一种等离子体薄膜风速敏感元件及其制备方法和压气机

1.本发明涉及流速测量技术领域，特别是指一种等离子体薄膜风速敏感元件及其制备方法和压气机，常用于航空发动机/燃气轮机涡轮叶片或壁面等高温、高速、瞬态、小体积流场的空气流速的监测。


背景技术：

2.航空发动机压气机叶片等热端部件长期处于高温、高压、高流速等极端环境下，容易产生叶间隙泄露、附面层分离和旋转失速等异常流动，从而引发失速、喘振和断裂等故障，其表面流速可以直接反应反应发动机工作状态并对失速等故障进行预测；另外压气机叶片等热端部件轮廓设计与气动性能关系密切，其表面流速能够提供关键气动参数，对于缩短叶研发周期与降低研制成本作用巨大。因此表面流速测量对于航空发动机健康监测和优化设计至关重要。
3.目前，失速等故障发生前兆为叶轮进口叶尖表面区域存在大面积的回流，流速急速下降，频率快速变化等，对表面流速传感器性能提出了具体要求：(1)从尖峰失速先兆出现到旋转失速完全发展的时间在五转以内，传感器需要在ms量级内检验到失速先兆；(2)叶间隙一般为400μm-500μm，传感器的尺寸不能太大,不能对叶片流场造成干扰；(3)随着压气机气压比的增大，压气机的流速可达150m/s-700m/s，传感器需要有大的测试量程；(4)压气机叶片内部流场温度一般为600℃，部分可达800-900℃，传感器需要有高的耐温。目前表面流场测量的手段包括高频压力传感器、热式风速计和光学测量方法等，但高频压力传感器受流动状态影响大，无法得到准确的流场信息且安装困难；热式风速计最高仅能测量40-50m/s的流速，不适合高焓、高马赫数流动测量；光学测量技术受微粒自身惯性的影响，频响难以突破100khz，并且设备复杂，会对流场造成污染，还存在测速盲区等问题，只能应用于实验室测量。
4.基于等离子体的风速传感器具有高量程、高频响、对温度变化不敏感等特点，在突破mhz响应频率方面具有潜力，在5ma下对流场波动高度敏感；同时由于是原位测量流场，因此响应时间短(＜1ms)，用于叶片表面流场测量十分契合，但目前的研究仅仅局限于三维流场的测量，传感器体积大，安装于叶片表面困难，实际测试过程中传感器会改变叶片表面的流场分布。因此对于航空发动机/压气机叶片表面高温、高量程流场的测量，需要基于此原理开发一种新的制造方法。随着薄膜制备技术的发展、耐高温、耐腐蚀的薄膜材料的进步，与航空发动机/压气机叶片一体化集成的薄膜传感器发展迅速，将传感器的敏感层直接沉积于叶片表面，传感器体积小，对流场的干扰几乎可以忽略不计，制作简单，安装牢固，这些特点都使得薄膜传感器应用于叶片表面的物理量测量具有巨大的潜力，而基于等离子体测量风速的原理又与叶片表面流场的测试十分契合，因此将基于等离子体的风速计微型化、薄膜化为航空压气机叶片表面流场的测量提供了可能。另外，高速高频响应、温度不敏感等特性使其在发动机高焓、高马赫数、高频非定常流动测试中具有重大应用潜力，有望填补数值仿真实验验证空白，推动智能优化设计的进一步发展。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于克服现有技术中的压气机叶片表面流速直接检测困难的缺陷，提出一种等离子体薄膜风速敏感元件及其制备方法和压气机，该薄膜风速敏感元件可布置于平面或复杂曲面，量程范围为0至300m/s，具有高测试精度、响应速度快、对流场影响小等优点。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种等离子体薄膜风速敏感元件，其特征在于：包括有绝缘层和敏感栅，该绝缘层附着于基底表面；该敏感栅附着于绝缘层表面，该敏感栅包括一电极对，该电极对包括正极和负极且二者之间具有间隙且为对称布置，该正极和负极末端分别设有外连结构。
8.所述绝缘层为等离子体氧化铝涂层，其厚度为80-100μm。
9.优选的，所述正极和负极之间的间隙为50μm到300μm。
10.优选的，所述正极和所述负极为l形，所述正极和负极为180
°
对称布置。
11.优选的，所述外连结构为采用高温导电银浆和氧化铝小圆片制作的焊点；或者，所述外连结构为引线，该引线末端设有焊点。
