JP2013205174A - 圧力センサ並びに圧力計測装置及びその方法 - Google Patents

圧力センサ並びに圧力計測装置及びその方法 Download PDF

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正昭 松浦
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Abstract

【課題】圧力センサ並びに圧力計測装置及びその方法において、流路の位置に拘わらず圧力分布を適正に計測可能とする。
【解決手段】多数の貫通孔21を有する多孔質部材22における一方の面に感圧塗料23が塗布されて他方の面に光透過性を有する補強部材24が固定される圧力センサ11と、圧力センサ11における補強部材24側に配置されて圧力センサ11の計測面23aに励起光を照射する励起光源12と、圧力センサ11における補強部材24側に配置されて圧力センサ11における計測面23aからの発光光を受光するカメラ13とを設ける。
【選択図】図1

Description

本発明は、蛍光燐光式の感圧塗料を用いて流路における圧力分布を計測可能な圧力センサ並びに圧力計測装置及びその方法に関するものである。
感圧塗料(PSP:Pressure Sensitive Paint)を用いて圧力の分布を計測することが知られている。この計測は、空気中の酸素分子が感圧塗料に含まれる蛍光・燐光色素(発光色素)の励起エネルギーを奪い、発光色素の発光光が消光する現象を利用するものである。即ち、計測面に感圧塗料を塗り、この感圧塗料に励起光を照射すると発光色素が発光し、この発光強度分布をカメラで撮影して画像処理を行うことで、計測面の圧力分布を計測することができる。
このような感圧塗料を用いた圧力計測技術としては、例えば、下記特許文献1に記載されたものがある。この特許文献1に記載された計測方法は、表面に無数の凹みが形成された多孔質基盤を用い、この多孔質基盤の表面に感圧塗料を塗布し、光源から多孔質基盤の感圧塗料に向けて励起光を照射し、カメラにより発光強度分布を撮影して画像処理を行うことで、計測面の圧力分布を計測するものである。
特開2011−106948号公報
上述した特許文献1に記載された計測方法では、表面に無数の凹みが形成された多孔質基盤を用い、この多孔質基盤の表面に感圧塗料を塗布している。この場合、光源は、多孔質基盤における感圧塗料が塗布された側から励起光を照射し、同じ側からカメラにより発光強度分布を撮影することとなる。即ち、多孔質基盤に対して流路側に光源とカメラを配置しなければならず、この光源とカメラの位置が限定されることで、流路の位置によっては計測することができないおそれがある。
本発明は上述した課題を解決するものであり、流路の位置に拘わらず圧力分布を適正に計測可能とする圧力センサ並びに圧力計測装置及びその方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の圧力センサは、多数の貫通孔を有する多孔質部材と、前記多孔質部材における前記貫通孔が開口する一方の面に塗布される感圧塗料と、前記多孔質部材における前記貫通孔が開口する他方の面に設けられて光透過性を有する補強部材と、を有することを特徴とするものである。
従って、多数の貫通孔を有する多孔質部材一方の面に感圧塗料が塗布され、他方の面に光透過性を有する補強部材が設けられて圧力センサが構成されることから、光がこの圧力センサを透過することが可能となり、感圧塗料が塗布された計測面における圧力を圧力センサのどちらの面からも計測することができ、流路の位置に拘わらずこの流路の圧力分布を適正に計測することができる。
本発明の圧力センサでは、前記多孔質部材は、陽極酸化皮膜から構成されることを特徴としている。
従って、容易に低コストで多孔質部材を製造することができる。
