CN106501227B - 基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法，采用的系统包括脉冲激发光源，采集相机，同步控制器、计算机、凹透镜和滤光片，本方法使用脉冲光源激发涂料，使用采集相机迅速曝光两次，采集荧光光强信息。采用二次作比的方法进行数据处理，降低了目标存在形变时实验图像与参考图像进行配准带来的误差。可以使用PIV用绿激光器进行激发，使用高能量脉冲光源可以大幅缩短曝光时间，减弱运动模糊现象。该系统可以被应用于旋转部件PSP/TSP测量实验。

Description

基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法。

背景技术

压力敏感涂料测压技术是一种具有广阔发展前景的非接触式光学测压技术，其具有对流场干扰小，高空间分辨率等特点，在国外被广泛应用于各种风洞测压实验当中。而其无须对模型进行额外改装的先天优势，使得其成为以压气机为代表的旋转件实验环境上的最有潜力的测压技术之一。

传统的PSP测量技术大多基于荧光光强，即单纯地检测涂料光强值，构建该值与本地压力之间的关系，该方法有着一定的局限：首先，光强法要求激发光源尽量恒定(或者每两次实验之间激发光源工作状态严格可重复)，光照均匀。满足以上要求的有LED灯等优秀的设备。然而受现有设备限制，常规LED很难达到很高的光功率，这就使得相机曝光时间必须较长。如果直接将光强法应用于旋转件实验，则会导致严重的运动模糊。另一方面，如果风洞实验中模型存在形变，则光强法的参考图像和实验图像存在一定的偏移，需要进行图像配准。而变形导致的涂料本地光强变化，很难通过配准算法进行修正。

因而，为了突破光强法测量系统的局限性，寿命法测量系统被提出并成功应用。

发明内容

为了突破光强法测量系统的局限性，本发明提供一种基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法。

本发明所采用的技术如下：一种基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法，采用的系统包括脉冲激发光源，采集相机，同步控制器、计算机、凹透镜和滤光片，

试验前进行飞行器压力敏感涂料喷涂，随后固定安装脉冲激发光源及采集相机，凹透镜置于脉冲激发光源前用于扩束，滤光片置于采集相机前，脉冲激发光源和采集相机与同步控制器相连，采集相机和计算机相连接，调节整个系统，保证采集相机输出图像符合预期，用同步控制器提供稳定的可调延迟的触发信号；

试验过程中，令同步控制器先对脉冲激发光源进行触发，在脉冲结束后，触发采集相机，采集相机迅速曝光两次，完成采集，得到两张包含荧光信息的图像，该图像需要按相同设定在无风状态下采集；计算机并记录此刻模型表面静压和温度，采集相机A帧落在涂料荧光光强上升区域，包含本地光照信息和涂料厚度信息；B帧落在涂料荧光衰减段，包含实验时模型表面静压的压力信息，

采用的公式如下：

Ref为无风参考图像，为ref_A和ref_B两帧；exp为有风状态图像，为exp_A和exp_B两帧；ρ为实验时模型表面静压，为被测值；ρ_o、T₀分别为无风状态纪录的模型表面静压和温度，T为实验时被测模型表面温度；

获得至少8个测压点和5个测温点下的涂料亮度数值，要求标定测试系统与实验测试系统完全一致，故实际获得的是AB两帧亮度在不同温度、压力下的数值，记作calib_A和calib_B，按照下述关系式计算全部点Ir值，为至少8×5的矩阵，记为Ir_ρ,T，

根据实验测试时无风参考时的T₀和ρ₀对Ir矩阵进行二次求比：

其中由Ir_ρ,T使用二维插值算法得到，具体算法使用双样条函数，随后计算实验图像，各像素点Irr值：

基于经验、实际测量给出实验测试时温度T_exp，压力敏感涂料的压力灵敏度优于温度灵敏度，且常规风洞测试，地面测试温度预知，基于T_exp对Irr_ρ,T进行二维插值，获得Irr(ρ)|T＝T_exp，即获得标定测试时，在T_exp状态下，Irr随压力ρ的变化关系，

最后基于Irr(ρ)|T＝T_exp及Irr_exp一维插值得到测试点压力值ρ_exp，算法为样条插值，算法成立条件为：Irr随ρ严格单调，另外ρ_exp、T_exp不得超出标定测试压力温度涵盖范围，否则会导致外插值，该点由标定测试时状态选择保证，使用计算机对整张图像进行上述矩阵运算后，获得表面全场压力分布。

本发明能够抑制旋转件测压试验中的运动模糊现象；实验过程中相机双帧自相关，一次作比后可以消除绝大部分光强不均涂料不均等带来的影响，提高二次作比前的数据精度。采用二次作比的方法进行数据处理，降低了目标存在形变时实验图像与参考图像进行配准带来的误差。该系统可以被应用于旋转部件PSP/TSP测量实验。

附图说明

图1是荧光光强寿命法原理图；

图2是荧光光强寿命法测量系统的工作时序图；

图3是荧光光强寿命法测量系统的一种系统搭建方式。

具体实施方式

下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：

实施例1

如图1-3所示，一种基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法，采用的系统包括脉冲激发光源2，采集相机3，同步控制器4、计算机5、凹透镜6和滤光片7，

