CN115574982B - 一种温敏漆校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温敏漆校准装置及校准方法，涉及风洞试验和图像采集技术领域，包括：校准舱，其内层设置有低温冷舱和样片舱；所述内层与外层之间设置有真空夹层舱；样片台，其下端设置在低温冷舱中，上端伸入至样片舱中；样片舱的上壁开设有样片舱窗口，样片舱正上方开设有真空夹层舱窗口，真空夹层舱窗口的正上方设置有相机和激发光源；冷却控制组件，其通过传输管线与低温冷舱相连；压力控制组件，其分别与样片舱和真空夹层舱相连；温度控制组件，其与样片台相连。本发明的低温温敏漆校准方法适用于宽温域、不同校准温度范围的低温温敏漆涂料的校准和配方性能评估和优化，能充分满足低温温敏漆配方研制需求，具有重要的推广应用价值。

Description

一种温敏漆校准装置及校准方法

技术领域

本发明属于风洞试验和图像采集技术领域，更具体地说，本发明涉及一种温敏漆校准装置及校准方法。

背景技术

温敏漆（Temperature Sensitive Paint，TSP）是风洞试验中飞行器模型表面温度和边界层转捩位置测量一种先进的非接触光学测试方法。温敏漆是以一种对温度敏感的高分子聚合物探针作为温度传感器，喷涂于试验模型表面，并用一定波长的激发光进行照射激发，当模型表面温度发生变化，将导致TSP（温敏漆）涂层的发光强度随之变化，然后利用科学级相机采集TSP发光图像，并根据预先校准结果，实现模型表面的温度测量。与传统的温度传感器测量方法相比，TSP方法具有空间分辨率高、流场干扰小、可开发不同温度范围TSP涂料来满足不同温度范围的测量需求，且能够避免因布置大量温度传感器带来的模型设计困难和成本增加等问题，是很有发展前景的一种全域表面温度测量方法。

TSP测温技术是基于温度敏感探针分子的热猝灭效应，即TSP探针分子的发光量子效率随着温度升高而降低，这种光强 I和温度 T之间的关系满足阿列纽斯（Arrhenius）公式：

式中： E _nr 是无辐射过程活化能； R是普适气体常数； T _ref 是参考温度。要实现温度的精确测量，风洞试验前需要对TSP进行预先校准，获取模型表面温度与TSP发光强度的校准关系。

TSP静态校准需要设计专用校准装置来模拟风洞试验的温度和压力条件，并采集不同校准温度和压力下的发光强度图像来计算发光强度 I与校准温度 T间的校准系数。该装置对于低温TSP涂料配方研制、涂料改进和静态性能标定具有重要作用。不同配方的TSP涂料测温范围不同，因此对校准装置的温度范围要求也不同，如常温TSP，校准温度范围一般在273~353K，而低温TSP校准温度范围一般在110K~323K。为了满足不同类型TSP涂料的静态校准需求，亟需发展一套适用于从低温到高温宽温域范围的TSP校准装置，尤其是涵盖低温校准条件的校准装置，以解决低温TSP技术发展需求。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种温敏漆校准装置，包括：

