射频功率放大器在等离子体压力传感器中的应用

实验名称：等离子体压力传感器及其在动态压力测量中的应用

研究方向：压力传感器

测试目的：

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。而目前传感器由于受到质量惯性的影响，最高可用频响在500kHz以内，或者有着存在着尺寸偏大(6~10mm)、温度漂移等问题,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。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。

测试设备：等离子体压力传感器、信号源、示波器、压力传感器、ATA-8202射频功率放大器、电热高温箱。

图1：等离子体压力传感器示意图及实物图

实验过程：

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综套简将导线接入放电空中，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125MHZ；然后改变放电室气压，从0.4atm逐步升高到4.5atm，以0.latm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220m的等离子体压力传感器的适用气压量程为0.4~4.5atm，对应的电源输出功率量程为5~9W。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若不同的气压范围，整体灵敏度为0.22V/kPa。当电源输出功率为8W时，实验结果如图2所示。

图2：校准曲线

实验结果：

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1.25MHz，气压范围04~4.5atm下不同输出功率所对应的稳态响应规律，及其在25C~400C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220m的射频等离子体压力传感器可正常工作的气压量程为0.4~4.5at，其对应的电源输出功率量程为5~9w，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0.22V/kPa。

(2)高温特性实验证明，在25C~400C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356V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，具有捕提叶片通过频率(2410Hz)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(970Hz)。

(4)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。

安泰ATA-8202射频功率放大器：

本文实验素材由西安安泰电子整理发布。Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线，且具有相当规模的仪器设备供应商，样机都支持免费试用。

审核编辑：汤梓红