壓力靈敏涂料

壓力靈敏涂料(PSP)光學(xué)測(cè)壓技術(shù)綜述摘要：壓力靈敏涂料壓力測(cè)量技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代，進(jìn)展至今以趨于成熟。本文介紹了壓力靈敏涂料的特性，和應(yīng)用該涂料的PSP光學(xué)測(cè)壓技術(shù)的原理、系統(tǒng)組成，分析了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中需要注意的事項(xiàng)，排除誤差的方式。關(guān)鍵詞：壓力靈敏涂料；壓力測(cè)量；實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)壓力靈敏涂料(PressureSensitivePrint PSP)是一種用于空氣動(dòng)力測(cè)量的無接觸式壓力測(cè)量技術(shù)。其要緊原理是涂料中光敏分子受到照射激發(fā)后輻射出可見熒光或磷光，和空氣中的氧分子對(duì)受激光敏分子產(chǎn)生“氧猝滅”效應(yīng)的特點(diǎn)，從而使熒光的強(qiáng)度或壽命隨著表面壓力的上升而下降，而且采納光學(xué)方式捕捉空氣流動(dòng)中覆蓋有涂料涂層的物體表面的圖像，利用圖像和圖形處置手腕計(jì)算取得該表面全域壓力散布。與傳統(tǒng)的壓力測(cè)量方式相較，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：傳感器與被測(cè)物體無接觸、可應(yīng)用于輕薄材料或物體邊緣；無需在模型表面打測(cè)壓孔，因此可不能破壞被測(cè)物體表面流場(chǎng)結(jié)構(gòu);取得的壓力數(shù)據(jù)是持續(xù)而且大范圍的；測(cè)壓模型的制造較為簡單，節(jié)省了測(cè)量本錢和時(shí)刻。該技術(shù)從上世紀(jì)80年代開始進(jìn)展，近十年來收到國內(nèi)學(xué)者關(guān)注，此刻已經(jīng)在飛行器風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中取得了應(yīng)用，技術(shù)也已趨于成熟。測(cè)量原理PSP是由摻入光致發(fā)光微粒的粘合劑組成，其應(yīng)用技術(shù)基于量子力學(xué)和光化學(xué)原理，利用了PSP受激后輻射出可見熒光和氧猝滅效應(yīng)。氧猝滅效應(yīng)是指，當(dāng)處于基態(tài)的氧分子與處于激發(fā)態(tài)的熒光物質(zhì)的分子碰撞時(shí)，氧分子會(huì)將熒光物質(zhì)分子多余的能量奪過來使自己變成激發(fā)態(tài)，而熒光物質(zhì)分子返回到基態(tài)且不發(fā)射任何光子。氧分子這種效應(yīng)的群體作用使熒光物質(zhì)發(fā)出的熒光減弱，故稱為“猝滅效應(yīng)”。涂料表面氧濃度越高，猝滅效應(yīng)越強(qiáng)，熒光越弱。測(cè)量具體原理是：將PSP噴涂到被測(cè)模型表面，用特定波長的激光照射，可激發(fā)出熒光。由于該熒光可被氧猝滅，而模型表面的壓力上升將使氧濃度增加，因此PSP受激后輻射的熒光強(qiáng)度將隨涂料表面的壓力轉(zhuǎn)變。該熒光強(qiáng)度場(chǎng)與氧濃度之間的關(guān)系可通過Stem-Volmer方程表示：&=1+KsvQ] (1)式中，I。為無淬滅劑存在時(shí)PSP被激發(fā)的熒光強(qiáng)度；I為有淬滅劑(氧)存在時(shí)PSP被激發(fā)的熒光強(qiáng)度：Ksv為Stem-Volmer淬滅常數(shù)；Q為淬滅劑濃度。當(dāng)在模型表面噴涂包括有熒光壓力傳感器并許諾氧可穿透的PSP層時(shí)，它在適合的激發(fā)光照射下，熒光壓力傳感器可發(fā)出熒光。