壓力敏感涂料

1、壓力敏感涂料（壓力敏感涂料（PSPPSP）光學(xué)測(cè)壓技術(shù)綜述）光學(xué)測(cè)壓技術(shù)綜述摘要：摘要：壓力敏感涂料壓力測(cè)量技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代，發(fā)展至今以趨于成熟。本文介紹了壓力敏感涂料的特性，以及應(yīng)用該涂料的PSP光學(xué)測(cè)壓技術(shù)的原理、系統(tǒng)構(gòu)成，分析了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)，消除誤差的方法。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：壓力敏感涂料；壓力測(cè)量；實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)0.前言壓力敏感涂料（PressureSensitivePrint——PSP）是一種用于空氣動(dòng)力測(cè)量

2、的無(wú)接觸式壓力測(cè)量技術(shù)。其主要原理是涂料中光敏分子受到照射激發(fā)后輻射出可見(jiàn)熒光或磷光，以及空氣中的氧分子對(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，并且采用光學(xué)方法捕獲空氣流動(dòng)中覆蓋有涂料涂層的物體表面的圖像，利用圖像和圖形處理手段計(jì)算得到該表面全域壓力分布。與傳統(tǒng)的壓力測(cè)量方式相比，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：傳感器與被測(cè)物體無(wú)接觸、可應(yīng)用于輕薄材料或者物體邊緣；無(wú)需在模型表面打測(cè)壓孔，所以不會(huì)破壞被

3、測(cè)物體表面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；獲得的壓力數(shù)據(jù)是連續(xù)而且大范圍的；測(cè)壓模型的制造較為簡(jiǎn)單，節(jié)省了測(cè)量成本和時(shí)間。該技術(shù)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始發(fā)展，近十年來(lái)收到國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)注，現(xiàn)在已經(jīng)在飛行器風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中得到了應(yīng)用，技術(shù)也已趨于成熟。1.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(jiàn)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

4、多余的能量奪過(guò)來(lái)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(zhǎng)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，所以PSP受激后輻射的熒光強(qiáng)度將隨涂料表面的壓力變化。該熒光強(qiáng)度場(chǎng)與氧濃度之間的關(guān)系可通過(guò)StemVolmer方

5、程表示：（1）??QKIISV??10式中，I0為無(wú)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StemVolmer淬滅常數(shù)；Q為淬滅劑濃度。當(dāng)在模型表面噴涂包含有熒光壓力傳感器并允許氧可穿透的PSP層時(shí)，它在合適的激發(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)。按照亨利定理，在PSP層中的氧的分壓正比于在它外層氧的偏壓，

6、即。PO??也就是說(shuō)，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：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，需要根據(jù)涂料特性選擇具有一定波長(zhǎng)及能量的激發(fā)光源。主要考慮的因素有：（1）由于溫度會(huì)影響PSP測(cè)得壓力，所以光源發(fā)熱量要低，沒(méi)有熱輻射，以防對(duì)葉片表面溫度造成影響而導(dǎo)致測(cè)量誤差。（2）為了不對(duì)圖像采集造成干擾，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，否則必須加以濾光裝置使

7、得輸出光波長(zhǎng)一定。（4）發(fā)光效率高。如果是采用基于發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量法，需要光源輸出穩(wěn)定。（5）如應(yīng)用于內(nèi)流場(chǎng)等狹窄空間內(nèi)的壓力測(cè)量，光源的體積大小、結(jié)構(gòu)是否緊湊也應(yīng)當(dāng)納入考慮范圍。（6）根據(jù)測(cè)量方式的不同，可以選擇連續(xù)光或脈沖光。PSP圖像的采集：可用方法包括靜止攝影、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，根據(jù)其發(fā)光強(qiáng)度按照StemVolmer公式計(jì)算出實(shí)驗(yàn)物體表面的壓力

8、分布。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，所以應(yīng)當(dāng)首先考慮上述因素。其次，根據(jù)涂料受激后所發(fā)波長(zhǎng)，傳感器的鏡頭前需加以濾光裝置以消除環(huán)境光線以及反射光的干擾，提高圖像的信噪比。與圖像處理系統(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)接?jì)算機(jī)的延遲時(shí)間，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)靈敏度的影響以及散熱性能等。圖像的處理和控制部分：主要包括計(jì)算機(jī)和圖形工作站等。用

9、于對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)管理等。圖像處理和控制部分主要是軟件的選擇，應(yīng)考慮操作流程是否清晰、是否具備完善的校準(zhǔn)功能，包括圖像校準(zhǔn)、溫度校準(zhǔn)等。硬件上處理能力應(yīng)能夠滿足傳感器的傳輸要求，能實(shí)時(shí)更新和計(jì)算數(shù)據(jù)。3.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)定一般在專用的測(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)定箱一般是一個(gè)上邊開(kāi)有