射频等离子体压力传感器及其在动态压力测量中的应用

宋权斌，莫 辛，李 帆，杜 娟,2d，罗海云，聂超群,2d

(1.长沙理工大学，湖南 长沙 410114；2.中国科学院a.工程热物理研究所先进燃气轮机实验室；b.先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所)；c.轻型动力创新研究院；d.中国科学院大学，北京 100190；3.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084)

如何准确测量高超冲压发动机隔离段和航空发动机压气机部件的内部流场是提升发动机性能及可靠性的有效手段之一，而隔离段和高压压气机的内部流场具有高温、高压、高频动态压力等特点，因此若要在上述复杂动力机械中完成内部流场的准确测量，动态压力传感器要同时具备小尺寸、高频响(MHz及以上)且在高温高压流场稳定工作的能力[1-4]。而目前传感器由于受到质量惯性的影响，最高可用频响在500 kHz以内，或者有着存在着尺寸偏大(6～10 mm)、温度漂移等问题[5-10]，无法满足发动机复杂机械内部非定常测量的需要。而在对新技术的探索中，等离子体技术由于其有着许多先天优势而引起了研究者们的关注，如其理论上有着高频率响应的特性、不受热惯性的限制、基于等离子体原理的探针结构尺寸小，可达毫米尺度[11]。因此认为其具有十分优秀的发展潜力，有望突破高温高压流场测量的技术瓶颈。

早在1934年，由加州理工学院的Lindvall设计了基于等离子体原理的等离子体风速计，首次将等离子体技术应用于流体测量中[12]；在此之后，利用等离子体在大气压下进行放电引起了研究者们的兴趣。但在当时由于理论与信号处理水平的限制，对于等离子体传感器的研究发展缓慢，直到近年随着等离子体技术的发展[13-14]，等离子体传感器才重新回到研究者的视野之中。在此基础上，2005年美国圣母大学Matlis和Corke设计了基于2 MHz射频放电的等离子体风速计[15]，并成功应用于高焓、高马赫数风洞实验；2008年Matlis和Corke将由热电偶改装成的等离子体传感器置于跨音压气机叶片前缘，测量了压气机的失速过程[16]；2015年Marshall研究了电极间隙和交流载波对等离子体压力传感器静态灵敏度的影响，得出等离子体风速计静态灵敏度与电极间隙成正比，与载波频率无关的结论[17]。

国内研究者针对射频等离子体及利用等离子体测量气动参数的研究，同样开展了很多工作[18-19]。清华大学焦俊凯推导了适用ɑ模式、高气压和小间隙的电子数密度解析解，并在验证了其准确性后通过实验研究了等离子体的阻抗的变化规律[20]。南京航空航天大学董鸣春和沈华旭分别建立了二维辉光放电模型和等离子体风速计模型以进行数值模拟，同时沈华旭通过实验研究了等离子体风速计风速和电流有效值之间的关系[21-22]。空军工程大学王康在稳态特性研究工作的基础上，研究并以圆柱扰流实验检验了等离子体风速计对动态流场的测量效果[23]。中国科学院工程热物理研究所李帆研究利用等离子体测量气动压力，首先对直流驱动的等离子体压力传感器测量压力的原理进行了理论推导，在此基础上进一步对电极间隙及气压耦合关系进行了相应的研究，并通过激波管标定系统对该传感器进行了动态标定，最终验证该传感器及其系统的频响为146.6 kHz[24-25]。

然而，直流驱动的等离子体传感器系统频响受限于电源内部的反馈系统，无法突破MHz，且目前没有针对该等离子体压力传感器在高温环境下的特性进行实验研究，并缺乏在叶轮机械领域的实际应用研究。因此本文在团队前期工作的基础上，开展了射频驱动等离子体压力传感器的相关研究，包括高温工作特性和压气机动态压力流场测量实验。首先介绍了等离子体压力传感器的设计、激励射频电源及电子电路、实验装置介绍；其次研究了等离子体压力传感器在不同电源输出功率下的电压～气压(0.4～4.5 atm)响应曲线，并研究了温度(25 ℃～400 ℃)对其特性的影响；最终将该等离子体压力传感器用于低速轴流压气机叶顶动态压力场测量，并与压阻式动态压力传感器Kulite进行比较。

