为了突破目前非接触式测量受到的种种限制，本发明提出了基于辉光放电原理的等离子体流场显示装置，受到目前正在发展，也是未来的发展趋势之一的等离子体电视启发，等离子体电视的显示原理是根据视频信号频率和幅值的要求，改变电极两端的交流电压频率和幅值，调整等离子体的分布，从而使得电极隔离空间内的惰性气体产生相应的可见光，实现视频的输出。
[0031]本发明提出的基于辉光放电原理的等离子体流场显示装置克服了接触式测量单点测量、对流场有干扰以及频响受限的影响，也能克服目前流行的非接触式测量失踪粒子对真实流场显示受限等不足，能够实现对非定常流动的实时显示，在原理和技术上都能实现，对未来叶轮机械三维设计提供更加充足的实验数据，具有广泛的应用前景。
[0032]本发明提供的这种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，基于辉光放电原理，其结构示意图如图1所示，通过在绝缘材料壁面布置多个组微型等离子体电极，并电极两端施加高压电压之后，电极阴极和阳极之间就产生了等离子体场，这样整个绝缘面板就会产生荧光，既可以通过拍摄技术获得荧光分布，也可以通过压力分布对等离子体分布的影响，改变电极之间高频交流电压的幅值和频率，实现对非定常波动压力分布的测量显示。由于电极是离散布置，其显示的像素和分辨率完全取决于电极尺寸和单位面积上布置的电极对数。即可通过感受非定常脉动流场对等离子体场的影响，显示真实的非定常流场细节。
[0033]如图1所示，本发明提供的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置包括:若干由阳极与阴极构成的电极对、用以布置该若干电极对的绝缘板、设置于阳极与阴极之间用以将每一电极对中的阳极与阴极隔开的隔离壁、放大器、变频变压装置、高压探头、调制解调装置和数据采集装置，其中:外部电源提供的50Hz、380V的三相电依次通过放大器和变频变压装置被转换成高频高压交流电，该高频高压交流电频响能达到2MHz，电压可达几百伏；该高频高压交流电被加载至电极对的阳极和阴极上，在阳极和阴极之间产生等离子体场，采用高压探头获得阳极与阴极之间的高频高压电压，并采用调制解调装置将原始施加的高频高压电压和来流非定常压力波动分离，最后通过数据采集装置对非定常压力波动进行采集和分析，还原真实的壁面非定常压力波动，实现对真实流场的显示。
[0034]其中，本发明首先通过在绝缘板布置若干对微小电极，为了防止其相互之间放电，采用隔离壁将每一对电极隔开。然后通过放大器和变频变压装置将外部电源提供的50Hz、380V的三相电转换成高频高压交流电，频响能达到2MHz，电压可达lkv。在测量过程中，通过感受来流非定常压力波动，非定常压力波动会影响电极之间电压的波动，采用高压探头获得电极之间的高频高压电压，并采用调制解调装置将原始施加的高频高压电压和来流非定常压力波动分离。最后就可以通过数据采集系统对非定常压力波动进行采集和分析，还原真实的壁面非定常压力波动，实现对真实流场的显示。
[0035]在本发明中，为了防止相邻电极放电影响测量结果，采用隔离壁将电极隔开，保证测量数据的准确性和可靠性。绝缘板及隔离壁采用的绝缘材料一般是米卡塔绝缘材料或环氧树脂绝缘材料。用于提供50Hz、380V的三相电的外部电源，其电压为380V，但经过放大器和变频变压装置之后在阳极和阴极施加的电压能达到Ikv。
[0036]电极的尺寸小于1mm，电极间隙仅为零点几毫米。电极尺寸小，且电极间隙也很小，具有足够高的空间分辨率，能捕捉更多的流场细节。两块电极总长小于1mm，具有足够高的空间分辨率，能捕捉更多的流场细节。由于电极尺寸很小，为了防止电极之间长期放电导致电极烧毁，采用比较耐用的传感元件，如钼、铱或其他合金材料。
[0037]在电极之间施加一定电压之后，就会产生等离子体，由于等离子体产生之后会在壁面发出荧光，即可以通过高速摄像机拍摄荧光分布和强弱变化规律，从而可以定性反映壁面非定常压力的分布和变化规律。在壁面压力变化时，会引起电极之间等离子体分布的变化，这样，为了维持电极之间的等离子体空间，所加的电压就会随之发生变化，即通过测量电极上所加的电压波动反映壁面压力场的波动。在数据采集装置中还原真实的流场压力分布，即可显示真实的壁面非定常压力分布。电极的频响取决于加载电压的载波频率，电极之间的交流电压载波频率很高，能够超过2MHz，使得等离子体流动显示仪的频响也很高，具有足够高的时间分辨率，准确及时的捕捉壁面非定常压力变化。
[0038]由于非定常流场的波动加载在载波频率上，为了定量的获得非定常流场的压力和速度分布，采用调制解调装置，将载波信号和非定常波动信号分开，准确获得非定常波动的频率和幅值。为了能够采集频响超过IMHz的非定常流场波动数据，数据采集装置采用DSP高速采集卡，实现多通道数据采集，海量数据存储和在线分析的功能。
[0039]如图2所示，等离子体流动显示装置安装在被测流场壁面，如机匣内部、叶片表面等，会在壁面形成等离子体场。由于来流压力梯度的变化对等离子体场会产生影响，这种影响对图2而言，反映在交流电压的频率和幅值上，并通过调制解调装置和离线处理方式，显示出壁面非定常压力脉动变化；也可以通过拍摄技术获得壁面荧光强度分布受来流压力梯度影响的变化规律。
[0040]本发明主要是基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置制定了如下的具体的实施方式；
[0041]制作工艺:
[0042]首先是电极材料选型，由于测量过程中要保证电极之间等离子体的一直存在，这就需要电极材料要保证辉光放电足够长的稳定时间，即尽可能减少电极溅射和噪声级；材料本身具有高热传导性、比热和导电性，以保持电极温度接近气流温度，降低温差导致的电流变化；材料应具有良好的工艺性，即可以制成给定几何形状，几何形状主要以平坦形、半圆形和非对称形为主，且要保证表面粗糙度。本发明将主要以目前认为比较可靠的钼、铱等材料作为电极材料。