また、本発明の圧力計測装置は、多数の貫通孔を有する多孔質部材における一方の面に感圧塗料が塗布されて前記他方の面に光透過性を有する補強部材が固定される圧力センサと、前記圧力センサにおける前記補強部材側に配置されて前記圧力センサの計測面に励起光を照射する励起光源と、前記圧力センサにおける前記補強部材側に配置されて前記圧力センサにおける前記計測面からの発光光を受光する撮像装置と、を有する、ことを特徴とするものである。
従って、圧力センサは、多数の貫通孔を有する多孔質部材一方の面に感圧塗料が塗布され、他方の面に光透過性を有する補強部材が設けられて構成され、感圧塗料が流路に面するように圧力センサを配置し、励起光源により補強部材側から励起光を照射すると、この励起光が補強部材を透過し、各貫通孔を通して感圧塗料に至って発光することとなり、撮像装置により補強部材側からこの発光光を撮影することで、計測面の圧力分布を計測することができる。その結果、流路側に励起光源や撮像装置を配置することなく、流路の圧力分布を適正に計測することができる。
また、本発明の圧力計測装置は、多数の貫通孔を有する多孔質部材における一方の面に感圧塗料が塗布されて前記他方の面に光透過性を有する補強部材が固定される圧力センサと、前記圧力センサの計測面に励起光を照射する励起光源と、前記圧力センサにおける前記計測面からの発光光を受光する撮像装置と、を有し、前記励起光源と前記撮像装置の一方が前記圧力センサにおける前記補強部材側に配置され、前記他方が前記感圧塗料側に配置される、ことを特徴とするものである。
従って、圧力センサは、多数の貫通孔を有する多孔質部材一方の面に感圧塗料が塗布され、他方の面に光透過性を有する補強部材が設けられて構成され、感圧塗料が流路に面するように圧力センサを配置し、例えば、励起光源により感圧塗料側から励起光を照射すると、この励起光が感圧塗料に至って発光することとなり、撮像装置により補強部材側から補強部材及び各貫通孔を通してこの発光光を撮影することで、計測面の圧力分布を計測することができる。その結果、励起光源と撮像装置を圧力センサを挟んで同軸上に配置することが可能となり、流路の圧力分布を適正に、且つ、高精度に計測することができる。
本発明の圧力計測装置では、前記補強部材は、前記撮像装置のフィルタまたはレンズで構成されることを特徴としている。
従って、補強部材として撮像装置のフィルタやレンズを用いることで、光透過性を有する補強部材を別途設ける必要がなく、構造の簡素化及び低コスト化を可能とすることができる。
また、本発明の圧力計測方法は、多数の貫通孔を有する多孔質部材における一方の面に感圧塗料が塗布されて前記他方の面に光透過性を有する補強部材が固定される圧力センサを、前記感圧塗料が流路に面するように配置し、前記圧力センサにおける前記補強部材側から励起光を照射し、前記圧力センサにおける前記補強部材からの発光光を受光し、前記受光光から前記流路の圧力を計測する、ことを特徴とするものである。
従って、流路側に励起光源や撮像装置を配置することなく、流路の圧力分布を適正に計測することができる。
また、本発明の圧力計測方法は、多数の貫通孔を有する多孔質部材における一方の面に感圧塗料が塗布されて前記他方の面に光透過性を有する補強部材が固定される圧力センサを、前記感圧塗料が流路に面するように配置し、前記圧力センサにおける前記感圧塗料と前記補強部材のいずれか一方側から励起光を照射し、前記他方側からの発光光を受光し、前記受光光から前記流路の圧力を計測する、ことを特徴とするものである。
従って、励起光源と撮像装置を圧力センサを挟んで同軸上に配置することが可能となり、流路の圧力分布を適正に、且つ、高精度に計測することができる。
本発明の圧力センサ並びに圧力計測装置及びその方法によれば、多数の貫通孔を有する多孔質部材における一方の面に感圧塗料を塗布して他方の面に光透過性を有する補強部材を固定して圧力センサを構成し、感圧塗料が流路に面するように圧力センサを配置し、圧力センサにおける補強部材側から、励起光源により感圧塗料に励起光を照射したり、撮像装置により感圧塗料の発光光を受光したりすることを可能とするので、流路の位置に拘わらず圧力分布を適正に計測することができる。