12.优选的，所述敏感层是通过物理气相沉积工艺将ito材料溅射到绝缘层上并形成所述敏感栅。
13.优选的，所述敏感层的厚度为8μm-20μm。
14.优选的，所述正极的宽度为300至500μm；所述负极的宽度为300至500μm。
15.一种压气机，其设有若干叶片，其特征在于：该叶片上设有至少一所述的一种等离子体薄膜风速敏感元件。
16.一种等离子体薄膜风速敏感元件的制备方法，其特征在于：
17.1)在基底上通过等离子体喷涂工艺制作一层绝缘层，待绝缘层冷却凝固后对绝缘层表面做平整化处理，降低其表面粗糙度；
18.2)在金属掩膜版上加工出敏感栅的图形，将金属掩膜版固定在基底的绝缘层上，然后通过pvd工艺将ito材料沉积到绝缘层上，工艺条件为：200℃，压力0.8pa，ar 80ppm,直流电源溅射,功率为200w，溅射时长8h，溅射完之后，在600℃的空气氛围中经过6h退火处理，形成的敏感栅包括一电极对，该电极对包括正极和负极且二者之间具有间隙且为对称布置；
19.3)制作外连结构。
20.由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
21.本发明的等离子体薄膜风速敏感元件，包括有绝缘层和敏感栅，该绝缘层附着于基底，即待测流场表面；该敏感栅附着于绝缘层表面，该敏感栅包括一电极对，该电极对包括正极和负极且二者之间具有间隙，该正极和负极末端设有焊点以外接引线，其敏感栅是通过pvd工艺将ito材料溅射到绝缘层上，具有更高的测试精度、更快的响应速度，且不影响叶片表面的流场；由于其薄膜特性，该薄膜风速敏感元件可以很容易布置在复杂曲面流场，从而测得复杂曲面流场的风速。
22.本发明的等离子体薄膜风速敏感元件，通过电极对两端加载频率为140khz的高压射频电压，将电极对之间的空气击穿，形成相对稳定的辉光放电，叶片表面气流速度的改变会引起电极之间的带电粒子的数量发生改变，从而影响两电极之间的气隙的阻抗大小，从
而影响电极两端的电压和通过电极的电流。具体体现为：随着风速增大，电极间气隙阻抗变大，通过两电极的电流减小，电极两端的电压增大，且电极两端的电压与风速呈线性关系。即测量电极两端的电压大小，即可反映出叶片表面的流场状态。
附图说明
23.图1为本发明风速敏感元件结构图；
24.图2为本发明的风速敏感元件位于叶片结构图；
25.图3为本发明的多个风速敏感元件位于叶片结构图；
26.图4为本发明的测试电路图；
27.图5为本发明的测试信号
‑‑
风速与电极对两端电压的线性关系；
28.其中：
29.10、绝缘层，20、敏感栅，21、正极、22、负极，31、焊点，32、连接线，40、基底，41、叶片，42、叶根。
30.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
31.以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
32.本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
33.另外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
34.参见图1，一种等离子体薄膜风速敏感元件，包括有绝缘层10和敏感栅20，该绝缘层10附着于基底40表面；该敏感栅20附着于绝缘层10表面，该敏感栅20包括一电极对，该电极对包括正极21和负极22且二者之间具有间隙且为对称布置，该正极21和负极22末端分别设有外连结构。本发明的基底40可为压气机的叶片41或其它叶轮叶片等，其可以是导电材料或绝缘材料。
35.进一步的，绝缘层10为等离子体氧化铝涂层，参见图2、图3，以压气机的叶片41为例，绝缘层10可附着在压气机的叶片41表面上，用于电绝缘，厚度小于100μm，太厚高温易脱落，太薄绝缘性不够，优选的，厚度为80-100μm。
36.其中，敏感栅20是通过物理气相沉积工艺将ito材料溅射到绝缘层10上，敏感栅20附着在压气机的叶片41的绝缘层10上，用于电压、电流信号的输出，其厚度为8μm到20μm，优选为10μm。敏感层20太薄电阻太大，太厚则会对流场产生干扰。
