CN112304491A - 基于ccd相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置 - Google Patents

基于ccd相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，包括：声学驻波管、底盖、光学视窗、声源、功率放大器、CCD相机、镜头、滤光片、LED频闪激发光源、信号发生器、动态压力传感器、直流供电电源、信号放大器、数据采集箱、光学压敏涂料校准片和计算机。本发明具有以下优点：1)能够采用基于CCD相机长曝光光源频闪方法对100kHz以下的各个波段进行光学压敏动态校准，校准精度高；2)可以连续性进行动态校准实验；尤其是，本发明通过两个脉冲信号发生单元，即可实现对LED频闪激发光源和CCD相机的控制；3)该压敏涂料压力校准装置具有结构简单、便于加工、抗干扰能力强、实验成本低的优点。

Description

基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置
技术领域
本发明属于压敏涂料压力校准技术领域，具体涉及一种基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置。
背景技术
基于计算机视觉与图像处理技术的光学压敏涂料测压技术(Pressure SensitivePaint，PSP)，是非接触式流动显示技术的重要突破。光学压敏测压技术的基本原理为：将压力敏感涂料均匀覆盖于被测模型表面，压力敏感涂料由光敏分子和可以透氧的基质组成。在受到特定波长的光激发时，涂料中的光敏分子由原本稳定的基态获得能量而跃迁到高能级的激发态。处于不稳定激发态的光敏分子，受到被测量表面扩散进来的氧分子碰撞，失去激发态的能量而失活回到基态，这种过程并不产生辐射光，从而导致发光强度降低，形成“氧猝灭”现象。氧分子浓度越大，即：在大气中可视为压力越大，氧的猝灭效应越强，涂料在一定光光照下发出的光就越暗。因此，在光照射下，压力敏感涂料的发光强度即可反映被测模型表面所受的压力值。在光照射下拍摄被测模型表面的图像照片，通过对图像照片进行分析，可得到被测模型表面的压力分布。
现有技术中，光学压敏涂料测压技术主要存在以下问题：
随着快速响应光学压敏涂料(Fast PSP)的发展，涂料的响应时间逐渐缩短，能够用于高频波动压力流场的测量。然而，被测压力流场频率增高的同时，要求相机的曝光时间缩短才能满足高频压力流场测量的需求。而当相机的曝光时间缩短时，会直接导致相机进光量的减少，从而导致相机拍摄得到的荧光图像的信噪比较低，降低了对压敏涂料压力校准的准确性，从而不利于得到高分辨率的压力测量结果。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，包括：声学驻波管(1)、底盖(2)、光学视窗(3)、声源(4)、功率放大器(5)、CCD相机(6)、镜头(7)、滤光片(8)、LED频闪激发光源(9)、信号发生器(10)、动态压力传感器(11)、直流供电电源(12)、信号放大器(13)、数据采集箱(14)、光学压敏涂料校准片(15)和计算机(16)；
其中，所述声学驻波管(1)一端的底盖(2)内侧固定安装所述光学压敏涂料校准片(15)；所述光学压敏涂料校准片(15)所在截面固定安装所述动态压力传感器(11)；所述动态压力传感器(11)通过所述直流供电电源(12)供电；所述动态压力传感器(11)的电压信号输出端通过所述信号放大器(13)和所述数据采集箱(14)后，连接到所述计算机(16)的输入端；
所述声学驻波管(1)靠近所述底盖(2)的一侧对称开槽，所述声学驻波管(1)的两侧对称各安装一块所述光学视窗(3)；
所述声学驻波管(1)另一端固定安装所述声源(4)，正对所述光学压敏涂料校准片(15)；
所述信号发生器(10)的第1通道通过所述功率放大器(5)，连接到所述声源(4)；
所述信号发生器(10)的第2通道与所述CCD相机(6)的外触发端连接；所述CCD相机(6)的输出端与所述计算机(16)连接；其中，所述CCD相机(6)的前端固定所述镜头(7)；所述镜头(7)的前端固定所述滤光片(8)；
所述信号发生器(10)的第3通道与所述LED频闪激发光源(9)的外触发端连接；
所述CCD相机(6)和所述LED频闪激发光源(9)分别置于所述声学驻波管(1)的两侧，经对应的光学视窗对准所述光学压敏涂料校准片(15)；
所述信号发生器(10)包括：正弦电信号发生单元、第1脉冲信号发生单元、第2脉冲信号发生单元、计时器和主控单元；