受激熒光壓力傳感器熒光猝滅速度正比于在PSP層中氧的滲透濃度和氧的擴(kuò)散系數(shù)。依照亨利定理，在PSP層中的氧的分壓正比于在它外層氧的偏壓，即O二。P。也確實(shí)是說，熒光壓力傳感器的熒光輸出強(qiáng)度反比于在PSP化合物表面上方氧的偏壓，可表示為：I P了=A(T)+B(T)- (2)0式中，P為測(cè)量壓力、P0為參考狀態(tài)下的壓力，A（T）=一、B（T）="兒別0 1+bKP0 1+gKP0離是與溫度T有關(guān)的函數(shù)，反映了該涂料的溫度效應(yīng)。然后利用電荷耦器件（CCD）陣列數(shù)字?jǐn)z像機(jī)作為傳感器，拍照記錄待測(cè)表面的輻射熒光強(qiáng)度，就能夠夠依照式（2）計(jì)算得出待測(cè)表面的空氣壓力。還有基于熒光發(fā)光壽命的測(cè)量方式，其利用的表達(dá)式形式和式（2）比較接近，只是將發(fā)光強(qiáng)度I替換為發(fā)光延遲時(shí)刻t，在此表達(dá)式就不單獨(dú)列出。PSP光學(xué)測(cè)壓系統(tǒng)組成系統(tǒng)一樣由涂有PSP涂料的實(shí)驗(yàn)物體、鼓勵(lì)光源、圖像搜集系統(tǒng)、圖像處置和操縱部份等子系統(tǒng)組成，如圖1所示。*1+f 或■*圖1PSP測(cè)量系統(tǒng)組成與涂層結(jié)構(gòu)壓力靈敏涂料（PSP）：是在一種可透氧的基質(zhì)材料（粘合劑）中加入某種發(fā)光分子（發(fā)光體），具有光致發(fā)光和“氧猝滅”特性。依照測(cè)量的需要，壓力靈敏涂料的選擇進(jìn)程中要緊應(yīng)知足如下要求：（1） 對(duì)溫度不靈敏。不因風(fēng)洞中溫度的散布和轉(zhuǎn)變而阻礙壓力測(cè)量；（2） 粘合力強(qiáng)。不因吹風(fēng)剪切力而使涂層剝落；（3） 機(jī)械、熱力學(xué)和光學(xué)穩(wěn)固性要好。涂料要在多次利用下有穩(wěn)固的性能，涂料的光致漂白效應(yīng)要小；（4） 涂料的均勻性及重復(fù)活產(chǎn)特性要好。易噴涂、清除，表面光潔；（5） 響應(yīng)時(shí)刻要短。涂料的響應(yīng)時(shí)刻受氧擴(kuò)散，涂料層厚度等多種因素的阻礙；（6） 發(fā)光強(qiáng)度高。輻出光強(qiáng)假設(shè)高那么實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度也能夠提高，使塵埃，油滴等引發(fā)的干擾發(fā)光成為小量；（7） 高的壓力靈敏度。單位壓力的轉(zhuǎn)變有大的輻出光強(qiáng)輸出。激發(fā)光源：激發(fā)光源是實(shí)現(xiàn)壓敏涂料光致發(fā)光的關(guān)鍵因素，需要依照涂料特性選擇具有必然波長及能量的激發(fā)光源。要緊考慮的因素有：（1） 由于溫度會(huì)阻礙PSP測(cè)得壓力，因此光源發(fā)燒量要低，沒有熱輻射，以防對(duì)葉片表面溫度造成阻礙而致使測(cè)量誤差。（2） 為了不對(duì)圖像搜集造成干擾，不能含有和涂層發(fā)出的光相同的光譜。（3） 單色性好，光譜窄，不然必需加以濾光裝置使得輸出光波長必然。（4） 發(fā)光效率高。若是是采納基于發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量法，需要光源輸出穩(wěn)固。（5） 如應(yīng)用于內(nèi)流場(chǎng)等狹小空間內(nèi)的壓力測(cè)量，光源的體積大小、結(jié)構(gòu)是不是緊湊也應(yīng)當(dāng)納入考慮范圍。（6） 依照測(cè)量方式的不同，能夠選擇持續(xù)光或脈沖光。