试验前进行飞行器压力敏感涂料1喷涂，随后固定安装脉冲激发光源及采集相机，凹透镜6置于脉冲激发光源2前用于扩束，滤光片7置于采集相机3前，脉冲激发光源2和采集相机3与同步控制器4相连，采集相机3和计算机5相连接，调节整个系统，保证采集相机3输出图像符合预期，用同步控制器4提供稳定的可调延迟的触发信号；脉冲激发光源2使用PIV用绿激光器进行激发，使用高能量脉冲光源可以大幅缩短曝光时间，减弱运动模糊现象。

试验过程中，令同步控制器先对脉冲激发光源进行触发，在脉冲结束后，触发采集相机，采集相机迅速曝光两次，完成采集，得到两张包含荧光信息的图像，该图像需要按相同设定在无风状态下采集；计算机并记录此刻模型表面静压和温度，采集相机A帧在涂料荧光光强上升区域，包含本地光照信息和涂料厚度信息；B帧落在涂料荧光衰减段，包含实验时模型表面静压的压力信息，

采用的公式如下：

Ref为无风参考图像，为ref_A和ref_B两帧；exp为有风状态图像，为exp_A和exp_B两帧；ρ为实验时模型表面静压，为被测值；ρ_o、T₀分别为无风状态纪录的模型表面静压和温度，T为实验时被测模型表面温度；

获得至少8个测压点和5个测温点下的涂料亮度数值，要求标定测试系统与实验测试系统完全一致，故实际获得的是AB两帧亮度在不同温度、压力下的数值，记作calib_A和calib_B，按照下述关系式计算全部点Ir值，为至少8×5的矩阵，记为Ir_ρ,T，

根据实验测试时无风参考时的T₀和ρ₀对Ir矩阵进行二次求比：

其中由Ir_ρ,T使用二维插值算法得到，具体算法使用双样条函数，随后计算实验图像，各像素点Irr值：

基于经验、实际测量给出实验测试时温度T_exp，压力敏感涂料的压力灵敏度优于温度灵敏度，且常规风洞测试，地面测试温度预知，基于T_exp对Irr_ρ,T进行二维插值，获得Irr(ρ)|T＝T_exp，即获得标定测试时，在T_exp状态下，Irr随压力ρ的变化关系，

最后基于Irr(ρ)|T＝T_exp及Irr_exp一维插值得到测试点压力值ρ_exp，算法为样条插值，算法成立条件为：Irr随ρ严格单调，另外ρ_exp、T_exp不得超出标定测试压力温度涵盖范围，否则会导致外插值，该点由标定测试时状态选择保证，使用计算机对整张图像进行上述矩阵运算后，获得表面全场压力分布。

Claims (1)

1.一种基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法，采用的系统包括脉冲激发光源，采集相机，同步控制器、计算机、凹透镜和滤光片，

试验前进行飞行器压力敏感涂料喷涂，随后固定安装脉冲激发光源及采集相机，凹透镜置于脉冲激发光源前用于扩束，滤光片置于采集相机前，脉冲激发光源和采集相机与同步控制器相连，采集相机和计算机相连接，调节整个系统，保证采集相机输出图像符合预期，用同步控制器提供稳定的可调延迟的触发信号；其特征在于，方法如下：

试验过程中，令同步控制器先对脉冲激发光源进行触发，在脉冲结束后，触发采集相机，采集相机迅速曝光两次，完成采集，得到两张包含荧光信息的图像，该图像需要按相同设定在无风状态下采集；计算机并记录此刻模型表面静压和温度，采集相机A帧落在涂料荧光光强上升区域，包含本地光照信息和涂料厚度信息；B帧落在涂料荧光衰减段，包含实验时模型表面静压的压力信息，

采用的公式如下：

Ref为无风参考图像，为ref_A和ref_B两帧；exp为有风状态图像，为exp_A和exp_B两帧；ρ为实验时模型表面静压，为被测值；ρ_o、T₀分别为无风状态纪录的模型表面静压和温度，T为实验时被测模型表面温度；

获得至少8个测压点和5个测温点下的涂料亮度数值，要求标定测试系统与实验测试系统完全一致，故实际获得的是AB两帧亮度在不同温度、压力下的数值，记作calib_A和calib_B，按照下述关系式计算全部点Ir值，为至少8×5的矩阵，记为Ir_ρ,T，

根据实验测试时无风参考时的T₀和ρ₀对Ir矩阵进行二次求比：

其中由Ir_ρ,T使用二维插值算法得到，具体算法使用双样条函数，随后计算实验图像，各像素点Irr值：

基于经验、实际测量给出实验测试时温度T_exp，压力敏感涂料的压力灵敏度优于温度灵敏度，且常规风洞测试，地面测试温度预知，基于T_exp对Irr_ρ,_T进行二维插值，获得Irr(ρ)|T＝T_exp，即获得标定测试时，在T_exp状态下，Irr随压力ρ的变化关系，

最后基于Irr(ρ)|T＝T_exp及Irr_exp一维插值得到测试点压力值ρ_exp，算法为样条插值，算法成立条件为：Irr随ρ严格单调，另外ρ_exp、T_exp不得超出标定测试压力温度涵盖范围，否则会导致外插值，该点由标定测试时状态选择保证，使用计算机对整张图像进行上述矩阵运算后，获得表面全场压力分布。