射頻功率放大器在輝光放電特征及風(fēng)速測(cè)量原理中的應(yīng)用
實(shí)驗(yàn)名稱:輝光放電特征及風(fēng)速測(cè)量原理
研究方向:輝光放電
測(cè)試設(shè)備:信號(hào)發(fā)生器、ATA-8202射頻功率放大器,熱成像儀、萬(wàn)用表、等離子體傳感器
實(shí)驗(yàn)過程:
在等離子體形成條件和流場(chǎng)響應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)上,可以明確影響放電穩(wěn)定性和等離子體風(fēng)速測(cè)試技術(shù)性能的主要參數(shù)包括:激勵(lì)裝置的電參數(shù)、電極間距、電極寬度、電極材料、氣體的成分及其熱力學(xué)參數(shù)。以上任一個(gè)參數(shù)的研究,需保證實(shí)驗(yàn)中對(duì)它的可控性和可測(cè)量性。因此,首先需要完成對(duì)輝光放電系統(tǒng)和流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建。電暈放電過渡到輝光放電,需要電源在電極兩端加載約1kV的有效電壓,而這一擊穿電壓,極易使輝光向火花放電轉(zhuǎn)變,并燒毀電極。因此,電路中需添加保護(hù)電阻以控制電流在一定的范圍內(nèi)。從研究中可知,放電電流達(dá)到10mA左右,正常輝光放電開始向反常輝光放電轉(zhuǎn)變。為保證放電模式維持在正常輝光放電階段,研究中選用100kΩ電阻串接到放電電路以限制電流的變化。
圖2.7為測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖,放電電壓的監(jiān)測(cè)是通過衰減比1000:1的高壓探針連接至示波器,記錄放電波形和數(shù)據(jù),并最終回傳至電腦存儲(chǔ)。電流的監(jiān)測(cè)是通過測(cè)量1kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓,經(jīng)過計(jì)算獲得。在放電實(shí)驗(yàn)中,分別使用高壓直流電源和射頻電源。其中,高壓直流電是由輸出較小的信號(hào)發(fā)生器電壓經(jīng)功率放大器放大后得到。
圖:測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖
為保證輝光放電和后端電路的阻抗匹配以及調(diào)制功率下的高壓輸出,電源輸出端先連接至阻抗匹配器,再經(jīng)由自行設(shè)計(jì)的高頻變壓器進(jìn)行放大。
信號(hào)測(cè)試端分別使用示波器和多功能萬(wàn)用表。熱成像儀主要用于拍攝和記錄放電時(shí)的等離子體分布和對(duì)應(yīng)電流下的電極溫度,保證放電操作在合適的電流下以免損壞電極。
為了探尋各變量對(duì)放電和等離子體風(fēng)速測(cè)量技術(shù)的影響,需進(jìn)行單一變量控制實(shí)驗(yàn),所搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)需能夠?qū)崿F(xiàn)電極間距的調(diào)整、對(duì)準(zhǔn)、快速更換和流速測(cè)試等操作,其設(shè)計(jì)和實(shí)物如圖2.8所示,主要包括標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)、三維移動(dòng)平臺(tái)微型夾具、工業(yè)相機(jī)和氣流源。所使用的標(biāo)準(zhǔn)氣動(dòng)探針是兩款量程不一樣的皮托管,不確定度均為1%,測(cè)量流速范圍分別為0~120m/s和0300m/s,固定在放電電極的上方,與輝光放電產(chǎn)生的等離子體同時(shí)感受來流速度。三維移動(dòng)平臺(tái)的控制精度為10um,搭載的微型夾具可夾持200um以上的電極絲,在工業(yè)相機(jī)的輔助下,完成電極間距的調(diào)整和同軸對(duì)準(zhǔn)。所示流場(chǎng)出口是直徑為20mm的不銹鋼管,其另一端經(jīng)由管道連接至氣流源。實(shí)驗(yàn)分別使用大功率鼓風(fēng)機(jī)和高壓氣源作為流場(chǎng)發(fā)生裝置,由功率調(diào)節(jié)器或精密調(diào)壓閥進(jìn)行流速大小的控制。