[0043]其次是电极间隙的选取。由于电极间隙越大，等离子容易逃逸，空间分辨率低；而电极间隙越小，空间分辨率高，但是电极容易被击穿，而且电极间隙不同对不同速度范围内的敏感性也会不同。另外，显示仪的像素和分辨率取决于单位面积上电极的对数，因此本发明提出的等离子体流动显示仪的电极之间的间隙大约从0.064mm到0.17_。
[0044]标定工艺:
[0045]首先是稳态标定。对于压力的标定，则采用标准压力校验仪标定来流速度为O时，等离子探针输出电压与环境压力变化之间的关系进行标定。以及在风洞上通过固定来流马赫数，标定不同来流速度条件下，等离子体探针输出电压与压力变化之间的关系。
[0046]其次是动态标定。动态标定主要分为对脉动速度的频响特性和脉动压力的频响特性分析。由于本发明提出的等尚子体流动显不仪的频响很闻，闻达IMHz,现有的动态标定装置一激波管，虽然能够获得很好的阶跃响应，但是标定过程中需要频响等离子体流动显示仪的测量设备测量捕捉阶跃响应，这显然无法满足。因此本发明提出了以下动态标定方法:对脉动压力测量时，需要能够获得频响很高的脉动源，现有的实验室很难获得频响高达IMHz的脉动源，本发明提出采用通过声场激励方式产生高频压力脉动，进行动态标定。
[0047]数据采集装置:
[0048]本发明提出的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置具有超高频响(IMHz)、耐高温等特点，传统的数据采集装置无法满足要求。为了能将其推广到实际的测量应用中，需要解决高频数据采集、海量数据存储及读写、数据的在线分析以及携带方便等问题。因此本发明在等离子体探针和传感器研制和实验测量的基础上，开发一套高度集成的数据采集装置。通过选用TI6000系列的DSP芯片实现采集频率高达几十MHz，甚至上百MHz的速度读写高频响动态数据。同时为了实时观察动态数据的变化，实现在线数据分析的能力，分析方法主要包括=FFT分析、相关分析、功率谱分析等。另外为了实现对海量高频数据存储和离线分析，通过外设USB端口实现数据的快速存储。
[0049]在等离子体流动显示装置使用过程中，当电极之间加上高压电压之后，等离子体区域会发出荧光，因此也可以采用高速摄像机对其进行拍摄，获取荧光强弱分布规律，如图3所示，采用高速摄像机对多组电极之间的荧光进行拍摄，其中高速摄像机的拍摄速度能达到每秒几十万帧，且分辨率也很高，捕捉流场细节的能力取决于单位面积上布置的电极对数和摄像机拍摄速度。因此基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，在使用过程中也可以采用高速摄像机进行拍摄，定性分析壁面非定常压力分布和变化规律。
[0050]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，其特征在于，该装置包括若干由阳极与阴极构成的电极对、用以布置该若干电极对的绝缘板、设置于阳极与阴极之间用以将每一电极对中的阳极与阴极隔开的隔离壁、放大器、变频变压装置、高压探头、调制解调装置和数据采集装置，其中: 外部电源提供的50Hz、380V的三相电依次通过放大器和变频变压装置被转换成高频高压交流电，该高频高压交流电被加载至电极对的阳极和阴极上，在阳极和阴极之间产生等离子体场，采用高压探头获得阳极与阴极之间的高频高压电压，并采用调制解调装置将原始施加的高频高压电压和来流非定常压力波动分离，最后通过数据采集装置对非定常压力波动进行采集和分析，还原真实的壁面非定常压力波动，实现对真实流场的显示。
2.根据权利要求1所述的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，其特征在于，外部电源提供的50Hz、380V的三相电依次通过放大器和变频变压装置被转换成高频高压交流电，频响能达到2MHz,电压能达lkv。
3.根据权利要求1所述的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，其特征在于，为了防止相邻电极放电影响测量结果，采用隔离壁将布置于绝缘板的电极对中的阳极和阴极隔开，保证测量数据的准确性和可靠性。
4.根据权利要求3所述的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，其特征在于，所述绝缘板及隔离壁采用的绝缘材料是米卡塔绝缘材料或环氧树脂绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，其特征在于，所述阳极和阴极采用的材料为钼或铱。
6.根据权利要求1所述的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，其特征在于，所述阳极和阴极的尺寸小于1mm，阳极与阴极之间的间隙仅为零点几毫米。
7.根据权利要求1所述的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，其特征在于，由于非定常流场的波动加载在载波频率上，为了定量的获得非定常流场的压力和速度分布，采用所述调制解调装置将载波信号和非定常波动信号分开，准确获得非定常波动的频率和幅值。
8.根据权利要求1所述的基于辉光放电原理的等离子体流动显示装置，其特征在于，为了能够采集频响超过IMHz的非定常流场波动数据，所述数据采集装置采用DSP高速采集卡，实现多通道数据采集，海量数据存储和在线分析的功能。
【文档编号】H01J11/32GK103474311SQ201310413706
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】李继超, 林峰, 李帆, 张文强, 聂超群 申请人:中国科学院工程热物理研究所