CN107702878A - 一种基于aao模板的柔性快响应psp测试装置、方法与应用 - Google Patents

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陈佳伟
郭仲秋
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Abstract

本发明涉及一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置、方法与应用，测试装置包括均匀贴附在待测模型上表面的AAO模板、附着在AAO模板上的压力敏感涂料、激光光源以及光学信号处理单元，测试时，将待测模型放置在待测流场中，激光光源照射AAO模板，所述光学信号处理单元收集并处理发射光，用于测量各种待测流场中的各种待测模型的全域压力分布。与现有技术相比，本发明成功解决了其他基底透光线性差的问题，同时由于此项测试技术带有的柔性特点，使其容易适应各种形状的待测模型，对于透明模型还可以实现多方向信号采集，大大提高了测量效率与测量精度。

Description

一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置、方法与应用
技术领域
本发明涉及气动力学及流体力学测试技术领域，具体涉及一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置、方法与应用。
背景技术
光学压敏涂料(PSP)技术始于20世纪80年代，是一项将高分子化学、光学、空气动力学等多个学科的最新研究成果相结合的技术。其基本原理是利用某种高分子化合物在特定波长光的照射下发生量子能量跃迁的“光致发光”效应和返回基态的氧猝灭现象，从而建立起光强和流场压力的对应关系，通过相机和计算机处理，实现表面连续压力场的无侵入式定量测量。
目前，稳态PSP测量技术已经在国内外有了广泛应用，大量的研究结果已充分展示了PSP技术在稳态流场全场压力测量的优势。然而随着空气动力学的迅速发展，气动部件的结构及流场更加复杂，流场的时变特性越发突出，因此有关PSP的动态测量技术成为了热点关注方向，尤其是关于快响应PSP技术的研究。
现有的快响应PSP技术主要是基于多孔基质的压敏涂料，根据多孔基质不同主要分为三种，分别为薄层色谱版压敏涂料(TLC-PSP)，阳极氧化铝压敏涂料(AA-PSP)以及聚合物陶瓷压敏涂料(PC-PSP)。但无论是哪一种测量方法，都有其共性的缺陷，主要体现在两个方面。一是在风洞测量中，现有方法都需要一个光学观察窗口以发射光和接受返回的光，这种光学观察窗口的存在会对整个风洞的流场造成影响。二是现有的发射光基本是点光源阵列的形式，这种光源发射的光会使得在不同距离的接收点接收到的光强可能不同，这就打破了流场压力和返回光强的对应关系。目前为了解决以上两个问题，已经依据传统快响应PSP技术衍生出来一些柔性PSP技术，但其压敏涂料所使用的PC基底的透光性差，导致测量信号强度较差，无法很好地投入使用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作方便、测试结果准确的基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置、方法与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置，该测试装置包括均匀贴附在待测模型上表面的AAO模板、附着在AAO模板上的压力敏感涂料、激光光源以及光学信号处理单元，测试时，将待测模型放置在待测流场中，所述激光光源照射AAO模板，所述光学信号处理单元收集并处理发射光。
在工作状态下，将待测模型置于一定的待测流场中，如风洞，利用激光光源发出激发光，由于AAO模板是一种双通可透光结构，因此激发光可通过AAO模板照射于附着在模板上的压力敏感涂料上使之激发，流场压力的不同导致氧浓度不同，使得不同压力位置的压力敏感涂料发生不同程度的氧猝灭，返回的光强不同，与压力形成对应关系，从而通过光学信号处理单元即可得到整个流场的压力分布。
所述的光学信号处理单元包括用于收集发射光的滤光镜、位于滤光镜后方的高速CCD相机以及与高速CCD相机相连的计算机图像处理器。
所述滤光镜为500～700nm长波通滤光镜，可以有效排除其他波长光线对观测的影响。
所述压力敏感涂料中包括含有Ru(dpp)3化合物的探针分子。