校准舱，其为双层结构，其中内层设置有低温冷舱和位于低温冷舱上方的样片舱；所述内层与外层之间设置有真空夹层舱；

样片台，其下端设置在低温冷舱中，上端伸入至样片舱中；

所述样片舱的上壁开设有样片舱窗口，所述样片舱正上方开设有真空夹层舱窗口，所述真空夹层舱窗口的正上方设置有相机和激发光源；

冷却控制组件，其通过传输管线与低温冷舱相连；

压力控制组件，其分别与所述样片舱和真空夹层舱相连；

温度控制组件，其与所述样片台相连。

优选的是，其中，所述样片台的材质为外部镀金的高纯无氧铜；

所述样片舱和低温冷舱的外部设置有一层铝质防热辐射屏。

优选的是，其中，所述冷却控制组件包括：

液氮杜瓦罐，其通过设置有减压阀的管路连接有第一氮气瓶，所述低温冷舱通过多层绝热的传输管线与液氮杜瓦罐相连，其中所述传输管线中设置有真空绝热层；

所述液氮杜瓦罐为铝合金或不锈钢双层罐体结构，包括：

杜瓦罐体，其顶部设置有压力控制机构和取液延长管，所述杜瓦罐体的罐口设置有压密封接头。

优选的是，其中，所述压力控制组件包括：

压力控制器，其内置有绝对压力控制模块，所述绝对压力控制模块通过绝热传输管路与样片舱的压力控制接口相连；

第二氮气瓶，其通过设置有减压阀的管路与所述绝对压力控制模块相连；

真空泵，其与所述绝对压力控制模块相连；

分子泵，其通过安装有真空阀的管路与真空夹层舱或样片舱相连。

优选的是，其中，所述温度控制组件包括：

加热控制器，其内置于所述样片台的上端；

多个温度传感器，其设置在所述样片台的外部；

PID温度控制器，其分别与所述加热控制器和温度传感器相连，所述PID控制器还内置有多个控制加热环。

优选的是，其中，还包括工控机，所述压力控制器和PID温度控制器分别与工控机相连，所述工控机还连接有同步控制器，所述同步控制器分别与相机和激发光源相连。

优选的是，其中，所述压力控制器的压力调节范围为0~350kPa，绝对压力控制模块的调节精度大于0.04％，所述绝对压力控制模块通过控制器RS232、以太网接口或USB接口与工控机相连；

所述分子泵为无油涡轮分子泵，分子泵的氮气抽气速度大于47L/s，极限真空大于5×10^-10mbar。

优选的是，其中，所述PID温度控制器温度测量范围为200mK~1500K，温度控制精度大于50mK，所述PID温度控制器包括4个独立输入通道，内置四个控制加热环；所述PID温度控制器的加热功率为0.5~100W；

所述加热控制器为电阻式加热控制器，具体为硅二极管温度计或电阻型温度计，温度调节速率大于1K/min。

优选的是，其中，所述相机为CCD或CMOS灰度相机，动态范围大于等于14位，图像分辨率不低于100万像素，满幅帧频不低于3帧/秒，所述相机的镜头采用24mm、35mm、50mm或85mm定焦镜头，采用580nm高通滤镜；所述相机拍摄方向垂直于温敏漆样片表面；

所述激发光源为波长365nm、400nm或460nm的LED光源，激发光源照射包括脉冲和连续两种模式，激发光源控制模型为TTL，激发光源照射面光强照度为8~20mW/cm²，激发光源的光头与测量面距离1100mm。

一种温敏漆校准方法，包括以下步骤：

步骤一、 温敏漆样片准备和喷涂；校准试验所使用的低温温敏漆为铕类或钌类低温温敏漆，适用测温范围100K~300K，低温温敏漆由低温环氧树脂底漆和低温温敏漆面漆组成，温敏漆校准所用样片为直径40mm、厚度2mm的低温钢材质18Ni-200圆形样片，表面粗糙度Ra小于0.4μm；首先进行低温环氧树脂底漆喷涂，喷涂前用无水乙醇清理温敏漆样片表面，然后在样片测试面均匀喷涂白色低温环氧树脂底漆，涂层厚度控制在30μm以下；低温环氧树脂底漆喷涂完成后，室温静置3个小时后放置烘箱，设置固化温度70℃，6个小时后取出；分别依次用800目、1500目和3000目砂纸对低温环氧树脂底漆进行抛光处理，并用粗糙度仪进行测量，粗糙度Ra控制在0.4μm以下；然后，在低温环氧树脂底漆上进行低温温敏漆面漆喷涂，喷涂完成后室温静置3小时后，70℃温度下固化6小时；固化后，用3000目或以上砂纸对面漆进行轻微抛光处理，涂层厚度控制在40μm以下，得到温敏漆样片；

步骤二、安装温敏漆样片；首先打开校准舱排气管腿上的泄压阀使真空夹层舱压力恢复至常压，然后分别打开真空夹层舱窗口和样片舱窗口，并将底部涂有低温导热脂的温敏漆样片放置在样片舱的样片台上，用压环压紧，保证温敏漆样片与样片台保持良好的导热性；安装样片舱窗口的密封圈和密封铟丝，再依次安装样片舱和真空夹层舱窗口的法兰；

步骤三、连接温敏漆校准系统；将PID温度控制器通过校准舱上的真空密封电学接头与校准舱内的加热控制器和温度传感器连接，以实现对样片台的温度控制；压力控制器分别与样片舱压力控制端口、真空泵和第二氮气瓶的减压阀出口连接，以实现对样片舱的压力控制，第二氮气瓶的减压阀压力设置为3.0bar；然后，将PID温度控制器和压力控制器的通讯端口分别与工控机相连以实现对样片舱内压力和温度的远程控制和操作；