所述主控单元分别与所述计时器、所述正弦电信号发生单元和所述第2脉冲信号发生单元的外触发端连接；所述第2脉冲信号发生单元的输出端分别与所述第1脉冲信号发生单元的外触发端和所述CCD相机(6)的外触发端连接；所述第1脉冲信号发生单元的输出端和所述LED频闪激发光源(9)的外触发端连接；
其中，所述正弦电信号发生单元，用于在所述主控单元的控制下，连续输出周期为T的正弦电信号，该正弦电信号传递到所述功率放大器(5)，经功率放大器(5)放大后，传输给所述声源(4)，从而控制所述声源(4)发出周期为T的正弦声波；该正弦声波经声学驻波管(1)作用后，从而使光学压敏涂料校准片(15)表面受到稳定的周期为T的正弦压力驻波；
所述第1脉冲信号发生单元与所述LED频闪激发光源(9)的外触发端连接，所述第1脉冲信号发生单元用于输出第1方波脉冲信号，第1方波脉冲信号的周期为T，脉冲宽度为T/m，每次被外触发后输出的脉冲数量为n，其中，m为一个周期的正弦压力驻波平均被划分形成的相位数量；n为同一相位下激光光源频闪次数；每当第1脉冲信号发生单元被进行一次外触发时，可控制LED频闪激发光源(9)按照周期T、单次频闪发光时间T/m进行n次频闪发光；
所述第2脉冲信号发生单元分别与所述CCD相机(6)的外触发端和所述第1脉冲信号发生单元的外触发端连接，用于向所述CCD相机(6)和所述第1脉冲信号发生单元提供同样的外触发信号；其中，所述第2脉冲信号发生单元用于输出第2方波脉冲信号，第2方波脉冲信号的周期为(n+1)T+T/m，脉冲宽度为nT+T/m+Δt相，输出的脉冲数量为m；其中，Δt相为CCD相机延时曝光时间，Δt相＜T；
所述主控单元用于：根据计时器的计时结果，确定当前正弦压力驻波的相位，一个周期的正弦压力驻波平均被划分为m个相位，依次表示为相位
Figure BDA0002750596890000041
，相位
Figure BDA0002750596890000042
，...，相位
Figure BDA0002750596890000044
，对于当前的相位，所述主控单元向第2脉冲信号发生单元发送触发启动信号；
具体实现过程为：
1)主控单元根据计时器的计时结果，假设检测到当前正弦压力驻波的相位为相位
Figure BDA0002750596890000043
主控单元向第2脉冲信号发生单元发送外触发启动信号；
2)第2脉冲信号发生单元启动后，输出m个脉冲方波，脉冲方波的周期为(n+1)T+T/m，脉冲宽度为nT+T/m+Δt相，m个脉冲方波同时传输给CCD相机(6)和第1脉冲信号发生单元；
对于第2脉冲信号发生单元输出的m个脉冲方波，分别表示为：第A1个脉冲方波，第A2个脉冲方波,...,第Am个脉冲方波；
2.1)第A1个脉冲方波的上升沿作为CCD相机(6)的外触发信号，控制CCD相机(6)打开开始曝光，当CCD相机(6)曝光时间达到第A1个脉冲方波的脉冲宽度nT+T/m+Δt相时，第A1个脉冲方波的下降沿控制CCD相机(6)结束曝光，此时CCD相机(6)输出一幅图像Q1；
在第A1个脉冲方波控制CCD相机(6)持续曝光时间nT+T/m+Δt相的过程中，发生以下过程：
第A1个脉冲方波的上升沿同时作为第1脉冲信号发生单元的外触发信号，控制第1脉冲信号发生单元打开，第1脉冲信号发生单元打开后，输出n个脉冲宽度为T/m、周期为T的脉冲方波，分别表示为：第B1个脉冲方波，第B2个脉冲方波,...,第Bn个脉冲方波，因此，在CCD相机(6)持续曝光的过程中，第1脉冲信号发生单元输出的n个脉冲方波控制LED频闪激发光源(9)按照周期T、单次频闪发光时间T/m进行n次频闪发光，由于第1脉冲信号发生单元输出的脉冲方波的周期T与正弦压力驻波的周期T相同，因此，LED频闪激发光源(9)进行n次频闪发光时，每次频闪发光对应正弦压力驻波同一相位，即相位
Figure BDA0002750596890000051
又由于LED频闪激发光源(9)进行n次频闪发光时CCD相机(6)持续曝光，而当LED频闪激发光源(9)结束n次频闪发光时，经过短暂的延时时间Δt相即达到CCD相机(6)结束曝光的时刻，因此，CCD相机(6)输出的图像Q1为同一相位
Figure BDA0002750596890000052
对应的n个PSP样片图像叠加到一起形成的荧光图像；
2.2)第A1个脉冲方波的上升沿时刻对应正弦压力驻波相位
Figure BDA0002750596890000053
从第A1个脉冲方波的上升沿时刻开始，经过周期(n+1)T+T/m，到达第2脉冲信号发生单元输出第A2个脉冲方波的上升沿时刻，因此，第A2个脉冲方波的上升沿时刻对应正弦压力驻波相位
Figure BDA0002750596890000054