PSP圖像的搜集：可用方式包括靜止攝影、微光電視攝像機(jī)或電荷耦器件（CCD）陣列數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，其作用是作為傳感器用于記錄被實(shí)驗(yàn)物體表面的輻出光強(qiáng)度，依照其發(fā)光強(qiáng)度依照Stem-Volmer公式計(jì)算出實(shí)驗(yàn)物體表面的壓力散布。由于傳感器的分辨率、SNR和線性度決定著系統(tǒng)測(cè)量壓力精度，因此應(yīng)當(dāng)?shù)谝豢紤]上述因素。第二，依照涂料受激后所發(fā)波長，傳感器的鏡頭前需加以濾光裝置以排除環(huán)境光線和反射光的干擾，提高圖像的信噪比。與圖像處置系統(tǒng)的連接要完善，和軟件的匹配性要好，減少傳感器信號(hào)傳輸?shù)竭\(yùn)算機(jī)的延遲時(shí)刻，以便工程項(xiàng)目的安裝調(diào)試。另外要考慮的因素還有傳感器的體積和結(jié)構(gòu)、光圈大小對(duì)靈敏度的阻礙和散熱性能等。圖像的處置和操縱部份：要緊包括運(yùn)算機(jī)和圖形工作站等。用于對(duì)搜集的圖像進(jìn)行處置、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)治理等。圖像處置和操縱部份主若是軟件的選擇，應(yīng)考慮操作流程是不是清楚、是不是具有完善的校準(zhǔn)功能，包括圖像校準(zhǔn)、溫度校準(zhǔn)等。硬件上處置能力應(yīng)能夠知足傳感器的傳輸要求，能實(shí)時(shí)更新和計(jì)算數(shù)據(jù)。PSP特性參數(shù)的標(biāo)定在測(cè)量之前，需要先對(duì)涂料的特性參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，即式（2）中的系數(shù)A（T）、B（T）。標(biāo)定一樣在專用的測(cè)試箱中進(jìn)行，如圖2所示。圖2PSP標(biāo)定裝置 圖3PSP的壓力和溫度特性圖標(biāo)定箱一樣是一個(gè)上邊開有透明玻璃窗口的密閉容器，有通氣管和氣泵相連，測(cè)試時(shí)先把PSP涂料試樣放入測(cè)試箱中，操縱氣泵和溫控裝置改變測(cè)試箱中的溫度和壓力，利用帶有濾光鏡的鼓勵(lì)光源和CCD通過窗口照射到試樣并搜集到激發(fā)出的光強(qiáng)度，然后依照搜集到的數(shù)據(jù)一樣用最小二乘法來計(jì)算涂料的參數(shù)。標(biāo)定出的特性曲線如圖3所示。另外也可在被測(cè)模型上局部埋設(shè)傳感器，然后依照測(cè)定的局部壓力和該點(diǎn)涂料發(fā)光強(qiáng)度，來確信涂料的參數(shù)。這種現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的益處是能夠減少環(huán)境轉(zhuǎn)變和涂料特性隨時(shí)刻轉(zhuǎn)變引發(fā)的誤差，其缺點(diǎn)是需要附加的測(cè)壓設(shè)備，本錢較高。PSP測(cè)量技術(shù)在風(fēng)洞中的應(yīng)用利用PSP技術(shù)測(cè)壓要緊有：基于發(fā)光強(qiáng)度的方式、基于發(fā)光壽命的方式、基于相位延遲的方式。其中，基于發(fā)光強(qiáng)度的方式需要持續(xù)穩(wěn)固的光源，對(duì)光源的穩(wěn)固性要求較高，它不需要同步，操縱電路相對(duì)簡單，由于需要配準(zhǔn)，計(jì)算相對(duì)較為復(fù)雜；基于發(fā)光延遲壽命測(cè)量的方式要求光源必需是脈沖光源（閃光）；基于相位延遲的方式的光源還必需能被調(diào)制。后兩種方式要求鼓勵(lì)光源與圖像傳感器（CCD）嚴(yán)格同步，操縱電路相對(duì)復(fù)雜。但它不需要配準(zhǔn)，計(jì)算相對(duì)簡單，它們一樣利用衰減壽命較長的磷光型涂料。