步骤四、对校准舱和校准舱连接管路的真空夹层进行抽真空处理；首先将分子泵与样片舱排气口连接，进行抽真空处理，防止进入的空气在低温条件下结霜；再对真空夹层舱和校准舱连接管路的真空绝热层进行抽真空处理，使样片舱和真空绝热层的真空度达到10^-4mbar以下，然后关闭真空阀；在校准开始时，再打开分子泵持续对真空夹层舱进行抽真空处理，以保持较高的真空度；

步骤五、连接设置激发光源和相机；分别将激发光源和相机安装于真空夹层舱窗口上方，然后将激发光源和相机的控制线与同步控制器连接，再将相机数据线和同步触发器的控制线分别与工控机连接；校准采用LED激发光源，光源功率根据激发距离和样片发光强度进行调节；相机采用50mm定焦镜头，并在前面加装580nm高通滤镜，滤除激发光影响；调整相机的光圈和对焦距离，保证采集的温敏漆样片图像清晰，且处于图像的中心位置；

步骤六、液氮杜瓦罐流量设置及初始降温；将已经做真空绝热处理的传输管线的两端分别插入校准舱进气管口和液氮杜瓦罐中，并拧紧接口处的旋钮密封；为了提供连续液氮输出，杜瓦瓶内应适当保持正压，将液氮杜瓦罐上方的安全阀排气口与第一氮气瓶的减压阀出口连接，使液氮杜瓦罐内压力保持在2~3psi，其中第一氮气瓶的减压阀量程为0~5psi；打开传输管线上的流量调节阀，流量调节阀逆时针旋转三圈开始降温，等温度降到100K以下后，调低流量；为了减少温度过冲和降低液氮消耗，采用从低到高的温度控制模式，即首先从最低温开始校准，然后增温直至完成预定的校准温度范围；

步骤七、温度和压力设置及图像采集；校准试验需要在暗室中开展，以消除环境光影响；启动校准软件，在校准软件中校准压力设置为P=50kPa~150kPa，校准温度100K~200K，温度间隔ΔT=10K，压力间隔ΔP=50kPa；校准试验将温度设置为外循环，压力设置为内循环，即先控制温度，当温度达到预设条件后，再对此温度下的各个压力点进行调节；启动采集后，校准系统开始对样片舱内的温度和压力进行控制，当达到预设温度和压力后，触发同步控制器控制激发光源和相机开始激发光照射和光强图像采集；每个校准点，分别采集5帧图像；

步骤八、暗背景图像采集；关闭光源触发，仅控制相机采集5帧暗背景图像；

步骤九、校准参数及图像保存；保存低温温敏漆校准参数、各温度压力下的校准图像和暗背景图像；

步骤十、温敏漆校准图像处理和校准计算；将采集不同温度、不同压力下的温敏漆图像读入图像处理软件，参考条件设置为： P _ref =100kPa， T _ref =100K，将暗背景图像、校准图像和参考图像分别进行图像平均计算，再对校准图像和参考图像进行背景扣除操作，得到扣除背景的校准图像 I（ P， T）和扣除背景的参考图像 I( P _ref , T _ref )，然后计算 I（ P， T）/ I( P _ref , T _ref )，得到光强比 I/ I _ref ；

步骤十一、绘制光强比 I/ I _ref - T关系曲线，通过最小二乘法拟合，获取光强 I-温度 T的校准关系；

步骤十二、生成包含校准压力、校准温度和校准系数的校准文件。

本发明至少包括以下有益效果：

①本发明采用液氮制冷和电阻式加热器加热的PID综合控温方法，能够实现77K~475K的宽温域温度调节和50mK高控温精度，可满足不同测温范围低温温敏漆配方的静态校准。

②本发明采用的校准舱能满足0~350kPa范围样片舱压力控制，抽真空绝热及防热辐射层设计能有效解决低温绝热和窗体结霜问题。

③本发明采用温度外循环-压力内循环控制方法能有效降低温度调整时间，提高试验效率；本发明能够根据设置的温度和压力范围及阶梯，自动完成不同校准点的图像采集，降低人工输入操作。本发明的低温温敏漆校准方法适用于宽温域、不同校准温度范围的低温温敏漆涂料的校准和配方性能评估和优化，能充分满足低温温敏漆配方研制需求，具有重要的推广应用价值。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明提供的温敏漆校准装置连接示意图；

图2为本发明提供的校准舱的结构示意图；

图3为本发明提供的温敏漆校准方法流程示意图；

图4为本发明实施例1使用钌类低温温敏漆得到温度校准曲线。

图中各结构名称对应标号如下：校准舱1，低温冷舱101，样片舱102，真空夹层舱103，真空夹层舱窗口104，样片舱窗口105，温敏漆样片106，加热控制器107，温度传感器108，防热辐射屏109，压力控制接口16 ，液氮入口13，液氮排出口14 ，样片台113，压力控制器2，PID温度控制器3，液氮杜瓦罐4，相机5，激发光源6，同步控制器7，工控机8，真空泵9，分子泵10，第一氮气瓶11，第二氮气瓶12，温度控制线路接口15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个元件或组合的存在或添加。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供了一种温敏漆校准装置，包括：

