CN101290259A - 光学压力敏感涂料测量压力的精度提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学压力敏感涂料测量压力的精度提高方法，进行实验测量的预先设计与布置，对实验模型表面喷涂以光学压力敏感涂料，进行实验设置与准备，并进行测量系统和实验设施的预运转，然后实施实验测量，经过涂料校准后，校正模型，最终获得模型表面的压力分布。本发明可以从根本上消除和解决因当地大气压的变化引起的误差影响实验测量精度的问题。

Description

光学压力敏感涂料测量压力的精度提高方法

技术领域

本发明属于压力测量技术。

背景技术

光学压力敏感涂料测量技术是上世纪八十年代发展起来的新概念的流场压力测量技术，与传统意义上的压力测量不同，它主要是利用了高分子聚合物的光致发光现象和“氧猝灭”效应来测量流场中物体表面所受气动压力。

光学压力敏感涂料是多种高分子聚合物的混合物，包括具有光致发光和氧猝灭特性的光敏分子、用于固定光敏分子的胶体溶液以及便于多种高分子均匀混合的溶剂。组成光学压力敏感涂料的高分子成份经混合后，以喷涂方式通过气压喷枪将添作料覆盖在被测物体表面，涂料层在大于室温并小于100℃的条件下完成溶剂物质挥发和固化并附着在物体表面。涂料层结构分为两层，底层为白色环氧树脂，主要是用来反射增强激发光和光敏分子所发荧光的强度；顶层则为含有光敏分子的光学压力敏感涂料。当有能够使光敏分子中的外层电子发生能级跃迁的激发光(可通过对光源进行滤波获得)对涂料层表面照射后，光敏分子跃迁至不稳定的高能级状态，在跃迁至基态过程中发出荧光。由于光敏分子还具有“氧猝灭”效应的功能，同时涂料胶体还具有溶解氧气分子并能承受氧分子渗透与扩散的特性，在空气动力的作用下，空气中的氧气分子不断渗透进入涂料层，并在涂料层中扩散，并在扩散过程中不断与高能态的光敏分子碰撞，将高能态的光敏分子能量转移到氧气分子上，使光敏分子能量下降，发光强度降低。物体涂层表面所受空气动力越强，即压力越大，氧气分子对高能态的受激光敏分子的“氧猝灭”效果也就越强。光学压力敏感涂料测量技术就是利用光敏分子受激发光及其发光强度在猝灭时光强与空气压力的特定的数值关系进行压力的定量测量。涂料层所发出光的强度与其所受压力的关系可由Stern-Volmer关系式得到，其关系如下：

$\frac{P}{P_{\mathrm{ref}}}=A+B\frac{I_{\mathrm{ref}}}{I}---\left(1\right)$

其中，I和P分别为涂料层光致发光强度和其所随的压力，下标ref表示参考状态，A与B为Stern-Volmer常数。这是通过参考状态下亮度图像与实验条件下压力图像的比运算，获得物体表面压力分布的测量方法，通常称之为基于光强的测量法。

光学压力敏感涂料测量技术既保持了传统压力测量方法的测量精度，同时又能够提供表面全域压力分布；虽然一次性投入较高，但测量系统的适用性和使用率较高，总体成本比传统测量方法低，并可进行测量数据的开发应用，日益显现出不可替代的优点。

光学压力敏感涂料测量系统的组成包括了激发光源、数字成像设备、光谱过滤装置、图像后处理组件以及涂料校准装置及压力控制组件。在测量过程中，需要测量涂料层不承受空气动力(参考状态)和承受空气动力(实验状态)两种条件下涂料层的光强亮度图像，以便进行图像后处理。

涂料的光强之比与所受压力之比间的数值关系通过涂料校准测量获得，根据Stern-Volmer关系式，在校准过程之中，各测量点涂料试件的压力值与光强亮度图像为已知量，分别通过光强亮度图像和各测量点压力的比运算，通过最小二乘拟合，获得Stern-Volmer常数A与B。

在获得实验测量及其参考状态下的涂料层光强亮度图像后，经一系列图像的预处理过程，在获得相应的光强之比图像的基础上，将经校准所得到的Stern-Volmer关系式代入未知的Stern-Volme关系式中，从而求解得出物体表面所承受的压力分布。