所述AAO模板的孔间距为50～500nm，孔径为20～400nm，厚度为1～100μm。AAO(Anodic Aluminum Oxide)模板，中文名多孔阳极氧化铝模板，是一种双通结构的纳米模板，它们的厚度仅为几十到几百纳米，广泛应用于纳米点阵列、纳米线阵列等的制备以及衬底表面图案化处理等。其孔径比较均匀，控排列短程有序，氧化铝的材质使其在可见光波段是透明的且是电绝缘的。超薄的AAO膜具有良好的柔性，可以适应各种形变。AAO膜主要利用阳极二次氧化制备获得。其独特优势在于可以轻易获得平方厘米范围内，低至纳米级(小于500nm)的微观结构，且成本低廉。过厚的AAO模板的柔性较差，难以适应各种形变，而太薄的AAO模板只能容纳较少的探针分子。厚度为1-100μm左右的AAO模板，同时兼顾了较为良好的柔性和较大的探针分子容量，在保证了与AAO模板与待测模型良好的贴合性质同时保证了较好的信号强度。
含有Ru(dpp)3化合物的探针分子在AAO模板上具有较好的吸附能力与较高的压力敏感性，可获得较高的压力测量精度。其受激发产生的发射光光谱在500-700nm之间，在信号采集过程中需使用与该范围相匹配的滤光镜，从而排除激发光的干扰。
一种采用如上所述基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置的测试方法，包括以下几个步骤：
(1)将AAO模板浸渍在压力敏感涂料中，通过提拉使压力敏感涂料附着在AAO模板表面；
(2)对待测模型进行预处理，然后将附着压力敏感涂料的AAO模板贴合在待测模型上表面，然后放置在待测流场中；
(3)开启激光光源，照射AAO模板使Ru(dpp)3探针分子被激发直至整个系统稳定；
(4)使用与计算机图像处理器相连的高速CCD相机通过滤光镜进行拍摄，通过计算机的后处理即可得全流场的压力分布情况。
步骤(1)所述提拉通过提拉镀膜机完成，将AAO模板浸入压力敏感涂料中，1min后提拉出来使溶剂挥发，然后重复浸入及提拉，持续30～60min。
所述压力敏感涂料包括二氯甲烷溶剂以及溶于其中的含有Ru(dpp)3化合物的探针分子，所述压力敏感涂料中Ru(dpp)3探针分子的质量浓度为0.1～10mg/mL。
由于AAO模板为多孔材料，浸渍在染料中时，溶剂会充满纳米孔中，待此部分的溶剂中的涂料分子附着好后，将AAO模板提出使溶剂挥发后，再次浸入可以使更多的染料溶液进入孔内，有效提高染色效率。
步骤(2)所述预处理为将待测模型置于30％的过氧化氢溶液和30％的磷酸溶液的等比例混合液中，浸泡处理1小时。对待测模型进行亲水预处理，可以有效提高AAO模板与待测模型的贴合能力，使得整个测试系统在流场中更稳定。
一种采用如上所述基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置的应用，其特征在于，该装置用于测量不同流场环境下的不同形状的待测模型下的全场压力分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)AAO模板具有良好的柔性，对于各种形变都可以有效适应，因此其容易适应各种形状的待测模型，每次测量前只需将处理好的AAO模板贴于待测模型上即可，方便了科研测试人员的操作；
(2)采用AAO模板来代替常用的PC作为PSP的基底，由于AAO模板良好的双通特性，使得PC的不透光性不再对这项技术的发展带来困扰，同时AAO模板中的纳米通道给PSP分子提供了良好的附着位点；
(3)由于AAO模板具有双通特性，因此从膜两侧的任意方向发射的光线都可透过，因此对于透明模型来说，研究人员可以从多个方向进行信号采集，可以更有效率地进行测量。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图；
图2为本发明待测模型的局部放大示意图；
图3为AAO模板SEM微观结构示意图。
其中，1为待测流场，2为待测模型，3为AAO模板，4为发射光，5为滤光镜，6为高速CCD相机，7为计算机图像处理器，8为激光光源，9为探针分子。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置，其结构如图1、图2所示，该测试装置包括均匀贴附在待测模型上表面的AAO模板3、附着在AAO模板3上的探针分子9、激光光源8、滤光镜5、位于滤光镜5后方的高速CCD相机6以及与高速CCD相机6相连的计算机图像处理器7，其中，待测模型的结构示意图如图2所示，测试时，将待测模型2放置在待测流场1中，激光光源8发出的激光照射AAO模板5，发射光4被滤光镜5收集并被高速CCD相机6拍摄，最后送入计算机图像处理器7中处理。
其中，滤光镜5为515nm长波通滤光镜，探针分子9为Ru。
AAO模板3的SEM微观结构如图3所示，其孔间距为125nm，孔径为80nm，厚度为20μm。
本实施例中，待测流场为小型风洞，可使用型材及有机亚克力板搭建而成，主题形状为中空长方体。待测模型为小型飞机模型，待测模型通过支架固定在待测流场中，本例中待测模型选用常见的小型飞机模型。流场为沿风洞的恒定速度的空气流，流速设定为15m/s。