1 传感器及实验装置介绍

1.1 等离子体压力传感器设计与介绍

该等离子体压力传感器为裸电极陶瓷外螺纹安装结构，如图1所示，主要包括两个放电电极和绝缘陶瓷承载部件；金属电极材料采用纯铂，绝缘介质和绝缘支撑、安装结构材料采用99 %纯度的氧化铝陶瓷，均可耐高温。在研究直流驱动的等离子体压力传感器时得到的传感器工作维持电压与外界气压的U-P特性曲线可知[25]，等离子体压力传感器的工作维持电压与外界气压之间为U型曲线关系。在对间隙进行研究后，为保证传感器工作在同一规律即工作维持电压与气压呈正相关的规律下，根据不同电极间隙下的气压响应曲线，选择放电电极间隙为220 μm，电极直径为0.5 mm；对如此微小的间隙，在所施加射频的周期内，可以认为带电粒子(尤其是离子)来得及迁移，在直流辉光放电下推导的规律同样适用于射频放电。射频交流驱动的等离子体压力传感器也可以采用该结论，因此这也是本文所设计的等离子体压力传感器的基本工作原理和规律。

图1 等离子体压力传感器示意图及实物图Fig.1 Schematic diagram and photograph of the plasma pressure sensor

1.2 实验测量电路

图2为整个系统的等效电子电路，包括射频交流电源及匹配电路、等离子体压力传感器、电压探头、示波器等。射频交流电源采用美国T&C Power Conversion宽频可调频率高压交流电源，型号为AG1020，连续功率输出范围为0～200 W，频率调节范围为10 kHz～20 MHz；变压器原/副边匝数比值为1:60，最终电路特性最佳工作频率为1.25 MHz，升压比为75，无感电阻阻值为5 kΩ；可使等离子体压力传感器在1W输出功率下击穿电极间隙，成功放电。

图2 实验系统等效电子电路示意图Fig.2 A schematic of the electronic circuit

回路中使用的高压探头型号为美国泰克公司的P6015A，探头的衰减比为1000：1，其最大输入电压为20 kVRMS，探头P6015A测量后将数据传输到型号为美国泰克公司的DPO3034数字存储示波器进行后续处理。

1.3 气体放电室

本文将在气体放电室中研究不同压力环境下等离子体压力传感器的工作特性。图3所示是等离子体放电室及其系统的组成示意图。等离子体放电室中最高可加压到1.0 MPa，可为等离子体压力传感器模拟不同压力环境以研究其不同压力下的放电现象及状况。罐内气压由真空泵和充气泵来模拟真空和加压环境，同时配有出气口来调整罐内气压大小。

图3 等离子体气体放电室组成示意图Fig.3 A schematic for the static calibration setup

系统包括一个等离子体放电室压力气罐，在放电室腔体正面上有泵组、气压表、观察窗、安全阀，除此以外还包括高速示波器，射频激励电源、电压探头等。

1.4 电热高温实验台

本文将在电热高温实验台中研究高温环境下等离子体压力传感器的工作特性。实验所采用的DHG-500电热高温实验台如图5所示，内部尺寸为350*350*350mm，工作时功率为3 kW，工作温度可由室温25 ℃起升至500 ℃。在实验台顶部装有排气阀，排气阀可调节进风量，还可以引入电线进行高温实验。

图4 DHG-500电热高温箱Fig.4.DHG-500 electro thermostat

2 等离子体压力传感器稳态特性实验结果及分析

2.1 等离子体压力传感器电压对气压的响应规律

等离子体压力传感器稳态标定是在章节1.3中介绍的高压气体放电室实验台中进行的，实验时将等离子体压力传感器置于压力气罐中，通过气体放电室外部的绝缘套筒将导线接入放电室中，打开射频交流电源，调整电源输出功率为5W，此时等离子体压力传感器两端的电压波形为近似正弦波，可判断此时等离子体稳定放电。实验采用衰减比1000:1电压探头来记录传感器两端的维持电压值，并由示波器进行显示和记录数据。