第A2个脉冲方波的上升沿同时控制CCD相机(6)开始曝光和启动第1脉冲信号发生单元，在CCD相机(6)持续曝光过程中，第1脉冲信号发生单元输出n个脉冲方波，进而控制LED频闪激发光源(9)进行n次频闪发光，并且，每次频闪发光对应正弦压力驻波同一相位
Figure BDA0002750596890000055
因此，CCD相机(6)输出图像Q2为同一相位
Figure BDA0002750596890000056
对应的n个PSP样片图像叠加到一起形成的荧光图像；
2.3)依此类推，对于第2脉冲信号发生单元输出的m个脉冲方波，可分别得到与相位
Figure BDA0002750596890000057
，相位
Figure BDA0002750596890000058
，...，相位
Figure BDA0002750596890000059
对应的图像Q1,图像Q2,…,图像Qm；
3)主控单元结合动态压力传感器(11)采集到的压力值，通过对图像Q1,图像Q2,…,图像Qm分析，实现对压敏涂料压力校准。
优选的，所述声学驻波管(1)的截面为圆形截面。
优选的，所述声学驻波管(1)采用不锈钢声学驻波管材料。
优选的，所述第1脉冲信号发生单元发出的第1方波脉冲信号，其高电平为5V、低电平为0V；所述第2脉冲信号发生单元发出的第2方波脉冲信号，其高电平为5V、低电平为0V。
本发明提供的基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置具有以下优点：
1)能够采用基于CCD相机长曝光光源频闪方法对100kHz以下的各个波段进行光学压敏动态校准，校准精度高；
2)可以连续性进行动态校准实验；尤其是，本发明通过两个脉冲信号发生单元，即可实现对LED频闪激发光源和CCD相机的控制，结构实现简单；
3)该压敏涂料压力校准装置具有结构简单、便于加工、抗干扰能力强、实验成本低的优点。
附图说明
图1为本发明提供的基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置的结构示意图；
图2为本发明提供的信号发生器的结构原理图；
图3为本发明提供的信号发生器的工作原理时序图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，在有效的提高了图像信噪比同时，不影响涂料的高时间分辨率特性，是一种新型的压敏涂料压力校准装置。具体的，本发明采用帧率较低的CCD相机采集到高频波动压力下某个相位的PSP荧光图像；PSP荧光图像为叠加后的荧光图像，从而有效提高了荧光图像的图像信噪比，高信噪比的荧光图像有利于得到高分辨率的压力结果。本发明提供的基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，还具有结构简单、加工成本低、使用性强、抗干扰能力强的优点。
参考图1，本发明提供的基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，包括：声学驻波管1、底盖2、光学视窗3、声源4、功率放大器5、CCD相机6、镜头7、滤光片8、LED频闪激发光源9、信号发生器10、动态压力传感器11、直流供电电源12、信号放大器13、数据采集箱14、光学压敏涂料校准片15和计算机16；
其中，声学驻波管截面为圆形截面，选择校准舱设计基频为400Hz，计算得到整体长度尺寸为425mm，内径为50mm，选用稳定性高、不透光的不锈钢作为声学驻波管材料。
声学驻波管1一端的底盖2内侧固定安装光学压敏涂料校准片15；光学压敏涂料校准片15所在截面固定安装动态压力传感器11；动态压力传感器11用于压力的实时采集。动态压力传感器11通过直流供电电源12供电；动态压力传感器11的电压信号输出端通过信号放大器13和数据采集箱14后，连接到计算机16的输入端；因此，动态压力传感器通过直流供电电源供电，输出的电压信号经信号放大器放大输入到数据采集箱，再由数据采集箱将电信号转为数字信号传输到计算机上，完成动态压力的显示。
声学驻波管1靠近底盖2的一侧对称开槽，声学驻波管1的两侧对称各安装一块光学视窗3；
声学驻波管1另一端通过螺栓等方式固定安装声源4，声源4正对光学压敏涂料校准片15；
信号发生器10的第1通道通过功率放大器5，连接到声源4；与信号发生器10的第1通道输出的正弦电信号通过功率放大器5放大后，控制声源发出设定频率下的声波。
信号发生器10的第2通道与CCD相机6的外触发端连接；CCD相机6的输出端与计算机16连接；其中，CCD相机6的前端固定镜头7；镜头7的前端固定滤光片8，保证CCD相机6采集的图像不受激发光源干扰。
信号发生器10的第3通道与LED频闪激发光源9的外触发端连接；