図1は、本発明の実施例1に係る圧力計測装置を表す概略図である。 図2は、実施例1の圧力計測装置に適用される圧力センサを表す概略図である。 図3は、本発明の実施例2に係る圧力計測装置を表す概略図である。 図4は、本発明の実施例3に係る圧力計測装置を表す概略図である。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る圧力センサ並びに圧力計測装置及びその方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図1は、本発明の実施例1に係る圧力計測装置を表す概略図、図2は、実施例1の圧力計測装置に適用される圧力センサを表す概略図である。
実施例1において、図1に示すように、圧力計測装置10は、圧力センサ11と、励起光源12と、撮像装置としてのカメラ13とを有しており、流路14における圧力分布を計測することができる。
圧力センサ11は、図1及び図2に示すように、多数の貫通孔21を有する多孔質部材22と、多孔質部材22における各貫通孔21が開口する一方の面に塗布される感圧塗料23と、多孔質部材22における各貫通孔21が開口する他方の面に設けられて光透過性を有する補強部材24とから構成されている。
多孔質部材22は、孔径がナノミクロンオーダの無数の貫通孔21が形成された薄板形状をなす基盤であり、例えば、陽極酸化皮膜から構成されている。なお、この多孔質部材22は、陽極酸化皮膜に限るものではなく、これ以外に、例えば、シリカゲルや酸化アルミ粒子や二酸化チタン粒子などのような多孔質物質から形成してもよい。
感圧塗料23は、周囲の圧力に応じて発光強度が変化する蛍光塗料であり、具体的には、周辺大気における酸素が塗料の蛍光(または、燐光)を消光させる作用を有している。即ち、酸素濃度は、静圧に比例するため、感圧塗料を多孔質部材22に塗布することで、表面(計測面)23aの圧力分布を光学的に把握することができる。この感圧塗料23は、感圧色素をポリマーによりバインドした混合物を有機溶剤に溶解して製造されたものであり、感圧色素としては、例えば、ポルフィリン系やルテニウム錯体などの遷移金属錯体、また、ピレン系分子などの多環式芳香族化合物などが用いられ、ポリマーとしては、例えば、フッ素系ポリマーが用いられる。本実施例にて、感圧塗料23は、多孔質部材22における一方の面に、例えば、スプレーガンにより薄く塗布されて形成された所定厚さの層である。この場合、感圧塗料23は、多孔質部材22の表面だけでなく、各貫通孔21の内面にまで入り込んで付着している。なお、多孔質部材22に対する感圧塗料23の塗布処理は、スプレーガンによるものに限らず、刷毛による塗布、浸漬など他の方法であってもよい。
補強部材24は、光透過性を有する材料、例えば、石英ガラスやアクリル樹脂(合成樹脂)などにより形成されている。そして、この補強部材24は、多孔質部材22における他方の面に固定されている。
励起光源12は、感圧塗料23に用いられる感圧色素の励起波長と発光波長に応じて設定されるものであり、キセノンランプなどが用いられる。カメラ13は、受光部が高速度・高感度の光センサによって構成されたカメラであり、多孔質部材22に塗布された感圧塗料23の計測面23aの発光強度分布を撮影して画像処理を行うことで、計測面23aの圧力分布を計測することができる。
本実施例の圧力計測装置10にて、圧力センサ11は、流路14側に感圧塗料23の計測面23aが面するように配置され、圧力センサ11における補強部材24側に励起光源12が配置されると共に、励起光源12と同じ側にカメラ13が配置される。この励起光源12とカメラ13は、圧力センサ11の計測面23aに対してほぼ同距離となるように、支持部材15に支持されている。なお、励起光源12の光量やカメラ13のレンズや絞りなどに調整可能とすれば、励起光源12とカメラ13を圧力センサ11の計測面23aに対して同距離に設定する必要はない。
そして、本実施例の圧力計測装置10による計測方法は、励起光源12が圧力センサ11における補強部材24側から励起光を照射し、カメラ13が圧力センサ11における補強部材24からの発光光を受光し、この受光光から流路14の圧力分布を計測する。