校准舱1，其为双层结构，其中内层设置有低温冷舱101和位于低温冷舱101上方的样片舱102；所述内层与外层之间设置有真空夹层舱103；所述样片舱102和低温冷舱101的外部设置有一层铝质防热辐射屏109；

样片台113，其下端设置在低温冷舱101中，上端伸入至样片舱102中；样片台113材质为外部镀金的高纯无氧铜；

所述样片舱102的上壁开设有样片舱窗口105，所述样片舱102正上方开设有真空夹层舱窗口104，所述真空夹层舱窗口104的正上方设置有相机5和激发光源6；

冷却控制组件，其通过传输管线与低温冷舱101相连；

压力控制组件，其分别与所述样片舱和真空夹层舱103相连；

温度控制组件，其与所述样片台113相连。

工作原理：本实施例提供的温敏漆校准装置中，校准舱1为温敏漆校准装置的核心部件，用于提供校准必须的温度和压力条件，校准舱1中的样片台113用于放置待校准的温敏漆样片106，同时样片台113采用外部镀金的高纯无氧铜材质，并与下方的低温冷舱101相接，通过热传导的方式进行降温，因而样片台113还具有对温敏漆样片106进行降温的作用；样片舱窗口105和真空夹层舱窗口104均采用高透光率光学玻璃材料，用于透过激发光源的照射光，样片舱窗口105采用橡胶圈密封，真空夹层舱窗口104采用橡胶圈和铟丝双密封模式，以适应高低温校准条件；真空夹层舱103在被压力控制组件抽真空后，用于实现对内部样片舱102和低温冷舱101的真空绝热，并防止校准舱1外壁和样片舱窗口105结霜，同时压力控制组件还用于对样片舱102进行抽真空处理；通过温度控制组件实现对样片台113的温度控制，样片舱102和低温冷舱101的外部设置一层铝质防热辐射屏109，用于降低校准舱1外部壳体对内部的热辐射。校准舱1底部法兰设计有4个螺钉孔，方便固定在光学平台或转换平台上。

在上述技术方案中，所述冷却控制组件包括：液氮杜瓦罐4，其通过设置有减压阀的管路连接有第一氮气瓶11，所述低温冷舱101通过多层绝热的传输管线与液氮杜瓦罐4相连，其中所述传输管线中设置有真空绝热层；所述液氮杜瓦罐4为铝合金或不锈钢双层罐体结构，包括：杜瓦罐体，其顶部设置有压力控制机构和取液延长管，所述杜瓦罐体的罐口设置有压密封接头；液氮杜瓦罐的容积为50L，灌装完成后静态下可保持100天以上，使用时，需要将压力控制机构、取液延长管安装在液氮杜瓦罐顶部，并用真空绝热传输管线与校准舱连接，通过真空绝热传输管线上的流量调节阀控制液氮流量。冷却控制组件以液氮作为冷源，将液氮从液氮杜瓦罐4中导入低温冷舱101内部的热交换器进行汽化，利用液氮汽化吸热迅速降温，同时由于样片舱102置于低温冷舱101的上方，通过外部镀金的高纯无氧铜作为样片台113，样片台113通过面热传导的方式对温敏漆样片106进行降温，有效保证了温敏漆样片温度均匀性。如图1和图2所示，校准舱1上还设置有与低温冷舱101连通的液氮入口13和液氮排出口14，分别用于低温冷舱101的液氮的导入和排出。

在上述技术方案中，所述压力控制组件包括：压力控制器2，其内置有绝对压力控制模块，所述绝对压力控制模块通过绝热传输管路与样片舱102的压力控制接口16相连；第二氮气瓶12，其通过设置有减压阀的管路与所述绝对压力控制模块相连；真空泵9，其与所述绝对压力控制模块相连；分子泵10，其通过安装有真空阀的管路与真空夹层舱103或样片舱102相连。样片舱102内压力控制是通过与第二氮气瓶12连接，并利用绝对压力控制器实现舱内压力调节，压力调节范围为0~350kPa，绝对压力控制模块的调节精度大于0.04％，所述绝对压力控制模块通过控制器RS232、以太网接口或USB接口与工控机相连，对样片舱102实现进行实时压力控制和调节，并支持在压力控制器主机操作界面或外部工控机安装的TSP校准软件进行绝对压力值输入控制；所述分子泵10为无油涡轮分子泵，分子泵10的氮气抽气速度大于47L/s，极限真空大于5×10^-10mbar，用于对样片舱102、真空夹层舱103以及多层绝热的传输管线中的真空绝热层进行抽真空处理，真空度不高于10^-4mbar。绝对压力控制模块通过绝热传输管路与样片舱102连接，并通过第二氮气瓶12和真空泵9实现对样片舱内部正压和负压的控制。