CCD相机6和LED频闪激发光源9分别置于声学驻波管1的两侧，经对应的光学视窗对准光学压敏涂料校准片15；因此，CCD相机和LED频闪激发光源的光路经光学视窗均可达到光学压敏涂料校准片上。
参考图2和图3，在图3中，SN1为正弦电信号发生单元产生的正弦压力驻波的时序变化图；SN2为第1脉冲信号发生单元发出的脉冲时序变化图；SN3为第2脉冲信号发生单元发出的脉冲时序变化图；SN4表示时间轴。
信号发生器10包括：正弦电信号发生单元、第1脉冲信号发生单元、第2脉冲信号发生单元、计时器和主控单元；
主控单元分别与计时器、正弦电信号发生单元和第2脉冲信号发生单元的外触发端连接；第2脉冲信号发生单元的输出端分别与第1脉冲信号发生单元的外触发端和CCD相机6的外触发端连接；第1脉冲信号发生单元的输出端和LED频闪激发光源9的外触发端连接；
其中，正弦电信号发生单元，用于在主控单元的控制下，连续输出周期为T的正弦电信号，该正弦电信号传递到功率放大器5，经功率放大器5放大后，传输给声源4，从而控制声源4发出周期为T的正弦声波；该正弦声波经声学驻波管1作用后，从而使光学压敏涂料校准片15表面受到稳定的周期为T的正弦压力驻波；
第1脉冲信号发生单元与LED频闪激发光源9的外触发端连接，第1脉冲信号发生单元用于输出第1方波脉冲信号，第1方波脉冲信号的周期为T，脉冲宽度为T/m，每次被外触发后输出的脉冲数量为n，其中，m为一个周期的正弦压力驻波平均被划分形成的相位数量；n为同一相位下激光光源频闪次数；每当第1脉冲信号发生单元被进行一次外触发时，可控制LED频闪激发光源9按照周期T、单次频闪发光时间T/m进行n次频闪发光；
第2脉冲信号发生单元分别与CCD相机6的外触发端和第1脉冲信号发生单元的外触发端连接，用于向CCD相机6和第1脉冲信号发生单元提供同样的外触发信号；其中，第2脉冲信号发生单元用于输出第2方波脉冲信号，第2方波脉冲信号的周期为(n+1)T+T/m，脉冲宽度为nT+T/m+Δt相，输出的脉冲数量为m；其中，Δt相为CCD相机延时曝光时间，Δt相＜T；
主控单元用于：根据计时器的计时结果，确定当前正弦压力驻波的相位，一个周期的正弦压力驻波平均被划分为m个相位，依次表示为相位
Figure BDA0002750596890000091
，相位
Figure BDA0002750596890000094
，...，相位
Figure BDA0002750596890000092
，对于当前的相位，主控单元向第2脉冲信号发生单元发送触发启动信号；
具体实现过程为：
1)主控单元根据计时器的计时结果，假设检测到当前正弦压力驻波的相位为相位
Figure BDA0002750596890000093
主控单元向第2脉冲信号发生单元发送外触发启动信号；
2)第2脉冲信号发生单元启动后，输出m个脉冲方波，脉冲方波的周期为(n+1)T+T/m，脉冲宽度为nT+T/m+Δt相，m个脉冲方波同时传输给CCD相机6和第1脉冲信号发生单元；
对于第2脉冲信号发生单元输出的m个脉冲方波，分别表示为：第A1个脉冲方波，第A2个脉冲方波,...,第Am个脉冲方波；
2.1)第A1个脉冲方波的上升沿作为CCD相机6的外触发信号，控制CCD相机6打开开始曝光，当CCD相机6曝光时间达到第A1个脉冲方波的脉冲宽度nT+T/m+Δt相时，第A1个脉冲方波的下降沿控制CCD相机6结束曝光，此时CCD相机6输出一幅图像Q1；
在第A1个脉冲方波控制CCD相机6持续曝光时间nT+T/m+Δt相的过程中，发生以下过程：
第A1个脉冲方波的上升沿同时作为第1脉冲信号发生单元的外触发信号，控制第1脉冲信号发生单元打开，第1脉冲信号发生单元打开后，输出n个脉冲宽度为T/m、周期为T的脉冲方波，分别表示为：第B1个脉冲方波，第B2个脉冲方波,...,第Bn个脉冲方波，因此，在CCD相机6持续曝光的过程中，第1脉冲信号发生单元输出的n个脉冲方波控制LED频闪激发光源9按照周期T、单次频闪发光时间T/m进行n次频闪发光，由于第1脉冲信号发生单元输出的脉冲方波的周期T与正弦压力驻波的周期T相同，因此，LED频闪激发光源9进行n次频闪发光时，每次频闪发光对应正弦压力驻波同一相位，即相位
Figure BDA0002750596890000101
又由于LED频闪激发光源9进行n次频闪发光时CCD相机6持续曝光，而当LED频闪激发光源9结束n次频闪发光时，经过短暂的延时时间Δt相即达到CCD相机6结束曝光的时刻，因此，CCD相机6输出的图像Q1为同一相位
Figure BDA0002750596890000102
对应的n个PSP样片图像叠加到一起形成的荧光图像；
2.2)第A1个脉冲方波的上升沿时刻对应正弦压力驻波相位