在此只詳細(xì)介紹基于發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量方式。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)前，需要在風(fēng)洞內(nèi)安裝和調(diào)試數(shù)字式CCD攝像頭和鼓勵(lì)光源系統(tǒng)（激光器或照射燈）。風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)開始后，在指定風(fēng)速、迎角條件下，利用持續(xù)穩(wěn)固的鼓勵(lì)光源照射涂有PSP的模型，用數(shù)字式CCD攝像頭攝取測(cè)試條件下模型表面的熒光強(qiáng)度場(chǎng)。為了減少誤差，一樣持續(xù)攝取數(shù)十張圖像并進(jìn)行圖像平均。測(cè)試條件下的圖像攝取完畢后，再依次搜集參考條件（無風(fēng)）和黑背景暗電流圖像。為了減少CCD本身存在的暗電流阻礙，采納以下公式校正：L=涇 ⑶FB式中：IC為校正后的圖像；IR為校正前的圖像；IB為暗電流;，IF為均勻照度的圖像。除圖像搜集，還需測(cè)定模型表面溫度T，然后通過Stem-Volmer方程即式（2）：I P了=A（T）+B（T）p0計(jì)算得出壓力散布。在進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，模型在空氣動(dòng)力的作用下會(huì)發(fā)生變形、移動(dòng)，使模型在每幅圖像中的位置不同，為了進(jìn)行均值運(yùn)算和計(jì)算參考條件下與測(cè)試條件的模型表面圖像發(fā)光強(qiáng)度之比，需要進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，為了保證配準(zhǔn)的精度，一樣在模型表面預(yù)先標(biāo)記參考點(diǎn)，然后以這些參考點(diǎn)為基準(zhǔn)對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。一樣經(jīng)常使用的配準(zhǔn)的方式是多項(xiàng)式變換方程，即x=^EaXiy'j,i+j<n （4）i,j=。y=Ebxiyfj,i+j<n （5）i,ji,j=0式中：參數(shù)a.、ZJ可依照操縱點(diǎn)（標(biāo)記點(diǎn)）坐標(biāo)（X，y），（x'，y'）來確信。光學(xué)壓力靈敏涂料測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)壓方式相較具有無法比擬的優(yōu)勢(shì):葉片表面全域壓力測(cè)量及不破壞葉片表面結(jié)構(gòu)。PSP從一項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)展到此刻已經(jīng)趨于成熟，在國內(nèi)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中也已取得普遍應(yīng)用。目前在提高測(cè)量精度、擴(kuò)展應(yīng)用范圍、減少測(cè)量時(shí)刻等方面深切研究，具體研究方向?yàn)椋孩龠M(jìn)展新型的、高性能的涂料、鼓勵(lì)光源和圖像搜集傳感器，提高系統(tǒng)靈敏度和搜集信號(hào)的信噪比；②利用溫度靈敏涂料（TSP）測(cè)量模型表面溫度，對(duì)溫度阻礙進(jìn)行修正；③分析誤差產(chǎn)生的緣故，研究出補(bǔ)償?shù)姆绞?；④進(jìn)展新的算法提高其運(yùn)算速度和降低其費(fèi)用。參考文獻(xiàn)：陳雪原，張然.壓力靈敏涂料（PSP）光學(xué)測(cè)壓技術(shù)在風(fēng)洞中的