首先在大气压环境下获得稳定的射频等离子体，电源输出交流频率为1.25 MHz；然后改变放电室气压，从0.4 atm逐步升高到4.5 atm，以0.1 atm为间隔记录等离子体压力传感器两端的电压值随放电室内的气压变化的特性曲线；期间通过调节射频电源的输出功率，维持其稳定连续放电；电极间隙220 μm的等离子体压力传感器的适用气压量程为0.4～4.5 atm，对应的电源输出功率量程为5～9 W，当罐内气压增大时，其稳定工作电压也随之增大，即等离子体压力传感器维持电压与气压之间为正相关关系，且不同的电源输出功率对应着不同的气压范围，整体灵敏度为0.22 V/kPa。当电源输出功率为5 W时，实验结果如图5所示，对应工作气压量程为0.4～1.2 atm，灵敏度为0.35 V/kPa；当电源输出功率为7 W时，实验结果如图6所示，对应工作气压量程为1.3～2.5 atm，灵敏度为0.225 V/kPa；当电源输出功率为8 W时，实验结果如图7所示，对应工作气压量程为2.6～3.5 atm，灵敏度为0.2 V/kPa；当电源输出功率为9 W时，实验结果如图8所示，对应工作气压量程为3.6～4.5 atm，灵敏度为0.167 V/kPa。最终得到该等离子体压力传感器的特性如表1。

F/atm图5 电极间隙220 μm在电源输出功率5W时对气压变化的校准曲线Fig.5 The effect of pressure on the voltage at 5 W with 220 μm electrode spacing

F/atm图6 电极间隙220 μm在电源输出功率7W时对气压变化的校准曲线Fig.6 The effect of pressure on the voltage at 7 W with 220 μm electrode spacing

F/atm图7 电极间隙220 μm在电源输出功率8W时对气压变化的校准曲线Fig.7 The effect of pressure on the voltage at 8 W with 220 μm electrode spacing

F/atm图8 电极间隙220 μm在电源输出功率9W时对气压变化的校准曲线Fig.8 The effect of pressure on the voltage at 9 W with 220 μm electrode spacing

表1 等离子体压力传感器的特性Table 1 Technical parameters of the plasma pressure sensor

2.2 温度对等离子体压力传感器特性的影响

该实验在章节1.4介绍的极限工作温度可达500 ℃的电热高温箱中开展。实验时，将等离子体压力传感器放置于高温箱中，射频交流电通过箱顶排气阀伸出的导线进入到高温箱内，首先在大气压常温环境下获得稳定的射频等离子体，此时等离子体压力传感器两端的电压和频率大小由示波器测量得到，电源输出交流频率为1.25 MHz。保持电源输出功率5 W不变，改变高温箱的室内温度，温度值从高温箱上的示数盘读取，每隔25 ℃改变高温箱的室内温度，最终得到等离子体压力传感器的高温工作特性曲线，如图9所示。

t/℃图9 大气压下温度对电压的影响规律Fig.9 Effect of temperature on voltage at atmosphere pressure

从图9可以看出，等离子体压力传感器的放电维持电压基本不随温度的变化而变化，在356和358 V左右波动，这在示波器测量的误差范围之内，即证明了等离子体压力传感器在放电时，对25 ℃～400 ℃的温度变化不具有敏感性，因此在此温度区域中可以不需要对其进行温度校准或补偿。

