等離子體壓力顯示膜片及其穩態標定系統和測量系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及流體機械行業流場動態測量技術領域，尤其涉及一種用于飛機、燃氣輪機和強三維性流場的等離子體壓力顯示膜片及其穩態標定系統，以及利用等離子體壓力顯示膜片進行表面壓力測量的系統。
【背景技術】
[0002]隨著氣體動力學的迅速發展，對于流場精細結構的測量要求越來越高，尤其是飛機表面壓力分布和葉輪機械內部葉片表面壓力分布的測量引起了更多的關注。各種流場顯示技術為氣體動力學的發展起到了極大的推動作用，而目前常用的一些全流場測試技術如PIV等往往難以滿足需求，以葉輪機械為例，為了研究葉片載荷，需要知道葉片表面詳細的壓力分布及其動態特性。然而PIV難以測量復雜表面的流動結構，而傳統的熱線、熱膜以及一些動態壓力傳感器只能提供單點測量數據；油流法和壓力敏感漆(PSP)或者溫度敏感漆(TSP)等測量手段測量頻響都比較低，最多只能達到千赫茲量級。而流體機械葉片表面壓力非定常性對于研究其內部流動結構具有非常重要的意義，故針對當今空氣動力學和葉輪機械氣動熱力學發展的戰略需求，迫切需要超高頻響(即頻響達到IMHz)的表面壓力測量技術和與其配套測量系統。這個級別的頻響已經不能通過傳統的壓電陶瓷、熱絲或熱膜來實現，需要新原理和新方法。
[0003]簡要回顧一下等離子測量技術的發展歷程。早在1934年，Lindvall便提議將輝光放電應用于風速計。他利用直流輝光放電測量圓柱尾跡速度。1949年，加州理工學院的Mettler成功研制出一個噪音低的直流輝光放電風速計，并在1.6馬赫數下試驗成功。他還對空氣氣流輝光放電的定量理論進行了研究，發現風速計對溫度并不敏感。在早期研制的輝光放電風速計中，VrebalOViCh(1954)的直流和交流輝光放電設計是比較突出的。尤其直流設計隨著時間的推移電極降解方面越優越。他利用直流驅動探針，可以測量馬赫數從1.3到4的附面層，且具有700kHz載波頻率。
[0004]由于等離子探針的想法非常超前，在經歷了初期的研究之后漸漸被擱置下來，相關研究轉到等離子體流動主動控制技術上。直到2000年之后，高超聲速氣動力學的發展、葉輪機械性能的需求又讓人們開始對這項技術產生了濃厚的興趣，開始重新審視它的優點，研究它的機理以及全新的應用。2005年前后，美國Univ.0f Notre Dame的Matlis和Corke設計的等離子風速計由2MHz的AC交流電驅動，可以在高馬赫數、高恰風洞試驗中穩定工作，在馬赫數為5時仍對質量通量的均值和脈動成分高度敏感，并實現了電腦自動控制。其具有極高的響應頻率，且無須補償，可以直接測量頻率高達200kHz的可控記錄擾動。原則上，在頻率高達2MHz的實驗測量中，是可以得到未補償響應頻率的載波頻率的。風速計幅值調制的交流載波輸出信號，信噪比要高于熱線。
[0005]2010年，GE公司的Moeckel等人提出了在航空發動機上采用等離子傳感器測量壓氣機失速信號的設想，并據此申請了專利。由于該傳感器對溫度不敏感且耐高溫，因此可以用在其他發動機高溫部件進行相關參數測量，如燃燒室或渦輪。
[0006]過去的研究表明，等離子體對空氣參數的變化比較敏感，而且具有較高的響應頻率。而本發明則采用了新的原理設計出用了測量壓力的等離子體壓力顯示膜片，因而對應提出了新的結構和數據處理方式。
【發明內容】
[0007](一 )要解決的技術問題
[0008]綜合考慮上述需求對流場表面壓力測量所提出的新的要求，本發明的主要目的在于提供一種等離子體壓力顯示膜片及其穩態標定和利用該膜片進行壓力測量的系統，以滿足高焓高馬赫數流動的測量，同時解決傳統的表面壓力顯示技術頻響不夠高且成本較高的問題。
[0009]( 二 )技術方案