Figure BDA0002750596890000103
从第A1个脉冲方波的上升沿时刻开始，经过周期(n+1)T+T/m，到达第2脉冲信号发生单元输出第A2个脉冲方波的上升沿时刻，因此，第A2个脉冲方波的上升沿时刻对应正弦压力驻波相位
Figure BDA0002750596890000111
第A2个脉冲方波的上升沿同时控制CCD相机6开始曝光和启动第1脉冲信号发生单元，在CCD相机6持续曝光过程中，第1脉冲信号发生单元输出n个脉冲方波，进而控制LED频闪激发光源9进行n次频闪发光，并且，每次频闪发光对应正弦压力驻波同一相位
Figure BDA0002750596890000112
因此，CCD相机6输出图像Q2为同一相位
Figure BDA0002750596890000113
对应的n个PSP样片图像叠加到一起形成的荧光图像；
2.3)依此类推，对于第2脉冲信号发生单元输出的m个脉冲方波，可分别得到与相位
Figure BDA0002750596890000114
，相位
Figure BDA0002750596890000116
，...，相位
Figure BDA0002750596890000117
对应的图像Q1,图像Q2,…,图像Qm；
3)主控单元结合动态压力传感器11采集到的压力值，通过对图像Q1,图像Q2,…,图像Qm分析，实现对压敏涂料压力校准。
本发明中，主控单元给第2脉冲信号发生单元的外触发端启动信号，在第2脉冲信号发生单元启动后，通过对第2脉冲信号发生单元和第1脉冲信号发生单元的参数进行设计，即：使第2脉冲信号发生单元输出周期为(n+1)T+T/m，脉冲宽度为nT+T/m+Δt相的m个脉冲，使第1脉冲信号发生单元输出周期为T，脉冲宽度为T/m的n个脉冲，后续过程不需要任何人为干预，第2脉冲信号发生单元输出的脉冲信号同时作为CCD相机6和第1脉冲信号发生单元的触发信号，第1脉冲信号发生单元的输出信号作为激光光源的触发信号，可自动使CCD相机输出分别与相位
Figure BDA0002750596890000115
，相位
Figure BDA0002750596890000118
，...，相位
Figure BDA0002750596890000119
对应的图像Q1,图像Q2,…,图像Qm，具有结构简单、实现过程简单的优点。
在图3中，第1脉冲信号发生单元输出周期为T，脉冲宽度为T/m的n个脉冲，其中，n在图3中为10。
具体校准方式可以为：
对于每一个荧光图像Qj，j＝1,2,...,m，均采用以下方式处理：
步骤4.1，对荧光图像Qj进行图像处理，得到与相位
Figure BDA0002750596890000122
对应的光强Ij；
步骤4.2，获取荧光图像Qj获取过程中，激光光源3进行频闪的时间，再根据频闪时间查找PSP样片2表面所受到的真实压力值与时间之间的变化曲线，得到荧光图像Qj对应的真实压力值Pj；
步骤4.3，在不向PSP样片2施加正弦压力驻波时，即：使PSP样片2处于大气压力下，并对PSP样片2进行图像拍摄，从而得到参考压力Pref和参考压力下的光强Iref；
步骤4.4，将光强Ij、真实压力值Pj、参考压力Pref和参考压力下的光强Iref代入以下校准方程：
Figure BDA0002750596890000121
由于j＝1,2,...,m，因此，当j＝1时，得到关于A和B的一个方程；当j＝2时，得到关于A和B的一个方程；依此类推，当j＝m时，得到关于A和B的一个方程；因此，共得到m个关于A和B的方程；对m个关于A和B的方程，采用最小二乘法求解，得到最终的A和B的值；
A和B均为常数，通过对A和B值的校准，实现对光学压敏涂料动态压力特性校准。
另外，在前述步骤中，设置的m的具体数值，可以采用以下方式调节设置：
首先设置m初始值；采用m初始值，经过计算，输出m个荧光图像，每个荧光图像对应一个光强值，由此在横坐标为相位，纵坐标为光强的坐标系中，绘制出m个离散点；判断任意两个相邻离散点的距离是否小于设定阈值；如果小于，则结束，此时的m值即为最终m值；如果不小于，则进一步增大m值，如此循环，直到任意两个相邻离散点的距离均小于设定阈值时，结束，输出最终的m值。
本发明提供的基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置具有以下优点：
1)能够采用基于CCD相机长曝光光源频闪方法对100kHz以下的各个波段进行光学压敏动态校准，校准精度高；
2)可以连续性进行动态校准实验；尤其是，本发明通过两个脉冲信号发生单元，即可实现对LED频闪激发光源和CCD相机的控制，结构实现简单；