2.3 稳态实验结果总结

(1)电极间隙220 μm的射频驱动等离子体压力传感器可正常工作的气压量程为0.4～4.5 atm，其对应的输出功率量程为5～9 W，电源输出功率随气压的增大而变化，且不同的输出功率对应着不同的气压范围。同时传感器工作维持电压随着气压增大而增大，即维持电压与气压之间成正比例关系，当电源输出功率为5 W时，对应工作气压量程为0.4～1.2 atm，灵敏度为0.35 V/kPa；当电源输出功率为7 W时，对应工气压量程为1.3～2.5 atm，灵敏度为0.225 V/kPa；当电源输出功率为8 W时，对应工作气压量程为2.6～3.5 atm，灵敏度为0.2 V/kPa；当电源输出功率为9 W时，对应工作气压量程为3.6～4.5 atm，灵敏度为0.167 V/kPa。传感器整体平均灵敏度为0.22 V/kPa。

(2)电极间隙220 μm的射频驱动等离子体压力传感器维持电压基本不随温度的变化而产生变化，在356 V和358 V左右波动，证明了该等离子体压力传感器在高温环境下可以正常工作，并且在25 ℃～400 ℃对温度不具有敏感性。

3 等离子体压力传感器在低速轴流压气机中叶顶动态压力测量实验及分析

上一章我们得到了稳态下等离子体压力传感器在220 μm间隙时不同输出功率所对应的不同电压～稳态气压响应曲线，为了进一步验证等离子体压力传感器在实际动态压力场中的测量能力，本章将等离子体压力传感器应用于低速轴流压气机实验台，开展压气机叶顶动态压力测量实验，并以Kulite压阻式传感器作为对照；实验选取的动态采集工况点为流量系数0.53的大流量工况和0.45的近失速工况，并对结果进行分析。

3.1 低速轴流压气机实验台及测量系统介绍

如图10所示的低速单转子轴流压气机，该压气机通道外径为500 mm，轮毂比为0.75，转子共有60个叶片，此次实验采用的压气机转速为2400 r·min-1，因此叶片通过频率为2400 Hz，其他详细参数如表2所示。

图10 压气机实验测量布置示意图Fig.10 Layout of compressor measure ments experiment

表2 IET-LAC低速轴流压气机转子几何及气动参数Table.2 Geometric and aerodynamic parameters of IET-LAC low speed axial compressor rotor

如图11所示为压气机实验测量布置示意图，实验测量系统包括稳态和动态测量系统，稳态测量主要为压气机特性测量，在距转子前缘13倍转子叶顶轴向弦长(Cax)的A截面周向均匀布置4个稳态压力传感器，用于测量进口壁面静压，在出口距转子尾缘4Cax处C截面周向均匀布置四个稳态压力传感器和一个五孔梳状总压探针，用于测量出口壁面静压及出口总压；动态测量系统包括Kulite压力传感器、等离子体压力传感器、信号放大器以及PXI高频采集系统。在转子叶顶距前缘20%Cax位置B截面处周向均匀布置了4支动态压力传感器。图12(左)是实验中动态压力传感器在压气机机匣的具体周向位置示意图，沿压气机周向对称布置了3个Kulite动态压力传感器和一个等离子体动态压力传感器。图12(右)是传感器在叶片顶部的轴向位置示意图，传感器安装在转子顶部 (距前缘20%轴向弦长位置)，即泄漏流自激非定常特性最为明显的区域，并使传感器头部与机匣内壁面齐平。图13为等离子体压力传感器安装在工装内并正在放电的图片，此时电源输出功率为5 W，工作频率为1.25 MHz。

图11 单转子低速轴流压气机实验台现场照片Fig.11 Photograph of IET-LAC compressor

图12 传感器在压气机机匣周向位置(左)和叶片顶部轴向位置(右)示意图Fig.12 Schematic diagram of the sensor in compressor circumferential position (left) and axial position (right)

图13 安装在工装内的等离子体压力传感器Fig.13 The Plasma pressure sensor mounted in tooling

实验所选用的标准压力传感器为美国Kulite公司所生产的XCS-190(M)传感器，头部直径5 mm，量程为±35 kPa，固有频率为150 kHz。为了对MHz高频数据进行连续采集，本章动态数据采集系统采用北京泛华恒兴科技有限公司生产的PXI/PXIe-3371，该采集系统分辨率16位，同时采样频率为10 MHz。在试验过程中，节流阀由一台直流电机控制，均速关闭使压气机均匀连续节流至失速边界。