在上述技术方案中，所述温度控制组件包括：加热控制器107，其内置于所述样片台113的上端；两个温度传感器108，其设置在所述样片台113的外部； PID温度控制器3，其通过温度控制线路接口15分别与加热控制器107和温度传感器108相连。PID温度控制器3温度测量范围为200mK~1500K，温度控制精度大于50mK，所述PID温度控制器3包括4个独立输入通道，支持多种类型温度传感器，PID温度控制器内置四个控制加热环；所述PID温度控制器3的加热功率为0.5~100W，支持高温到低温的工作要求；所述加热控制器107为电阻式加热控制器，具体为硅二极管温度计或电阻型温度计，温度调节速率大于1K/min。样片台113内置的加热控制器107和温度传感器108可以对整个样片台区域的温度进行实时监测以及准确控制，可以实现温度控制范围77~475K。

本温敏漆校准装置还包括工控机8，所述压力控制器2和PID温度控制器3分别与工控机8相连，所述工控机8还连接有同步控制器7，所述同步控制器7分别与相机5和激发光源6相连。同步控制器7为16通道高精度同步控制器，可设置触发脉冲信号的周期、延时、脉宽及脉冲个数，用于实现相机5和激发光源6的时序控制，控制精度小于20ns。工控机8通过TSP校准软件控制校准舱1内的温度和压力，当达到预设条件触发激发光源6和相机5开始采集并存储温敏漆光强图像，然后利用软件进行校准系数计算与保存。

所述相机5为CCD或CMOS灰度相机，均具有高信噪比和高灰度动态范围，动态范围大于等于14位，图像分辨率不低于100万像素，满幅帧频不低于3帧/秒，所述相机的镜头采用24mm、35mm、50mm或85mm定焦镜头，采用580nm高通滤镜；相机5安装在校准舱1上方，用于温敏漆样片106光强图像采集，为了减少图像畸变，相机5拍摄方向尽量垂直于温敏漆样片106表面；

所述激发光源6为波长365nm、400nm或460nm的LED光源，根据温敏漆涂料类型和有效激发波长选择激发光源6的波长，激发光源6照射包括脉冲和连续两种模式，激发光源6控制模型为TTL，激发光源6照射强度可调节，激发光源6照射面光强照度为8~20mW/cm²，激发光源6的光头与测量面距离1100mm。激发光源安装在校准舱上方，用于对温敏漆样片106上温敏漆涂层的激发。

如图3所示，本实施例还提供了一种温敏漆校准方法，包括以下步骤：

步骤一、 温敏漆样片准备和喷涂；校准试验所使用的低温温敏漆为钌类低温温敏漆，适用测温范围100K~300K，低温温敏漆由低温环氧树脂底漆和低温温敏漆面漆组成，温敏漆校准所用样片为直径40mm、厚度2mm的低温钢材质18Ni-200圆形样片，表面粗糙度Ra小于0.4μm；首先进行低温环氧树脂底漆喷涂，喷涂前用无水乙醇清理温敏漆样片表面，然后在样片测试面均匀喷涂白色低温环氧树脂底漆，涂层厚度控制在30μm以下；低温环氧树脂底漆喷涂完成后，室温静置3个小时后放置烘箱，设置固化温度70℃，6个小时后取出；分别依次用800目、1500目和3000目砂纸对低温环氧树脂底漆进行抛光处理，并用粗糙度仪进行测量，粗糙度Ra控制在0.4μm以下；然后，在低温环氧树脂底漆上进行低温温敏漆面漆喷涂，喷涂完成后室温静置3小时后，70℃温度下固化6小时；固化后，用3000目或以上砂纸对面漆进行轻微抛光处理，涂层厚度控制在40μm以下，得到温敏漆样片；