[0010]為達到上述目的，本發明提供了一種等離子體壓力顯示膜片，該等離子體壓力顯示膜片為層狀結構，分為四層，包括裸露金屬薄膜、絕緣膜片、掩埋金屬薄膜和絕緣覆蓋薄膜，其中:裸露金屬薄膜采用導電金屬制成，厚度為5-30微米，通過電鍍或者粘貼的方式生成在絕緣膜片的正面，與連接等離子體激勵器的地線相連接；絕緣膜片作為等離子壓力顯示膜片的基底材料，采用剛性(如石英、剛玉或者陶瓷)或者柔性(如聚酰亞胺，聚四氟乙烯等)材料制成，厚度為微米量級，作為阻擋介質隔開裸露金屬薄膜與掩埋金屬薄膜；掩埋金屬薄膜采用導電金屬制成，厚度為5-30微米，通過電鍍的或者粘貼方式生成在絕緣膜片的背面，與連接等離子體激勵器的高壓線相連接；絕緣覆蓋薄膜采用噴涂或者粘貼的方式在絕緣膜片的背面生成，可以為剛性(如石英、剛玉或者陶瓷)或者柔性(如聚酰亞胺，聚四氟乙烯等)材料，厚度為30微米左右。
[0011]上述方案中，所述裸露金屬薄膜、絕緣膜片、掩埋金屬薄膜和絕緣覆蓋薄膜之間都是緊密結合，不存在任何間隙。
[0012]上述方案中，所述裸露金屬薄膜和掩埋金屬薄膜分布在絕緣膜片的兩個表面，而且面積均不超過絕緣膜片；裸露金屬薄膜的面積大于掩埋金屬薄膜的面積；絕緣覆蓋薄膜將掩埋金屬薄膜完全覆蓋住，同時面積不超過絕緣膜片。
[0013]上述方案中，所述裸露金屬薄膜為線條連接的空心圓孔陣列，線條的寬度為3_，圓孔的內徑為l_2mm，圓孔的外徑為8mm。
[0014]上述方案中，所述掩埋金屬薄膜為線條連接的實心圓點陣列，線條的寬度為1_，圓點的外徑為6mm。
[0015]上述方案中，所述絕緣膜片和掩埋金屬薄膜均為連續結構，厚度均勻，不存在任何孔。
[0016]上述方案中，所述裸露金屬薄膜暴露于待測氣流中，絕緣覆蓋薄膜與待測表面直接接觸。
[0017]上述方案中，所述等離子體壓力顯示膜片可以通過粘結的方式貼在待測表面上，也可以直接在待測表面上按照工藝生成此膜片。
[0018]為達到上述目的，本發明提供了一種對所述等離子體壓力顯示膜片進行靜態標定的系統，該系統包括該系統包括等離子體激勵器、電流探頭、電壓探頭、高速示波器、高壓線入口、地線出口、高壓線、地線、壓力氣罐、等離子體壓力顯示膜片、安全閥、閥門、栗組、傳感器接口、觀察窗和相機，其中:等離子體激勵器用于為等離子體壓力顯示膜片提供合適電壓和頻率的交流電，從而讓裸露金屬薄膜表面產生等離子體；電流探頭用于地線中的電流放大后供高速示波器采集使用；電壓探頭用于將高壓線的高電壓衰減后供高速示波器采集使用；高速示波器用于采集并顯示電壓探頭和電流探頭傳輸的電信號；高壓線入口和地線出口分別為高壓線和地線提供接入壓力氣罐的通道，保證電氣安全和氣密性；等離子體壓力顯示膜片用于感受氣體壓力。安全閥可以在壓力氣罐內部壓力過高的時候打開放氣，從而保證壓力氣罐的安全；栗組通過閥門給壓力氣罐充氣或者抽氣，從而調節壓力氣罐內部的氣體壓力；傳感器接口允許接入不同的傳感器從而對壓力氣罐內部的氣體參數進行測量；觀察窗采用耐壓玻璃，提供等離子體壓力顯示膜片發光射出壓力氣罐的光通路；相機用于拍攝等離子體壓力顯示膜片所發出的光。
[0019]上述方案中，所述等離子體激勵器由能夠產生標準波形的高壓高頻電源和能夠調節電壓和頻率大小的控制器構成，該高壓高頻電源產生的標準波形為正弦波，電壓范圍為0-30KV，頻率范圍為 10KHz-20KHz。
[0020]上述方案中，所述高壓線和地線一端連接在等離子體激勵器上，其中高壓線中的電壓值為標準波形電壓，地線也同時接地，其電壓值為0V，二者與等離子體壓力顯示膜片構成放電回路，地線與裸露金屬薄膜相連接，高壓線與掩埋金屬薄膜相連接。
[0021]上述方案中，所述電壓探頭采用1000:1的比例將等離子體激勵器的高電壓值衰減為低電壓供高速示波器采集；所述電流探頭采用互感原理，將由等離子體激勵器、高壓線、地線和等離子體壓力顯示膜片構成的回路中的電流按照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兩個模擬信號輸入通道，分別接入電壓探頭和電流探頭的信號，這兩個模擬信號輸入通道的采集速率至少為lGS/s，帶寬為300MHz。
[0023]上述方案中，其特征在于:相機為高速ICCD或EMCCD相機，能夠拍攝到微弱的等離子體亮光，相機分辨率至少為1024X 1204，16bit數據位，10kHz讀出速度。
[0024]上述方案中，所述等離子體壓力顯示膜片與高壓線及地線的連接采用激光焊接，當等離子體激勵器啟動時，在等離子體壓力顯示膜片在裸露