3)该压敏涂料压力校准装置具有结构简单、便于加工、抗干扰能力强、实验成本低的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，其特征在于，包括：声学驻波管(1)、底盖(2)、光学视窗(3)、声源(4)、功率放大器(5)、CCD相机(6)、镜头(7)、滤光片(8)、LED频闪激发光源(9)、信号发生器(10)、动态压力传感器(11)、直流供电电源(12)、信号放大器(13)、数据采集箱(14)、光学压敏涂料校准片(15)和计算机(16)；
其中，所述声学驻波管(1)一端的底盖(2)内侧固定安装所述光学压敏涂料校准片(15)；所述光学压敏涂料校准片(15)所在截面固定安装所述动态压力传感器(11)；所述动态压力传感器(11)通过所述直流供电电源(12)供电；所述动态压力传感器(11)的电压信号输出端通过所述信号放大器(13)和所述数据采集箱(14)后，连接到所述计算机(16)的输入端；
所述声学驻波管(1)靠近所述底盖(2)的一侧对称开槽，所述声学驻波管(1)的两侧对称各安装一块所述光学视窗(3)；
所述声学驻波管(1)另一端固定安装所述声源(4)，正对所述光学压敏涂料校准片(15)；
所述信号发生器(10)的第1通道通过所述功率放大器(5)，连接到所述声源(4)；
所述信号发生器(10)的第2通道与所述CCD相机(6)的外触发端连接；所述CCD相机(6)的输出端与所述计算机(16)连接；其中，所述CCD相机(6)的前端固定所述镜头(7)；所述镜头(7)的前端固定所述滤光片(8)；
所述信号发生器(10)的第3通道与所述LED频闪激发光源(9)的外触发端连接；
所述CCD相机(6)和所述LED频闪激发光源(9)分别置于所述声学驻波管(1)的两侧，经对应的光学视窗对准所述光学压敏涂料校准片(15)；
所述信号发生器(10)包括：正弦电信号发生单元、第1脉冲信号发生单元、第2脉冲信号发生单元、计时器和主控单元；
所述主控单元分别与所述计时器、所述正弦电信号发生单元和所述第2脉冲信号发生单元的外触发端连接；所述第2脉冲信号发生单元的输出端分别与所述第1脉冲信号发生单元的外触发端和所述CCD相机(6)的外触发端连接；所述第1脉冲信号发生单元的输出端和所述LED频闪激发光源(9)的外触发端连接；
其中，所述正弦电信号发生单元，用于在所述主控单元的控制下，连续输出周期为T的正弦电信号，该正弦电信号传递到所述功率放大器(5)，经功率放大器(5)放大后，传输给所述声源(4)，从而控制所述声源(4)发出周期为T的正弦声波；该正弦声波经声学驻波管(1)作用后，从而使光学压敏涂料校准片(15)表面受到稳定的周期为T的正弦压力驻波；
所述第1脉冲信号发生单元与所述LED频闪激发光源(9)的外触发端连接，所述第1脉冲信号发生单元用于输出第1方波脉冲信号，第1方波脉冲信号的周期为T，脉冲宽度为T/m，每次被外触发后输出的脉冲数量为n，其中，m为一个周期的正弦压力驻波平均被划分形成的相位数量；n为同一相位下激光光源频闪次数；每当第1脉冲信号发生单元被进行一次外触发时，可控制LED频闪激发光源(9)按照周期T、单次频闪发光时间T/m进行n次频闪发光；
所述第2脉冲信号发生单元分别与所述CCD相机(6)的外触发端和所述第1脉冲信号发生单元的外触发端连接，用于向所述CCD相机(6)和所述第1脉冲信号发生单元提供同样的外触发信号；其中，所述第2脉冲信号发生单元用于输出第2方波脉冲信号，第2方波脉冲信号的周期为(n+1)T+T/m，脉冲宽度为nT+T/m+Δt相，输出的脉冲数量为m；其中，Δt相为CCD相机延时曝光时间，Δt相＜T；
所述主控单元用于：根据计时器的计时结果，确定当前正弦压力驻波的相位，一个周期的正弦压力驻波平均被划分为m个相位，依次表示为相位
Figure FDA0002750596880000031
相位
Figure FDA0002750596880000032
…,相位
Figure FDA0002750596880000033
对于当前的相位，所述主控单元向第2脉冲信号发生单元发送触发启动信号；
具体实现过程为：
1)主控单元根据计时器的计时结果，假设检测到当前正弦压力驻波的相位为相位
Figure FDA0002750596880000034
主控单元向第2脉冲信号发生单元发送外触发启动信号；
2)第2脉冲信号发生单元启动后，输出m个脉冲方波，脉冲方波的周期为(n+1)T+T/m，脉冲宽度为nT+T/m+Δt相，m个脉冲方波同时传输给CCD相机(6)和第1脉冲信号发生单元；
对于第2脉冲信号发生单元输出的m个脉冲方波，分别表示为：第A1个脉冲方波，第A2个脉冲方波,...,第Am个脉冲方波；