3.2 动态压力信号调制解调原理

首先介绍一下等离子体压力传感器测量脉动压力的原理：射频电源在微等离子体压力传感器两端施加MHz的交流信号，这个正弦波信号通常称为载波信号，并由该信号激励传感器使其正常放电工作。当外界压力发生变化时，传感器两端的电压信号也会发生相应的波动，即由传感器所测得压力信号转化而成的电信号叠加到电源载波信号上。这种现象称之为载波信号与传感器信号互相调制，常见的幅度调制示意图如图14所示。为从调制信号中求得所需的消息信号(即解调信号fm)，需要将载波信号与消息信号重新分开，而这个过程称之为解调，下面将对调制解调方法进行介绍。

图14 幅度调制示意图Fig.14 Schematic representation of time domain response of amplitude modulation

如图14所示的标准幅度调制示意图，假设压力(调制)信号m(t)的平均值为0，将其叠加一个直流偏量A0后与载波相乘，即可形成已调信号s(t)。对于此次实验射频交流电源所提供的载波c(t)其幅值大于压力信号m(t)的幅值，因此调制方式为常规幅度调制。其中正弦型载波为：

c(t)=Acos(ωct+φ0)

(1)

其已调信号s(t)时域表达式为：

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

(2)

式中：A0为直流分量；m(t)为压力信号或调制信号，即实验中所测得的压力信号。

在频谱中，因调制而产生的边带频率对应为fc-fm和fc+fm，其变化示意图如图15所示，在得到已调信号s(t)后，需要进行解调处理，还原压力信号m(t)，其解调示意图如图16所示。在还原信号过程中会存在有噪声n(t)影响已调信号。此时需要带通滤波器BPF滤波已调信号频带外的噪声，经过带通滤波器后得到的信号仍可以认为是s(t)，而噪声为ni(t)。经过解调得到的有用信号可认为是压力m(t)。对于目前常用的解调方法包括Hilbert解调、包络解调、平方解调等解调方法，针对等离子体传感器系统中遇到的信号调制方式，即载波频率高，在调制信号图像上不存在载波反相的情况，故我们可采用包络解调来对信号进行解调，只需要求得其包络即可求得所需消息信号。通过Matlab程序确定已调信号s(t)的局部极值点，用3次样条线将所有的局部极大值点连接起来形成上包络线，即得到了所需的压力脉动信号。

图15 幅度调制频谱示意图Fig.15 Schematic representation of frequency domain response of the amplitude modulation

图16 信号解调示意图Fig.16 Schematic representationof demodulation

3.3 叶顶动态压力测试结果及分析

图17给出了均匀进气下低速轴流压气机的特性线。在压气机的相关研究中，一般通过总静压升系数随流量系数的变化关系，来表示压气机运行过程的稳态特性。

采用的流量系数φ定义为：

(3)

式中：Vx,inlet为压气机进口气流的轴向速度；Umid为压气机转子叶片中径处的圆周切向速度。

进口气流的轴向速度Vx,inlet和压气机转子叶片中径处的圆周切向速度的计算公式如下：

(4)

(5)

式中：Pt,inlet为压气机进口总压，实验中压气机进口总压为环境大气压,Px,inlet为进口壁面静压ρ为环境大气密度；Dm为转子叶片中径；n为转速。

采用的总压升系数ψ的定义为：

(6)

式中：Px,exit为压气机出口壁面静压。

如图17所示，实验中动态测量选取的流动工况点，分别为大流量工况(流量系数φ= 0.53)和近失速工况(流量系数φ=0.45)，并在该流动工况下应用等离子体压力传感器进行动态测量，以验证其应用。

图17 压气机特性线的实验结果Fig.17 Experiment result of the compressor characteristic line

3.3.1 大流量工况叶顶动态压力测试结果及分析

为了方便对等离子体压力传感器和Kulite传感器的信号进行对比，首先按照公式7对采集的时域信号进行归一化处理，U为采集所得的电信号：

(7)