步骤二、安装温敏漆样片；首先打开校准舱排气管腿上的泄压阀使真空夹层舱压力恢复至常压，然后分别打开真空夹层舱窗口和样片舱窗口，并将底部涂有低温导热脂的温敏漆样片放置在样片舱的样片台上，用压环压紧，保证温敏漆样片与样片台保持良好的导热性；安装样片舱窗口的密封圈和密封铟丝，再依次安装样片舱和真空夹层舱窗口的法兰；

步骤三、连接温敏漆校准系统；将PID温度控制器通过校准舱上的真空密封电学接头与校准舱内的加热控制器和温度传感器连接，以实现对样片台的温度控制；压力控制器分别与样片舱压力控制端口、真空泵和第二氮气瓶的减压阀出口连接，以实现对样片舱的压力控制，第二氮气瓶的减压阀压力设置为3.0bar；然后，将PID温度控制器和压力控制器的通讯端口分别与工控机相连以实现对样片舱内压力和温度的远程控制和操作；

步骤四、对校准舱和校准舱连接管路的真空夹层进行抽真空处理；首先将分子泵与样片舱排气口连接，进行抽真空处理，防止进入的空气在低温条件下结霜；再对真空夹层舱和校准舱连接管路的真空绝热层进行抽真空处理，使样片舱和真空绝热层的真空度达到10^-4mbar以下，然后关闭真空阀；在校准开始时，再打开分子泵持续对真空夹层舱进行抽真空处理，以保持较高的真空度；

步骤五、连接设置激发光源和相机；分别将激发光源和相机安装于真空夹层舱窗口上方，然后将激发光源和相机的控制线与同步控制器连接，再将相机数据线和同步触发器的控制线分别与工控机连接；校准采用LED激发光源，光源功率根据激发距离和样片发光强度进行调节；相机采用50mm定焦镜头，并在前面加装580nm高通滤镜，滤除激发光影响；调整相机的光圈和对焦距离，保证采集的温敏漆样片图像清晰，且处于图像的中心位置；

步骤六、液氮杜瓦罐流量设置及初始降温；将已经做真空绝热处理的传输管线的两端分别插入校准舱进气管口和液氮杜瓦罐中，并拧紧接口处的旋钮密封；为了提供连续液氮输出，杜瓦瓶内应适当保持正压，将液氮杜瓦罐上方的安全阀排气口与第一氮气瓶的减压阀出口连接，使液氮杜瓦罐内压力保持在3psi，其中第一氮气瓶的减压阀量程为0~5psi；打开传输管线上的流量调节阀，流量调节阀逆时针旋转三圈开始降温，等温度降到100K以下后，调低流量；为了减少温度过冲和降低液氮消耗，采用从低到高的温度控制模式，即首先从最低温开始校准，然后增温直至完成预定的校准温度范围；

步骤七、温度和压力设置及图像采集；校准试验需要在暗室中开展，以消除环境光影响；启动校准软件，在校准软件中校准压力设置为P=150kPa，校准温度200K，温度间隔ΔT=10K，压力间隔ΔP=50kPa；校准试验将温度设置为外循环，压力设置为内循环，即先控制温度，当温度达到预设条件后，再对此温度下的各个压力点进行调节；启动采集后，校准系统开始对样片舱内的温度和压力进行控制，当达到预设温度和压力后，触发同步控制器控制激发光源和相机开始激发光照射和光强图像采集；每个校准点，分别采集5帧图像；

步骤八、暗背景图像采集；关闭光源触发，仅控制相机采集5帧暗背景图像；

步骤九、校准参数及图像保存；保存低温温敏漆校准参数、各温度压力下的校准图像和暗背景图像；

步骤十、温敏漆校准图像处理和校准计算；将采集不同温度、不同压力下的温敏漆图像读入图像处理软件，参考条件设置为： P _ref =100kPa， T _ref =100K，将暗背景图像、校准图像和参考图像分别进行图像平均计算，再对校准图像和参考图像进行背景扣除操作，得到扣除背景的校准图像 I（ P， T）和扣除背景的参考图像 I( P _ref , T _ref )，然后计算 I（ P， T）/ I( P _ref , T _ref )，得到光强比 I/ I _ref ；

步骤十一、绘制光强比 I/ I _ref - T关系曲线，通过最小二乘法拟合，获取光强 I-温度 T的校准关系，得到图4，图4中横坐标为温度，单位为K，纵坐标为光强比，得到的拟合曲线函数关系式为y=3.7403-0.0369 x+10^-4 x ²；

步骤十二、生成包含校准压力、校准温度和校准系数的校准文件。

从图4可以看出，采用本发明提供的温敏漆校准装置和温敏漆校准方法可以获得低温温敏漆的静态校准结果。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种温敏漆校准装置，其特征在于，包括：