2.1)第A1个脉冲方波的上升沿作为CCD相机(6)的外触发信号，控制CCD相机(6)打开开始曝光，当CCD相机(6)曝光时间达到第A1个脉冲方波的脉冲宽度nT+T/m+Δt相时，第A1个脉冲方波的下降沿控制CCD相机(6)结束曝光，此时CCD相机(6)输出一幅图像Q1；
在第A1个脉冲方波控制CCD相机(6)持续曝光时间nT+T/m+Δt相的过程中，发生以下过程：
第A1个脉冲方波的上升沿同时作为第1脉冲信号发生单元的外触发信号，控制第1脉冲信号发生单元打开，第1脉冲信号发生单元打开后，输出n个脉冲宽度为T/m、周期为T的脉冲方波，分别表示为：第B1个脉冲方波，第B2个脉冲方波,...,第Bn个脉冲方波，因此，在CCD相机(6)持续曝光的过程中，第1脉冲信号发生单元输出的n个脉冲方波控制LED频闪激发光源(9)按照周期T、单次频闪发光时间T/m进行n次频闪发光，由于第1脉冲信号发生单元输出的脉冲方波的周期T与正弦压力驻波的周期T相同，因此，LED频闪激发光源(9)进行n次频闪发光时，每次频闪发光对应正弦压力驻波同一相位，即相位
Figure FDA0002750596880000041
又由于LED频闪激发光源(9)进行n次频闪发光时CCD相机(6)持续曝光，而当LED频闪激发光源(9)结束n次频闪发光时，经过短暂的延时时间Δt相即达到CCD相机(6)结束曝光的时刻，因此，CCD相机(6)输出的图像Q1为同一相位
Figure FDA0002750596880000042
对应的n个PSP样片图像叠加到一起形成的荧光图像；
2.2)第A1个脉冲方波的上升沿时刻对应正弦压力驻波相位
Figure FDA0002750596880000043
从第A1个脉冲方波的上升沿时刻开始，经过周期(n+1)T+T/m，到达第2脉冲信号发生单元输出第A2个脉冲方波的上升沿时刻，因此，第A2个脉冲方波的上升沿时刻对应正弦压力驻波相位
Figure FDA0002750596880000044
第A2个脉冲方波的上升沿同时控制CCD相机(6)开始曝光和启动第1脉冲信号发生单元，在CCD相机(6)持续曝光过程中，第1脉冲信号发生单元输出n个脉冲方波，进而控制LED频闪激发光源(9)进行n次频闪发光，并且，每次频闪发光对应正弦压力驻波同一相位
Figure FDA0002750596880000045
因此，CCD相机(6)输出图像Q2为同一相位
Figure FDA0002750596880000046
对应的n个PSP样片图像叠加到一起形成的荧光图像；
2.3)依此类推，对于第2脉冲信号发生单元输出的m个脉冲方波，可分别得到与相位
Figure FDA0002750596880000047
相位
Figure FDA0002750596880000048
…,相位
Figure FDA0002750596880000049
对应的图像Q1,图像Q2,…,图像Qm；
3)主控单元结合动态压力传感器(11)采集到的压力值，通过对图像Q1,图像Q2,…,图像Qm分析，实现对压敏涂料压力校准。
2.根据权利要求1所述的基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，其特征在于，所述声学驻波管(1)的截面为圆形截面。
3.根据权利要求1所述的基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，其特征在于，所述声学驻波管(1)采用不锈钢声学驻波管材料。
4.根据权利要求1所述的基于CCD相机长曝光光源频闪的压敏涂料压力校准装置，其特征在于，所述第1脉冲信号发生单元发出的第1方波脉冲信号，其高电平为5V、低电平为0V；所述第2脉冲信号发生单元发出的第2方波脉冲信号，其高电平为5V、低电平为0V。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115615589A (zh) * 2022-10-09 2023-01-17 西北工业大学 一种旋转模型全域压力采集系统及方法
CN117990269A (zh) * 2024-04-07 2024-05-07 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种动态校准参数获取方法
CN117990268A (zh) * 2024-04-07 2024-05-07 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种测量压敏漆频响特性的动态校准装置

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002068925A1 (en) * 2001-02-21 2002-09-06 Lockheed Martin Corporation Pressure sensitive paint system control