光学压力敏感涂料测量技术，实质上就是两次运用Stern-Volmer关系式，即第一次由已知的各测量点压力及其相应的光强亮度图像，得到Stern-Volmer常数；第二次在得到涂料层光强之比图像的基础上，将得到的Stern-Volmer常数再次代入Stern-Volmer关系式，从而得到物体表面的压力分布。

在这两次应用Stern-Volmer关系式进行涂料校准和实验测量的过程中，需要选择进行光强亮度图像比运算的基准压力值，一般情况下为便于操作和提高效率，选择当地大气压作为测量计算的基准压力值，并在涂料校准和实验测量时分别测量并记录。

在应用光学压力敏感涂料进行被测物体表面压力分布测量时，我们发现每天当地大气压值存在差异，有时会有很大的差值，甚至即使在同一天之内，当地大气压值也存在差异。而一般情况下，涂料校准与实验测量工作不可能在同一天进行，这样就会造成涂料校准的基准压力值与实验测量的基准压力值不一致情况，将会导致测量处理过程附加的人为误差，引起测量精度的下降。

同时，一般情况下，在确定基准压力值的条件下，涂料校准曲线以基准压力值点测量的涂料试件光强亮度图像为相应的基准图像。由于涉及光敏分子的光化学特性，不同基准压力值点处测量获得的涂料校准曲线变化趋势相同，但在坐标值上存在较大差异，且这种差异包含着诸如光源激发光波长及滤波、涂料层厚度、数字成像设备噪声等方面及其他不可控制因素的影响，目前还不能从机理上通过修正的方法准确获得其数学表达式。

因此，国外相关研究机构在应用光学压力敏感涂料进行压力测量过程中，通常率先进行涂料校准，并选择标准大气压力作为基准，然后开展实验测量。如此实施测量，存在着诸多限制，或者需要其他额外工作为基础，会影响实验测量工作的进程。

发明内容

为了克服现有技术精度不高、工作繁琐的不足，本发明提供了一种光学光学压力敏感涂料测量压力的精度提高方法，能够进一步提高应用光学压力敏感涂料测量压力的精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1.进行实验测量的预先设计与布置，保证光路的畅通，即要保证激发光源所发出的激发光照射到涂料涂层表面，与此同时数字成像设备可以获得涂层表面的荧光。同时要考虑模型的刚性和承受空气动力时形变情况。若发生形变，需要在图像处理中采取相应的解决方案。

2.对实验模型表面喷涂以光学压力敏感涂料，先在模型表面喷涂底漆，待底漆完全固化后，再喷涂以含有光敏分子的涂料，并置于大于室温且小于100℃的避光环境中使之完全固化；在对模型进行喷涂的同时，还需要在金属片上进行相同程序的涂料喷涂工作，并进行涂料的固化；待模型涂料层完全固化后，在涂料层表面区域内设置不小于16个的标记点。金属片的尺寸选取为35×35mm。

3.根据预先确定的实验方案，进行实验设置与准备，安装模型、摆放激发光源、数字成像设备等测量系统组件，并进行测量系统和实验设施的预运转，检查实验设施和测量系统的可靠性、光路设计、模型与光源和成像设备相对位置等项目。

4.实施实验测量，在设定的实验设施运转相对稳定的状态下，采集不少于20幅的模型荧光图像作为模型的压力图像，并控制实验中的环境温度小于60℃，在实验设施停止运转后，还需要采集实验后的实验设备停止运转的参考条件下模型的荧光图像，不少于20幅，并检查核对当时的当地大气压值。

5.实施涂料校准，以实验时的当地大气压力值作为校准的基准压力值，根据数值模拟的结果确定校准的最大、最小压力和压力间隔，按照由高至低或由低至高的顺序调节密封舱内部的压力值，采集一组相应压力条件下的涂料试件荧光图像，在校准中还应采集基准压力值处的涂料试件荧光图像，并以此为标准，进行荧光图像的比运算和平均运算，应用最小二乘法拟合并获得校准曲线。

6.对实验测量所获得的压力图像以参考图像为基准进行图像对准，采用图像匹配方法来校正模型因承受空气动力而导致的移动、旋转和变形，然后进行参考图像与压力图像的比运算，消除运算过程中产生的噪声，并应用涂料校准曲线进行荧光强度之比与压力值之比的转换，最终获得模型表面的压力分布。