校准舱，其为双层结构，其中内层设置有低温冷舱和位于低温冷舱上方的样片舱；所述内层与外层之间设置有真空夹层舱；

样片台，其下端设置在低温冷舱中，上端伸入至样片舱中；

所述样片舱的上壁开设有样片舱窗口，所述样片舱正上方开设有真空夹层舱窗口，所述真空夹层舱窗口的正上方设置有相机和激发光源；

冷却控制组件，其通过传输管线与低温冷舱相连；

压力控制组件，其分别与所述样片舱和真空夹层舱相连；

温度控制组件，其与所述样片台相连；

所述冷却控制组件包括：

液氮杜瓦罐，其通过设置有减压阀的管路连接有第一氮气瓶，所述低温冷舱通过多层绝热的传输管线与液氮杜瓦罐相连，其中所述传输管线中设置有真空绝热层；

所述液氮杜瓦罐为铝合金或不锈钢双层罐体结构，包括：

杜瓦罐体，其顶部设置有压力控制机构和取液延长管，所述杜瓦罐体的罐口设置有压密封接头；

所述压力控制组件包括：

压力控制器，其内置有绝对压力控制模块，所述绝对压力控制模块通过绝热传输管路与样片舱的压力控制接口相连；

第二氮气瓶，其通过设置有减压阀的管路与所述绝对压力控制模块相连；

真空泵，其与所述绝对压力控制模块相连；

分子泵，其通过安装有真空阀的管路与真空夹层舱或样片舱相连；

所述温度控制组件包括：

加热控制器，其内置于所述样片台的上端；

多个温度传感器，其设置在所述样片台的外部；

PID温度控制器，其分别与所述加热控制器和温度传感器相连，所述PID温度控制器还内置有多个控制加热环。

2.如权利要求1所述的温敏漆校准装置，其特征在于，所述样片台的材质为外部镀金的高纯无氧铜；

所述样片舱和低温冷舱的外部设置有一层铝质防热辐射屏。

3.如权利要求1所述的温敏漆校准装置，其特征在于，还包括工控机，所述压力控制器和PID温度控制器分别与工控机相连，所述工控机还连接有同步控制器，所述同步控制器分别与相机和激发光源相连。

4.如权利要求1所述的温敏漆校准装置，其特征在于，所述压力控制器的压力调节范围为0~350kPa，绝对压力控制模块的调节精度大于0.04％，所述绝对压力控制模块通过控制器RS232、以太网接口或USB接口与工控机相连；

所述分子泵为无油涡轮分子泵，分子泵的氮气抽气速度大于47L/s，极限真空大于5×10^-10mbar。

5.如权利要求1所述的温敏漆校准装置，其特征在于，所述PID温度控制器温度测量范围为200mK~1500K，温度控制精度大于50mK，所述PID温度控制器包括4个独立输入通道，内置四个控制加热环；所述PID温度控制器的加热功率为0.5~100W；

所述加热控制器具体为硅二极管温度计或电阻型温度计，温度调节速率大于1K/min。

6.如权利要求1所述的温敏漆校准装置，其特征在于，所述相机为CCD或CMOS灰度相机，动态范围大于等于14位，图像分辨率不低于100万像素，满幅帧频不低于3帧/秒，所述相机的镜头采用24mm、35mm、50mm或85mm定焦镜头，采用580nm高通滤镜；所述相机拍摄方向垂直于温敏漆样片表面；

所述激发光源为波长365nm、400nm或460nm的LED光源，激发光源照射包括脉冲和连续两种模式，激发光源控制模型为TTL，激发光源照射面光强照度为8~20mW/cm²，激发光源的光头与测量面距离1100mm。

7.一种温敏漆校准方法，其基于权利要求1-6任一项所述的温敏漆校准装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、 温敏漆样片准备和喷涂；校准试验所使用的低温温敏漆为铕类或钌类低温温敏漆，适用测温范围100K~300K，低温温敏漆由低温环氧树脂底漆和低温温敏漆面漆组成，温敏漆校准所用样片为直径40mm、厚度2mm的钢材质18Ni-200圆形样片，表面粗糙度Ra小于0.4μm；首先进行低温环氧树脂底漆喷涂，喷涂前用无水乙醇清理温敏漆样片表面，然后在样片测试面均匀喷涂白色低温环氧树脂底漆，涂层厚度控制在30μm以下；低温环氧树脂底漆喷涂完成后，室温静置3个小时后放置烘箱，设置固化温度70℃，6个小时后取出；分别依次用800目、1500目和3000目砂纸对低温环氧树脂底漆进行抛光处理，并用粗糙度仪进行测量，粗糙度Ra控制在0.4μm以下；然后，在低温环氧树脂底漆上进行低温温敏漆面漆喷涂，喷涂完成后室温静置3小时后，70℃温度下固化6小时；固化后，用3000目或以上砂纸对面漆进行轻微抛光处理，涂层厚度控制在40μm以下，得到温敏漆样片；