圖:輝光放電流場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)
直流輝光放電的從陰極到陽(yáng)極可以劃分為:阿斯頓暗區(qū)、陰極光層、陰極暗區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽(yáng)極區(qū),如圖2.9所示,放電穩(wěn)定后,間隙內(nèi)存在明顯的分層光區(qū),但隨著間隙的減小,正柱區(qū)和法拉第暗區(qū)消失,放電只觀察到耀眼的光斑。與長(zhǎng)間隙低壓放電所得到的結(jié)果不同,空氣中短間隙下輝光放電產(chǎn)生的等離子體更為集中。從陰極開始,最貼近電極表面位置為阿斯頓暗區(qū)該區(qū)域電子的能量還不足以引起激發(fā)電離,因此不存在輻射發(fā)光。進(jìn)入到陰極光層,電子能量已達(dá)到電離所需的激發(fā)能,在放電過程中可觀察到靠近電極表面的微弱光層。在陰極暗區(qū),只有部分電子還能與分子發(fā)生碰撞電離反應(yīng),因此光強(qiáng)有所減弱。進(jìn)入到負(fù)輝區(qū)后,電勢(shì)基本不發(fā)生變化,因此該區(qū)域電子和離子速度最小,并形成高密度電荷區(qū),電子和離子復(fù)合最為頻繁,慢電子與氣體分子發(fā)生激發(fā)碰撞的概率加大,所以發(fā)光增強(qiáng),在短間隙內(nèi)形成最高亮度。陽(yáng)極區(qū)附近,電子受電場(chǎng)加速,與分子發(fā)生碰撞激發(fā),并發(fā)出弱光。
圖:直流輝光放電
當(dāng)間隙內(nèi)形成穩(wěn)定的直流輝光放電,電路內(nèi)產(chǎn)生了具有一定周期的震蕩,由示波器記錄的陽(yáng)極電位輸出波形和頻譜如圖2.10所示。因?yàn)殡x子遷移速度小于電子的遷移速度,造成陰極位降區(qū)(陰極和負(fù)輝區(qū)之間的區(qū)域)內(nèi)的離子密度大于電子密度,陰極附近正電荷的累積會(huì)削弱原來直流電作用下陽(yáng)極到陰極的電場(chǎng)強(qiáng)度,使得碰撞電離反應(yīng)速率降低,因此間隙內(nèi)電荷數(shù)量減少,陽(yáng)極電位增大。當(dāng)陰極位降區(qū)內(nèi)離子的補(bǔ)充速度小于離子到達(dá)陰極后被中和的速度,空間內(nèi)正離子數(shù)量開始減少,對(duì)電場(chǎng)的削弱能力有所降低,電子繁流反應(yīng)速率得到恢復(fù),增加了間隙內(nèi)的電荷數(shù)量,因此電路電流有所增大,陽(yáng)極的電勢(shì)將有所降低。電離得到的正電荷將再次補(bǔ)充到陰極位降區(qū)形成電荷累積,并重復(fù)上述過程。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到該過程存在一定的重復(fù)周期,震蕩頻率約為23kHz。
圖:直流輝光放電陽(yáng)極電勢(shì)
圖:直流輝光放電仿真結(jié)果
交流輝光放電過程相對(duì)直流放電更為復(fù)雜,放電不斷經(jīng)歷著熄滅、維持和再擊穿的過程。交流輝光放電圖像及電壓、電流的波形如圖2.12所示,放電區(qū)間被分為兩個(gè)部分:鞘層和等離子體區(qū)。
圖:交流輝光放電
實(shí)驗(yàn)中先將生成的正弦調(diào)制信號(hào)輸入信號(hào)放大器,和直流輝光放電相仿,由于電子的遷移速度遠(yuǎn)大于離子,所以每一種物質(zhì)的通量是不相等的,時(shí)均電荷分布主要集中于等離子體區(qū),電極相對(duì)等離子體區(qū)帶負(fù)電位,這一段電場(chǎng)強(qiáng)度大、電荷密度小的空間區(qū)域被稱為鞘層。因?yàn)榻涣麟娮饔孟码娢惶幱诟?dòng)變化,所以等離子體區(qū)在間隙內(nèi)來回震蕩。
