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气路部件是燃气轮机、航空发动机等大型热机的主要故障源,往往引起极其恶劣的重大事故,严重威胁装备运行安全和人员安全,因此对气路部件实现在线监测已成为热机研发和使用中的迫切需求。近年来,一种基于监测气路带电颗粒的静电监测技术正引起越来越广泛的关注,它有效克服了传统监测技术实时性差和难以提供早期预警的缺陷,为满足大型热机的高可靠性要求开辟了重要途径。静电传感器是进行静电监测的核心器件,其中探针式静电传感器具有体积小、安装方便、布局灵活等优势,更适用于大型热机的复杂结构。因此,本文选择探针式静电传感器为研究对象,以实现静电监测为目标,采用理论分析、有限元仿真、实验验证相结合的方法开展研究,主要研究内容包括:(1)推导了探针式静电传感器的理论测量模型,在此基础上对探针式静电传感器的信号产生原理和空间静态灵敏度、空间动态灵敏度、空间滤波效应以及频率响应特性进行了深入的理论剖析,为研究的展开奠定了必备的理论基础。(2)建立了探针式静电传感器和气路管道的高保真三维有限元模型,以仿真获得探针表面感应电荷量为基础,首先对探针式静电传感器的空间静态灵敏度和空间动态灵敏度进行了详细研究,一是得到了用高斯函数和洛伦兹函数的联合函数描述的空间静态灵敏度的拟合公式,二是得到了空间动态灵敏度的整体分布和研究了传感器结构变化对空间动态灵敏度的影响。然后从拟合公式推导出空间滤波效应和频率特性的计算式,实现了数值仿真,并分析了相关的影响因素。(3)设计和制造了内置放大电路的探针式静电传感器,并搭建了实验系统,进行了验证实验。实验结果表明,将探针式静电传感器用于静电监测具有可行性,静电监测信号中使用的小波降噪、波形恢复、特征提取等方法具有可操作性,理论和仿真研究中关于探针式静电传感器传感特性的结论具有正确性。(4)为克服单个探针式静电传感器空间动态灵敏度分布极不均匀的缺陷,仿真实现了Tikhonov正则化算法和Landweber迭代正则化算法在处理平面阵列监测信号上的应用。结果表明正则化方法的引入能极大提高探针式静电传感器平面阵列对气路中心区域的响应能力,并显著改善空间动态灵敏度分布的均匀性。