怎么看网站的建设时间,低价企业网站搭建,网站软件有哪些,工作期间员工花钱做的网站实验名称#xff1a;辉光放电特征及风速测量原理研究方向#xff1a;辉光放电测试设备#xff1a;信号发生器、ATA-8202射频功率放大器#xff0c;热成像仪、万用表、等离子体传感器实验过程#xff1a;在等离子体形成条件和流场响应机制的基础上#xff0c;可以明确影响… 实验名称辉光放电特征及风速测量原理 研究方向辉光放电 测试设备信号发生器、ATA-8202射频功率放大器热成像仪、万用表、等离子体传感器 实验过程在等离子体形成条件和流场响应机制的基础上可以明确影响放电稳定性和等离子体风速测试技术性能的主要参数包括激励装置的电参数、电极间距、电极宽度、电极材料、气体的成分及其热力学参数。以上任一个参数的研究需保证实验中对它的可控性和可测量性。因此首先需要完成对辉光放电系统和流场实验装置的搭建。电晕放电过渡到辉光放电需要电源在电极两端加载约1kV的有效电压而这一击穿电压极易使辉光向火花放电转变并烧毁电极。因此电路中需添加保护电阻以控制电流在一定的范围内。从研究中可知放电电流达到10mA左右正常辉光放电开始向反常辉光放电转变。为保证放电模式维持在正常辉光放电阶段研究中选用100kΩ电阻串接到放电电路以限制电流的变化。 图2.7为测试系统连接示意图放电电压的监测是通过衰减比10001的高压探针连接至示波器记录放电波形和数据并最终回传至电脑存储。电流的监测是通过测量1kΩ标准电阻两端电压经过计算获得。在放电实验中分别使用高压直流电源和射频电源。其中高压直流电是由输出较小的信号发生器电压经功率放大器放大后得到。 图测试系统连接示意图 为保证辉光放电和后端电路的阻抗匹配以及调制功率下的高压输出电源输出端先连接至阻抗匹配器再经由自行设计的高频变压器进行放大。 信号测试端分别使用示波器和多功能万用表。热成像仪主要用于拍摄和记录放电时的等离子体分布和对应电流下的电极温度保证放电操作在合适的电流下以免损坏电极。 为了探寻各变量对放电和等离子体风速测量技术的影响需进行单一变量控制实验所搭建的实验台需能够实现电极间距的调整、对准、快速更换和流速测试等操作其设计和实物如图2.8所示主要包括标准风速计、三维移动平台微型夹具、工业相机和气流源。所使用的标准气动探针是两款量程不一样的皮托管不确定度均为1%测量流速范围分别为0~120m/s和0300m/s固定在放电电极的上方与辉光放电产生的等离子体同时感受来流速度。三维移动平台的控制精度为10um搭载的微型夹具可夹持200um以上的电极丝在工业相机的辅助下完成电极间距的调整和同轴对准。所示流场出口是直径为20mm的不锈钢管其另一端经由管道连接至气流源。实验分别使用大功率鼓风机和高压气源作为流场发生装置由功率调节器或精密调压阀进行流速大小的控制。 图辉光放电流场测试平台 直流辉光放电的从阴极到阳极可以划分为阿斯顿暗区、阴极光层、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极区如图2.9所示放电稳定后间隙内存在明显的分层光区但随着间隙的减小正柱区和法拉第暗区消失放电只观察到耀眼的光斑。与长间隙低压放电所得到的结果不同空气中短间隙下辉光放电产生的等离子体更为集中。从阴极开始最贴近电极表面位置为阿斯顿暗区该区域电子的能量还不足以引起激发电离因此不存在辐射发光。进入到阴极光层电子能量已达到电离所需的激发能在放电过程中可观察到靠近电极表面的微弱光层。在阴极暗区只有部分电子还能与分子发生碰撞电离反应因此光强有所减弱。进入到负辉区后电势基本不发生变化因此该区域电子和离子速度最小并形成高密度电荷区电子和离子复合最为频繁慢电子与气体分子发生激发碰撞的概率加大所以发光增强在短间隙内形成最高亮度。阳极区附近电子受电场加速与分子发生碰撞激发并发出弱光。 图直流辉光放电 当间隙内形成稳定的直流辉光放电电路内产生了具有一定周期的震荡由示波器记录的阳极电位输出波形和频谱如图2.10所示。