若采用其他对比测量方法，还需要对测量的系统精度、不可控制因素等进行相应的分析，计算并检验测量的误差水平，以最终确定光学压力敏感涂料测量的有效性和可信程度。

本发明的有益效果是：由于采用本方法，从根本上消除了因当地大气压值随气象条件的变化所引起的基准误差，以西安地区为例，在三天之内，由于气候的变化，当地大气压值从95.4KPa变化至98.5KPa，绝对差值3.1KPa，变化量约为3.25％，而工程测量的误差精度应在5％以内，这就意味着在实验测量和涂料校准中需要控制测量误差在1.75％之内，而这是非常困难的。采用所述的测量压力的精度提高方法，可以从根本上消除和解决因当地大气压的变化引起的误差影响实验测量精度的问题。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是气流速度马赫数为0.3条件下应用本发明所获得的叶片吸力面压力分布图谱。

图2是气流速度马赫数为0.4条件下应用本发明所获得的叶片吸力面压力分布图谱。

图3是气流速度马赫数为0.3条件下应用本发明与传统的表面压力静态扫描装置同步测量结果的对比情况，其中，圆点表示光学压力敏感涂料测量技术的测量结果，方点则表示静态压力扫描装置同步测量的结果。

图4是气流速度马赫数为0.4条件下应用本发明与传统的表面压力静态扫描装置同步测量结果的对比情况。

具体实施方式

方法实施实例：应用光学压力敏感涂料对跨音速叶栅风洞出口处孤立直叶片吸力面的压力测量。

实验测量设备与设施分别由跨音速叶栅风洞、涂有国产光学压力敏感涂料的直叶片和光学压力敏感涂料测量系统组成。以压气机整流直叶片的吸力面作为测量压力表面，喷涂以国产荧光类光学压力敏感涂料作为压力传感器，该荧光涂料在0-60℃范围内的温度不敏感性较为理想，可视为温度不敏感的光学压力敏感涂料。将所选孤立叶片固定在跨音速叶栅风洞的出口处。

1.实验预先设计与布置。为保证激发光对涂料层表面的照射和方便数字成像设备获得涂料层的荧光图像，选择跨音速叶栅风洞出口处作为直叶片吸力面的实验测量部位，通过叶片以插入方式与基相联接，叶片基座由两个螺杆垂直固定在叶栅风洞出口处的厚度为20毫米的下导流板之上，叶片前缘与来流方向所成攻角约为20°。实验叶片吸力面有4×10的压力测压孔，每列4个测压孔与1个测压导管相通，10个测压导管从叶片顶端引出；叶片根部插入1个钢制底座，该底座在靠近叶片前缘处沿其高度开有裂缝，以方便叶片插入。实验测量时，由于叶片与其基座属于插入式固定，在承受空气动力时会叶片会围绕其后缘根部发生微小的旋转，但可以通过图像处理方式予以校正。

2.涂料的喷涂。通过气压喷枪对实验直叶片吸力面先进行底漆的喷涂，待24小时后，再进行荧光涂料的喷涂，在喷涂的同时，还对尺寸为35×35mm的铝合金金属片进行了同步喷涂，以方便进行涂料校准。然后实验叶片及涂料试件均置于黑暗环境下进行固化，固化温度应大于室温且小于100℃。由于实验叶片吸力面开设了40个测压孔，以此作为标记点，略去了设置标记点的过程。

3.实验测量的准备。完成实验叶片在叶栅出口处下导流板的固定，并将激发光源和数字成像设备摆放设置于叶栅风洞的同侧，调整光源和数字成像设备与实验叶片的相对位置，保证激发光可完全覆盖实验叶片吸力面涂层，且数字成像设备所成图像可覆盖验叶片吸力面。为确定叶栅风洞出口处的气流速度与叶栅风洞传统实验段测量结果的关系，安装了皮托管，并进行了叶栅风洞的试运转以获得这两个实验部位气流马赫数的对应关系，经反复试验发现，当风洞传统实验段气流马赫数为0.7和0.6时，风洞出口处气流速度分别为0.4和0.3马赫。拆下皮托管，通过叶栅风洞的测量控制设备调节其出口处气流速度。

4.实验测量。在实验设施运转前和停止运转后，分别采集50幅荧光图像作为运转前后的参考图像。在实验设施运转相对稳定的条件下，采集50幅荧光图像作为压力图像。由于国产荧光涂料的适应温度范围应小于60℃，而叶栅风洞在一定量储气罐压缩空气后，风洞的空气压缩设备自动启动，这样会引起风洞出口处环境温度的升高，因此应在风洞空气压缩设备自动启动前完成实验测量，大约需要2分钟。每启动一次，完成一个实验状态下的测量，每次实验测量还通过实验叶片吸力面测压孔应用静态压力扫描装置进行同步测量，并记录测量结果。在实验设施运转之前，还需要记录当地大气压力值，以此作为涂料校准的基准压力。