将1号Kulite传感器和Plasma传感器(解调后)的时域信号通过傅里叶FFT变换，得到了图18所展示的Kulite频谱图和图19展示的等离子体压力传感器的频谱图，从频谱图可以看出，等离子体压力传感器和压阻式Kulite传感器相比，具有相同捕捉叶片通过频率的能力，即图中的2411 Hz。

f/Hz图18 大流量工况下1号Kulite传感器FFT频谱图Fig.18 The FFT frequency domain diagram of Kulite with a flow coefficient of 0.53

f/Hz图19 大流量工况下Plasma传感器 (解调后)FFT频谱图Fig.19 The FFT frequency domain diagram of Plasma with a flow coefficient of 0.53 (demodulated)

3.3.2 近失速工况叶顶动态压力测试结果及分析

同样地，将近失速工况下(流量系数0.45)的Kulite传感器和等离子体压力传感器解调后的时域信号进行无量纲化处理，并将1号Kulite传感器和Plasma传感器(解调后)的时域信号通过傅里叶FFT变换，得到图20所展示Kulite的频谱图和图21展示的等离子体压力传感器的频谱图，从频谱图可以看出，等离子体压力传感器和压阻式Kulite传感器相比，具有相同捕捉叶片通过频率的能力，即图中的2410 Hz，且还可以捕捉到叶顶泄漏流自激非定常性的频率，即图中的970 Hz[26]。

f/Hz图20 近失速工况下1号Kulite传感器FFT频谱图Fig.20 The FFT frequency domain diagram of Kulite with a flow coefficient of 0.45

f/Hz图21 近失速工况下Plasma传感器 (解调后)FFT频谱图Fig.21 The FFT frequency domain diagram of Plasma with a flow coefficient of 0.45 (demodulated)

4 结论

本文研究了基于射频放电等离子体压力传感器在激励载波频率为1.25 MHz，气压范围0.4～4.5 atm下不同输出功率所对应的稳态响应规律，及其在25 ℃～400 ℃下的高温工作特性，最终将该等离子体压力传感器应用于单转子轴流压气机叶顶动态压力测量实验，得到结论如下：

(1)稳态标定实验结果表明，电极间隙220 μm的射频等离子体压力传感器可正常工作的气压量程为0.4～4.5 atm，其对应的电源输出功率量程为5～9 W，电源输出功率随气压的增大而变化，且不同的输出功率对应着不同的气压范围。整体而言，等离子体压力传感器整体的灵敏度为0.22 V/kPa。

(2)高温特性实验证明，在25 ℃～400 ℃温度范围内，等离子体压力传感器的维持电压基本不随温度的变化而产生变化，仅在356 V左右波动，证明了该等离子体压力传感器不仅耐高温，并且在该温度范围内对温度不具有敏感性，因此不需要进行温度校准或补偿。这是等离子体压力传感器与其他类型传感器相比的优势之一。

(3)在上述研究工作的基础上，将该等离子体压力传感器和压阻式动态压力传感器Kulite同时安装在轴流压气机机匣上并测量了压气机叶顶动态压力流场，并选取了两个工况点进行分析：大流量工况(流量系数为0.53)和近失速工况(流量系数为0.45)。对频域分析可知，等离子体动态压力传感器和Kulite动态压力传感器一样，具有捕捉叶片通过频率(2410 Hz)的能力，且同样可以捕捉到叶顶泄漏流的自激非定常特征频率(970 Hz)。

然而，从动态压力测量实验结果来看，目前等离子体压力传感器与Kulite传感器仍有差距，主要体现在传感器的信号处理、信噪比以及精确度上，这是之后等离子体压力传感器需要攻克的难点所在。接下来的研究工作将首先改善等离子体压力传感器的信噪比及测量精确度，在此基础上，开展其在实际的高温高压环境中的应用研究，最终期望实现在航空发动机、冲压发动机内部十分严苛的高温高压高速环境中动态压力脉动信号的测量与采集。