因为离子迁移速度小于电子的迁移速度造成阴极位降区(阴极和负辉区之间的区域)内的离子密度大于电子密度阴极附近正电荷的累积会削弱原来直流电作用下阳极到阴极的电场强度使得碰撞电离反应速率降低因此间隙内电荷数量减少阳极电位增大。当阴极位降区内离子的补充速度小于离子到达阴极后被中和的速度空间内正离子数量开始减少对电场的削弱能力有所降低电子繁流反应速率得到恢复增加了间隙内的电荷数量因此电路电流有所增大阳极的电势将有所降低。电离得到的正电荷将再次补充到阴极位降区形成电荷累积并重复上述过程。实验检测到该过程存在一定的重复周期震荡频率约为23kHz。 图直流辉光放电阳极电势 图直流辉光放电仿真结果 交流辉光放电过程相对直流放电更为复杂放电不断经历着熄灭、维持和再击穿的过程。交流辉光放电图像及电压、电流的波形如图2.12所示放电区间被分为两个部分鞘层和等离子体区。 图交流辉光放电 实验中先将生成的正弦调制信号输入信号放大器和直流辉光放电相仿由于电子的迁移速度远大于离子所以每一种物质的通量是不相等的时均电荷分布主要集中于等离子体区电极相对等离子体区带负电位这一段电场强度大、电荷密度小的空间区域被称为鞘层。因为交流电作用下电位处于浮动变化所以等离子体区在间隙内来回震荡。 为进一步分析交流电驱动下放电特征将上述仿真模型电源参数改为后续实验变压器工作频率140kHz电压幅值使放电的有效电为15mAms得到交流辉光放电物理参数的变化如图2.13所。放电电压和电流的波形与实验测到的结果大致相当在每个周期0.15T位置电压出现峰值电流开始增大此时间隙内的气体将被击穿并形成放电到0.47T位置电荷密度快速下降辉光熄灭直到下半个周期重新击穿。交流辉光放电过程间隙内电荷密度变化范围为10°~102m产生的电荷在阳极和阴极附近交聚集两个电极轮流承受电荷轰击所以它们的表面都会受到侵蚀。图交流辉光放电仿真结果 因为交流电场中离子到达电极表面的平均速度只有4000m/s是直流放电的四分之一所以对电极的溅射损伤弱于直流放电。从轴线上电荷速度的分布特点可知交流辉光放电在流场作用下等离子体区内的慢速离子先发生逃逸因为慢速离子密度大所以辉光放电对流速表现出的灵敏度也相对较大。随着流场速度的增大离子逃逸现象发展到鞘层而这部分电荷密度相对较小因此表现出的灵敏度应也有所降低。 交流辉光放电空间内离子平均迁移速度约为10m/s穿过80um间隙所需的时间约10%s。根据分析辉光放电离子的迁移速度决定了交流辉光放电允许加载的最高频率因此基于该原理风速测量技术的频响上限可达到15MHz完全满足压气机对非稳态流场的测试。 为了进一步证实上述仿真分析所得出的结论实验选用直径为250um的不锈钢材料作为电极调整电极间距为80um使用热成像仪摄获取不同电流下的电极温度结果如图2.14所示。开始时电极表面温度大致相当但随着电流的提高两种放电类型电极温度的差异逐渐增大。其中直流辉光放电在阴极产生明显的红热而阳极并未受到明显的影响交流辉光放电两电极形成对称烧蚀电极温度略低于直流辉光放电。当电流为1.5mAms时直流放电引起的温升比交流放电引起的温升高出近50°C。可见交流辉光放电对电极的侵蚀能力确实在一定程度上比直流辉光放电弱这使得电极的使用寿命相对较长。图直流辉光放电与交流辉光放电对比 实验结果 上述两种放电模式下的电流变化量随流速增大均逐渐趋于平缓这与仿真的预期的结果一致可见辉光放电对电极产生的烧蚀、溅射以及对风速的响应规律灵敏度与间隙内离子速度和电荷密度的分布有密切关系。直流放电虽伴随强烈的非对称烧蚀和较低的频响但较小的放电电流下即可实现较大的量程因此在稳定的高速流场中更具有应用潜力。改用交流电源驱动相同的放电电流下虽然量程较小但载波频率的可调控性使其频响上限远高于直流放电并且输出波动较小放电更具有稳定性因此交流辉光放电更适合于频响要求较高的非稳态测试。 ATA-8202射频功率放大器工作频率100kHz~20MHz额定输出功率100W 图ATA-8202射频功率放大器