為進(jìn)一步分析交流電驅(qū)動(dòng)下放電特征,將上述仿真模型電源參數(shù)改為后續(xù)實(shí)驗(yàn)變壓器工作頻率140kHz,電壓幅值使放電的有效電為15mAms得到交流輝光放電物理參數(shù)的變化如圖2.13所。放電電壓和電流的波形與實(shí)驗(yàn)測(cè)到的結(jié)果大致相當(dāng),在每個(gè)周期0.15T位置電壓出現(xiàn)峰值,電流開始增大,此時(shí)間隙內(nèi)的氣體將被擊穿并形成放電:到0.47T位置,電荷密度快速下降,輝光熄滅,直到下半個(gè)周期重新?lián)舸=涣鬏x光放電過程間隙內(nèi)電荷密度變化范圍為10°~102m,產(chǎn)生的電荷在陽(yáng)極和陰極附近交聚集,兩個(gè)電極輪流承受電荷轟擊,所以它們的表面都會(huì)受到侵蝕。
圖:交流輝光放電仿真結(jié)果
因?yàn)榻涣麟妶?chǎng)中離子到達(dá)電極表面的平均速度只有4000m/s,是直流放電的四分之一,所以對(duì)電極的濺射損傷弱于直流放電。從軸線上電荷速度的分布特點(diǎn)可知,交流輝光放電在流場(chǎng)作用下,等離子體區(qū)內(nèi)的慢速離子先發(fā)生逃逸,因?yàn)槁匐x子密度大,所以輝光放電對(duì)流速表現(xiàn)出的靈敏度也相對(duì)較大。隨著流場(chǎng)速度的增大,離子逃逸現(xiàn)象發(fā)展到鞘層,而這部分電荷密度相對(duì)較小,因此表現(xiàn)出的靈敏度應(yīng)也有所降低。
交流輝光放電空間內(nèi)離子平均遷移速度約為10m/s,穿過80um間隙所需的時(shí)間約10%s。根據(jù)分析,輝光放電離子的遷移速度決定了交流輝光放電允許加載的最高頻率,因此基于該原理風(fēng)速測(cè)量技術(shù)的頻響上限可達(dá)到15MHz,滿足壓氣機(jī)對(duì)非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的測(cè)試。
為了進(jìn)一步證實(shí)上述仿真分析所得出的結(jié)論,實(shí)驗(yàn)選用直徑為250um的不銹鋼材料作為電極,調(diào)整電極間距為80um,使用熱成像儀攝獲取不同電流下的電極溫度,結(jié)果如圖2.14所示。開始時(shí),電極表面溫度大致相當(dāng),但隨著電流的提高,兩種放電類型電極溫度的差異逐漸增大。其中,直流輝光放電在陰極產(chǎn)生明顯的紅熱,而陽(yáng)極并未受到明顯的影響;交流輝光放電兩電極形成對(duì)稱燒蝕,電極溫度略低于直流輝光放電。當(dāng)電流為1.5mAms時(shí),直流放電引起的溫升比交流放電引起的溫升高出近50°C??梢?,交流輝光放電對(duì)電極的侵蝕能力確實(shí)在一定程度上比直流輝光放電弱,這使得電極的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。
圖:直流輝光放電與交流輝光放電對(duì)比
實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
上述兩種放電模式下的電流變化量隨流速增大均逐漸趨于平緩,這與仿真的預(yù)期的結(jié)果一致,可見輝光放電對(duì)電極產(chǎn)生的燒蝕、濺射以及對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)規(guī)律靈敏度與間隙內(nèi)離子速度和電荷密度的分布有密切關(guān)系。直流放電雖伴隨強(qiáng)烈的非對(duì)稱燒蝕和較低的頻響,但較小的放電電流下即可實(shí)現(xiàn)較大的量程,因此在穩(wěn)定的高速流場(chǎng)中更具有應(yīng)用潛力。改用交流電源驅(qū)動(dòng),相同的放電電流下雖然量程較小,但載波頻率的可調(diào)控性使其頻響上限遠(yuǎn)高于直流放電,并且輸出波動(dòng)較小,放電更具有穩(wěn)定性,因此交流輝光放電更適合于頻響要求較高的非穩(wěn)態(tài)測(cè)試。
安泰ATA-8202射頻功率放大器(工作頻率100kHz~20MHz,額定輸出功率100W):
圖:ATA-8202射頻功率放大器
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