KR20030081682A (ko) * 2002-04-12 2003-10-22 현대자동차주식회사 압력감응도료의 검정장치
CN102780845A (zh) * 2012-06-14 2012-11-14 清华大学 一种光源交替频闪同步摄像方法及视觉检测系统
CN102914525A (zh) * 2012-04-10 2013-02-06 广东工业大学 基于光学加法外差调制的新型荧光寿命显微成像装置及方法
CN106501227A (zh) * 2016-10-25 2017-03-15 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法
CN107560769A (zh) * 2017-08-23 2018-01-09 上海交通大学 一种基于薄层面光源与压敏漆的全场压力测试系统
CN208270147U (zh) * 2018-05-15 2018-12-21 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 压力敏感涂料校准装置及校准系统
CN109580092A (zh) * 2018-11-20 2019-04-05 中国航天空气动力技术研究院 一种快速响应压敏漆动态标定装置及标定方法
CN110146220A (zh) * 2019-03-01 2019-08-20 西北工业大学 考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002068925A1 (en) * 2001-02-21 2002-09-06 Lockheed Martin Corporation Pressure sensitive paint system control
KR20030081682A (ko) * 2002-04-12 2003-10-22 현대자동차주식회사 압력감응도료의 검정장치
CN102914525A (zh) * 2012-04-10 2013-02-06 广东工业大学 基于光学加法外差调制的新型荧光寿命显微成像装置及方法
CN102780845A (zh) * 2012-06-14 2012-11-14 清华大学 一种光源交替频闪同步摄像方法及视觉检测系统
CN106501227A (zh) * 2016-10-25 2017-03-15 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 基于压力敏感涂料探针分子荧光寿命的测量方法
CN107560769A (zh) * 2017-08-23 2018-01-09 上海交通大学 一种基于薄层面光源与压敏漆的全场压力测试系统
CN208270147U (zh) * 2018-05-15 2018-12-21 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 压力敏感涂料校准装置及校准系统
CN109580092A (zh) * 2018-11-20 2019-04-05 中国航天空气动力技术研究院 一种快速响应压敏漆动态标定装置及标定方法
CN110146220A (zh) * 2019-03-01 2019-08-20 西北工业大学 考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115615589A (zh) * 2022-10-09 2023-01-17 西北工业大学 一种旋转模型全域压力采集系统及方法
CN117990269A (zh) * 2024-04-07 2024-05-07 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种动态校准参数获取方法
CN117990268A (zh) * 2024-04-07 2024-05-07 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种测量压敏漆频响特性的动态校准装置
CN117990268B (zh) * 2024-04-07 2024-05-31 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种测量压敏漆频响特性的动态校准装置

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