步骤二、安装温敏漆样片；首先打开校准舱排气管腿上的泄压阀使真空夹层舱压力恢复至常压，然后分别打开真空夹层舱窗口和样片舱窗口，并将底部涂有低温导热脂的温敏漆样片放置在样片舱的样片台上，用压环压紧，保证温敏漆样片与样片台保持良好的导热性；安装样片舱窗口的密封圈和密封铟丝，再依次安装样片舱和真空夹层舱窗口的法兰；

步骤三、连接温敏漆校准系统；将PID温度控制器通过校准舱上的真空密封电学接头与校准舱内的加热控制器和温度传感器连接；压力控制器分别与样片舱压力控制端口、真空泵和第二氮气瓶的减压阀出口连接，第二氮气瓶的减压阀压力设置为3.0bar；然后，将PID温度控制器和压力控制器的通讯端口分别与工控机相连；

步骤四、对校准舱和校准舱连接管路的真空夹层进行抽真空处理；首先将分子泵与样片舱排气口连接，进行抽真空处理；再对真空夹层舱和校准舱连接管路的真空绝热层进行抽真空处理，使样片舱和真空绝热层的真空度达到10^-4mbar以下，然后关闭真空阀；在校准开始时，再打开分子泵持续对真空夹层舱进行抽真空处理；

步骤五、连接设置激发光源和相机；分别将激发光源和相机安装于真空夹层舱窗口上方，然后将激发光源和相机的控制线与同步控制器连接，再将相机数据线和同步触发器的控制线分别与工控机连接；校准采用LED激发光源，光源功率根据激发距离和样片发光强度进行调节；相机采用50mm定焦镜头，并在前面加装580nm高通滤镜，滤除激发光影响；调整相机的光圈和对焦距离，保证采集的温敏漆样片图像清晰，且处于图像的中心位置；

步骤六、液氮杜瓦罐流量设置及初始降温；将已经做真空绝热处理的传输管线的两端分别插入校准舱进气管口和液氮杜瓦罐中，并拧紧接口处的旋钮密封；杜瓦瓶内适当保持正压，将液氮杜瓦罐上方的安全阀排气口与第一氮气瓶的减压阀出口连接，使液氮杜瓦罐内压力保持在2~3psi，其中第一氮气瓶的减压阀量程为0~5psi；打开传输管线上的流量调节阀，流量调节阀逆时针旋转三圈开始降温，等温度降到100K以下后，调低流量；采用从低到高的温度控制模式，即首先从最低温开始校准，然后增温直至完成预定的校准温度范围；

步骤七、温度和压力设置及图像采集；校准试验需要在暗室中开展；启动校准软件，在校准软件中校准压力设置为P=50kPa~150kPa，校准温度100K~200K，温度间隔ΔT=10K，压力间隔ΔP=50kPa；校准试验将温度设置为外循环，压力设置为内循环，即先控制温度，当温度达到预设条件后，再对此温度下的各个压力点进行调节；启动采集后，校准系统开始对样片舱内的温度和压力进行控制，当达到预设温度和压力后，触发同步控制器控制激发光源和相机开始激发光照射和光强图像采集；每个校准点，分别采集5帧图像；

步骤八、暗背景图像采集；关闭光源触发，仅控制相机采集5帧暗背景图像；

步骤九、校准参数及图像保存；保存低温温敏漆校准参数、各温度压力下的校准图像和暗背景图像；

步骤十、温敏漆校准图像处理和校准计算；将采集不同温度、不同压力下的温敏漆图像读入图像处理软件，参考条件设置为：P _ref =100kPa，T _ref =100K，将暗背景图像、校准图像和参考图像分别进行图像平均计算，再对校准图像和参考图像进行背景扣除操作，得到扣除背景的校准图像I（P，T）和扣除背景的参考图像I(P _ref ,T _ref )，然后计算I（P，T）/I(P _ref ,T _ref )，得到光强比I/I _ref ；

步骤十一、绘制光强比I/I _ref -T关系曲线，通过最小二乘法拟合，获取光强I-温度T的校准关系；

步骤十二、生成包含校准压力、校准温度和校准系数的校准文件。

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