本实施例柔性PSP测试系统在工作状态下，先将贴合好的待测模型利用支架固定于待测风洞中，启动风机产生恒定流速的空气流，即产生了待测流场。在流场中的待测模型各部位的压力会产生差异，会形成一定的压力场。在启动激光光源发出激光后，AAO模板中的探针分子会受到激发，由于不同位置的空气压力不同导致氧浓度不同，探针分子会发生不同程度的氧猝灭，从而发射出不同的发射光。通过滤光镜滤过干扰光之后，进入高速CCD相机被拍摄下来，最后通过计算机图像处理器即可得到全场压力分布图像，测试完成。
基于AAO模板的柔性快响应的测试方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)将待测模型(模型飞机)通过支架固定在待测流场(风洞)中；
(2)连接好高速CCD相机和计算机图像处理器，将滤光镜置于CCD相机前的合适位置，并开启高速CCD相机和计算机图像处理器，进行采集测试，测试完成后可将系统处于待机状态；
(3)开启风机(或使用其他的启动流速的方式)，在待测流场(风洞)中产生恒定于设定流速的空气流，使得待测模型各部位的压力不同；
(4)开启激光光源，发出激光激发探针分子使之跃迁，由于压力不同各部位的探针分子发生不同程度的氧猝灭，发射出不同的发射光；
(5)发射光通过滤光镜排除干扰光后进入高速CCD相机，最后传入计算机图像处理器；
(6)经计算机图像处理器处理后，即可得到全场的压力分布图像，测试完成。
本实施例温度测量系统可用于测量各种不同流场环境下的各种形状的待测模型下的全场压力分布。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置，其特征在于，该测试装置包括均匀贴附在待测模型上表面的AAO模板、附着在AAO模板上的压力敏感涂料、激光光源以及光学信号处理单元，测试时，将待测模型放置在待测流场中，所述激光光源照射AAO模板，所述光学信号处理单元收集并处理发射光。
2.根据权利要求1所述的一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置，其特征在于，所述的光学信号处理单元包括用于收集发射光的滤光镜、位于滤光镜后方的高速CCD相机以及与高速CCD相机相连的计算机图像处理器。
3.根据权利要求2所述的一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置，其特征在于，所述滤光镜为500～700nm长波通滤光镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置，其特征在于，所述压力敏感涂料中包括含有Ru(dpp)3化合物的探针分子。
5.根据权利要求1所述的一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置，其特征在于，所述AAO模板的孔间距为50～500nm，孔径为20～400nm，厚度为1～100μm。
6.一种采用如权利要求1～5任一所述基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)将AAO模板浸渍在压力敏感涂料中，通过提拉使压力敏感涂料附着在AAO模板表面；
(2)对待测模型进行预处理，然后将附着压力敏感涂料的AAO模板贴合在待测模型上表面，然后放置在待测流场中；
(3)开启激光光源，照射AAO模板使Ru(dpp)3探针分子被激发直至整个系统稳定；
(4)使用与计算机图像处理器相连的高速CCD相机通过滤光镜进行拍摄，通过计算机的后处理即可得全流场的压力分布情况。
7.根据权利要求6所述的一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试方法，其特征在于，步骤(1)所述提拉通过提拉镀膜机完成，将AAO模板浸入压力敏感涂料中，1min后提拉出来使溶剂挥发，然后重复浸入及提拉，持续30～60min。
8.根据权利要求7所述的一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试方法，其特征在于，所述压力敏感涂料包括二氯甲烷溶剂以及溶于其中的含有Ru(dpp)3化合物的探针分子，所述压力敏感涂料中dpp探针分子的质量浓度为0.1～10mg/mL。
9.根据权利要求6所述的一种基于AAO模板的柔性快响应PSP测试方法，其特征在于，步骤(2)所述预处理为将待测模型置于30％的过氧化氢溶液和30％的磷酸溶液的等比例混合液中，浸泡处理1小时。
10.一种采用如权利要求1～5任一所述基于AAO模板的柔性快响应PSP测试装置的应用，其特征在于，该装置用于测量不同流场环境下的不同形状的待测模型下的全场压力分布。
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