具体的に説明すると、励起光源12から圧力センサ11に向けて励起光を照射すると、この励起光は、補強部材24を透過し、多孔質部材22の各貫通孔21を通って感圧塗料23に至る。この感圧塗料23は、励起光が照射されると、蛍光・燐光色素が基底状態から励起状態へ移行し、内部転換を経て励起一重項状態に移行して発光(蛍光・燐光)する。酸素分子が感圧色素に付着すると、励起エネルギの一部が酸素分子によって奪われ、感圧色素の発光が阻害されて発光強度が低下する。
カメラ13は、補強部材24及び多孔質部材22の各貫通孔21を通して感圧塗料23の発光を撮像する。ここで、感圧塗料23にて、発光強度と酸素濃度とは逆相関関係をもつことから、発光強度により酸素濃度、つまり、酸素分圧を計測することができる。即ち、カメラが撮像した発光強度を色の濃淡に対して、計測面23aの酸素分圧を計測することができ、その結果、この計測面23aの近傍における流路14の圧力分布を計測することができる。
このように実施例1の圧力センサにあっては、多数の貫通孔21を有する多孔質部材22と、多孔質部材22における各貫通孔21が開口する一方の面に塗布される感圧塗料23と、多孔質部材22における各貫通孔21が開口する他方の面に設けられて光透過性を有する補強部材24とから構成されている。
従って、多数の貫通孔21を有する多孔質部材22一方の面に感圧塗料23が塗布され、他方の面に光透過性を有する補強部材24が設けられて圧力センサ11が構成されることから、励起光がこの圧力センサ11を透過することが可能となり、感圧塗料23が塗布された計測面23aにおける圧力を圧力センサ11のどちらの面からも計測することができ、流路14の位置に拘わらず、この流路14の圧力分布を適正に計測することができる。
実施例1の圧力センサでは、多孔質部材22を陽極酸化皮膜から構成している。従って、容易に低コストで多孔質部材を製造することができる。
また、実施例1の圧力計測装置にあっては、多数の貫通孔21を有する多孔質部材22における一方の面に感圧塗料23が塗布されて他方の面に光透過性を有する補強部材24が固定される圧力センサ11と、圧力センサ11における補強部材24側に配置されて圧力センサ11の計測面23aに励起光を照射する励起光源12と、圧力センサ11における補強部材24側に配置されて圧力センサ11における計測面23aからの発光光を受光するカメラ13とを設けている。
従って、圧力センサ11は、多数の貫通孔21を有する多孔質部材22一方の面に感圧塗料23が塗布され、他方の面に光透過性を有する補強部材24が設けられて構成され、感圧塗料23が流路14に面するように圧力センサ11を配置し、励起光源12により補強部材24側から励起光を照射すると、この励起光が補強部材24を透過し、各貫通孔21を通して感圧塗料23に至って発光することとなり、カメラ13により補強部材24側からこの発光光を撮影することで、計測面23aの圧力分布を計測することができる。その結果、流路14側に励起光源12やカメラ13を配置することなく、流路14の圧力分布を適正に計測することができる。
また、実施例1の圧力計測方法にあっては、圧力センサ11における補強部材24側から励起光を照射し、圧力センサ11における補強部材24からの発光光を受光し、受光光から流路14の圧力を計測している。
従って、流路14側に励起光源12やカメラ13を配置することなく、流路14の圧力分布を適正に計測することができる。
図3は、本発明の実施例2に係る圧力計測装置を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
実施例2では、図3に示すように、圧力計測装置30は、圧力センサ11と、励起光源12と、カメラ13とを有しており、流路14における圧力分布を計測することができる。