5.涂料校准，以实验时的当地大气压力值作为校准的基准压力值，根据数值模拟的结果预先确定涂料校准的最大、最小压力并设置压力递增量，按照由高至低或由低至高的顺序调节密封舱内部的压力值，每个压力值点采集不少于20幅的涂料试件荧光图像，采集应包括基准压力值处的涂料试件荧光图像，并以此为标准，进行荧光图像的比运算和平均运算，应用最小二乘法拟合并得到校准曲线。

6.图像后处理。对照检查实验测量所获得的压力图像和实验前后的采集的参考图像中实验叶片位置的对应关系，进行以参考图像为基准进行图像对准，即采用图像匹配方法来校正模型因承受空气动力而导致的移动、旋转和变形。然后进行参考图像与压力图像的比运算，并消除比运算过程中产生的噪声。应用涂料校准曲线完成荧光强度之比与压力值之比的数值转换，最终获得模型表面的压力分布。

对应查找传统静态压力扫描装置的测量结果，并提取相应测压孔附近的光学压力敏感涂料测量结果，进行对比分析，分析计算两者之间的误差，确定其误差水平。此次实验测量，由表1和表2可以发现，两种测量技术的最大误差存在于0.3马赫条件下，小于4.5％；而在马赫数为0.4条件下，最大相对误差小于5％，均在工程允许的程度之内。

表1.当地大气压95.4KPa和0.3M条件下光学压力敏感涂料测量与传统的静压测量的数据对比

表2.当地大气压95.4KPa和0.4M条件下光学压力敏感涂料测量与传统的静压测量的数据对比

实验测量的实例说明：采用本发明方法，光学压力敏感涂料测量技术能够从根本上消除当地大气压力值的波动引起的误差，可以在不计涂料温度效应的前提下提供工程上可接受的测量结果。

Claims (1)

1、光学压力敏感涂料测量压力的精度提高方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)进行实验测量的预先设计与布置，保证光路的畅通，即要保证激发光源所发出的激发光照射到涂料涂层表面，与此同时数字成像设备可以获得涂层表面的荧光；同时要考虑模型的刚性和承受空气动力时形变情况，若发生形变，需要在图像处理中采取相应的解决方案；

(b)对实验模型表面喷涂以光学压力敏感涂料，先在模型表面喷涂底漆，待底漆完全固化后，再喷涂以含有光敏分子的涂料，并置于大于室温且小于100℃的避光环境中使之完全固化；在对模型进行喷涂的同时，还需要在金属片上进行相同程序的涂料喷涂工作，并进行涂料的固化；待模型涂料层完全固化后，在涂料层表面区域内设置不小于16个的标记点；

(c)根据预先确定的实验方案，进行实验设置与准备，安装模型、摆放激发光源、数字成像设备等测量系统组件，并进行测量系统和实验设施的预运转，检查实验设施和测量系统的可靠性、光路设计、模型与光源和成像设备相对位置等项目；

(d)实施实验测量，在设定的实验设施运转相对稳定的状态下，采集不少于20幅的模型荧光图像作为模型的压力图像，并控制实验中的环境温度小于60℃，在实验设施停止运转后，还需要采集实验后的实验设备停止运转的参考条件下模型的荧光图像，不少于20幅，并检查核对当时的当地大气压值；

(e)实施涂料校准，以实验时的当地大气压力值作为校准的基准压力值，根据数值模拟的结果确定校准的最大、最小压力和压力间隔，按照由高至低或由低至高的顺序调节密封舱内部的压力值，采集一组相应压力条件下的涂料试件荧光图像，在校准中还应采集基准压力值处的涂料试件荧光图像，并以此为标准，进行荧光图像的比运算和平均运算，应用最小二乘法拟合并获得校准曲线；

(f)对实验测量所获得的压力图像以参考图像为基准进行图像对准，采用图像匹配方法来校正模型因承受空气动力而导致的移动、旋转和变形，然后进行参考图像与压力图像的比运算，消除运算过程中产生的噪声，并应用涂料校准曲线进行荧光强度之比与压力值之比的转换，最终获得模型表面的压力分布。

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