37.进一步的，敏感栅20的电极对中，正极21和负极22可均为l形，二者为180
°
对称布置，实际应用中，正极和负极的形状不限于此，还可以是其它形状等，例如7字形等。正极21
和负极22之间的间隙d为50μm到300μm，此处的间隙是指正极21和负极22之间的最小间隔。正极21的宽度为300μm至500μm，负极22的宽度为300μm至500μm。
38.外连结构位于正极21和负极22的末端，通过外连结构可将电极对串联至特定的检测电路中，通过测量电极对的电流大小反映出叶片41表面风速大小。实际应用中，该外连结构可采用高温导电银浆和氧化铝小圆片制作的焊点31，该焊点31可用于外接引线，采用高温导电银浆，其经600℃热处理1h固化之后不易脱落，参见图1。或者，该外连结构为连接线32，该连接线32末端设有焊点31，该连接线32可从叶片41表面延伸至叶根42且可采用铂丝引线，则末端的焊点31位于叶根42，参见图2、图3。
39.采用本发明的等离子体薄膜风速敏感元件检测风速的具体原理为：在等离子体薄膜风速敏感元件两端即电极对上加载一定频率的高压，将电极对之间的空气击穿，形成相对稳定的辉光放电，叶片41表面气流速度的改变会引起电极之间的导电粒子的数量发生改变，从而影响通过电极对的电流大小。通过测量检测电路的电流大小，即可反映出叶片41表面的流场状态。
40.参见图4的风速检测电路，其包括电源、变压器、rc电路、测量电阻r0和电容c0，该电源与变压器的输入侧相连，该变压器的输出侧依次串联等离子体薄膜风速敏感元件的电极对、rc电路、测量电阻r0和电容c0，通过检测测量电极两端的电压，该电压大小反映出叶片41表面风速大小，参见图5。其中，rc电路包括串联的限流电阻r和电容c。
41.本发明的电路中，电源采用射频电源，用于为电路提供输入信号和能量。变压器用升压线圈将射频电源和等离子体激励器隔开，同时放大电压和实现阻抗匹配；等离子体薄膜风速计则可以感受风速变化，将风速信号转化为电信号；限流电阻r和电容c组成r-c电路，抑制空气击穿放电的离子崩，限制电路电流，防止辉光放电向弧光放电转变。测量电阻r0为1000ω的定值电阻，通过示波器测量其两端电压，从而计算出通过等离子体风速计的电流。电容c0是为了消除电路中的高频成分本发明的检测电路中，通过检测测量电阻r0两端的电压计算通过等离子体薄膜风速计的电流。
42.参见图3，本发明还提出一种压气机，其设有若干叶片41，至少一叶片41上设有至少一上述的等离子体薄膜风速敏感元件，该叶片41的材料为高温合金。图3为一个叶片41上具有一个等离子体薄膜风速敏感元件，图4为一个叶片41上具有多个等离子体薄膜风速敏感元件。
43.本发明还提出一种等离子体薄膜风速敏感元件的制备方法，用于制作上述的一种等离子体薄膜风速敏感元件，其包括如下步骤：
44.1)在基底40上通过等离子体喷涂工艺制作一层绝缘层10，待绝缘层10冷却凝固后对绝缘层10表面做平整化处理，降低其表面粗糙度。该步骤中，若基底40为绝缘材料则不需要绝缘层10。
45.2)在金属掩膜版上加工出敏感栅20的图形，将金属掩膜版固定在基底40的绝缘层10上，然后通过pvd工艺将ito材料沉积到绝缘层10上，工艺条件为：200℃，压力0.8pa，ar 80ppm,直流电源溅射,功率为200w，溅射时长8h；溅射完之后，在600℃的空气氛围中经过6h退火处理，形成的敏感栅20包括一电极对，该电极对包括正极21和负极22且二者之间具有间隙且为对称布置。
46.该步骤中，敏感栅20的厚度与溅射时长成正比，基底40上没有被掩膜版遮盖的地
方会被溅射上薄膜，被遮挡处无法溅射至绝缘层10(或基底40)，这样就完成了图形化薄膜的制备。
47.3)制作外连结构，该外连结构可以是焊点31以外接引线，或者外连结构可以是连接线32，连接线32末端设置焊点31。
48.该步骤中，对于焊点31，可以通过高温导电银浆和氧化铝小圆片，经过空气氛围600℃退火处理1h，银浆固化。对于连接线32可采用铂丝与电极连接。
49.上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。