圧力センサ11は、多数の貫通孔21を有する多孔質部材22と、多孔質部材22における各貫通孔21が開口する一方の面に塗布される感圧塗料23と、多孔質部材22における各貫通孔21が開口する他方の面に設けられて光透過性を有する補強部材24とから構成されている。
本実施例の圧力計測装置30にて、圧力センサ11は、流路14側に感圧塗料23の計測面23aが面するように配置され、圧力センサ11における補強部材24側に励起光源12が配置される一方、圧力センサ11における感圧塗料23側、つまり、流路14にカメラ13が配置される。この励起光源12とカメラ13は、圧力センサ11の計測面23aに対してほぼ同距離となるように、且つ、励起光源12の光軸O1と、カメラ13の光軸O2がほぼ直線上に位置するように配置されている。
そして、本実施例の圧力計測装置30による計測方法は、励起光源12が圧力センサ11における補強部材24側から励起光を照射し、カメラ13が圧力センサ11における感圧塗料23側からの発光光を受光し、この受光光から流路14の圧力分布を計測する。
具体的に説明すると、励起光源12から圧力センサ11に向けて励起光を照射すると、この励起光は、補強部材24を透過し、多孔質部材22の各貫通孔21を通って感圧塗料23に至る。この感圧塗料23は、励起光が照射されると、発光(蛍光・燐光)する。流路14側にあるカメラ13は、感圧塗料23の計測面23aからの発光を撮像することで、計測面23aの近傍における流路14の圧力分布を計測することができる。
このように実施例2の圧力計測装置にあっては、多数の貫通孔21を有する多孔質部材22における一方の面に感圧塗料23が塗布されて他方の面に光透過性を有する補強部材24が固定される圧力センサ11と、圧力センサ11における補強部材24側に配置されて圧力センサ11の計測面23aに励起光を照射する励起光源12と、圧力センサ11における感圧塗料23側に配置されて圧力センサ11における計測面23aからの発光光を受光するカメラ13とを設けている。
従って、圧力センサ11は、多数の貫通孔21を有する多孔質部材22一方の面に感圧塗料23が塗布され、他方の面に光透過性を有する補強部材24が設けられて構成され、感圧塗料23が流路14に面するように圧力センサ11を配置し、励起光源23により補強部材24側から励起光を照射すると、この励起光が補強部材24を透過し、各貫通孔21を通して感圧塗料23に至って発光することとなり、カメラ13により感圧塗料23側からこの発光光を撮影することで、計測面23aの圧力分布を計測することができる。その結果、励起光源12とカメラ13を圧力センサ11を挟んで同軸上に配置することが可能となり、流路14の圧力分布を適正に、且つ、高精度に計測することができる。
また、実施例2の圧力計測方法にあっては、圧力センサ11における補強部材24側から励起光を照射し、感圧塗料23側からの発光光を受光し、受光光から流路14の圧力を計測している。
従って、励起光源12とカメラ13を圧力センサ11を挟んで同軸上に配置することが可能となり、流路14の圧力分布を適正に、且つ、高精度に計測することができる。
なお、この実施例2では、圧力センサ11における補強部材24側に励起光源12を配置する一方、圧力センサ11における感圧塗料23側にカメラ13を配置したが、圧力センサ11における補強部材24側にカメラ13を配置する一方、圧力センサ11における感圧塗料23側に励起光源12を配置してもよい。
図4は、本発明の実施例3に係る圧力計測装置を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
実施例3では、図4に示すように、圧力計測装置40は、圧力センサ41と、励起光源42と、カメラ43とを有しており、流路14における圧力分布を計測することができる。
圧力センサ41は、多数の貫通孔21を有する多孔質部材22と、多孔質部材22における各貫通孔21が開口する一方の面に塗布される感圧塗料23と、多孔質部材22における各貫通孔21が開口する他方の面に設けられて光透過性を有する補強部材としてのフィルタ51とから構成されている。
本実施例の圧力計測装置40にて、圧力センサ41は、流路14側に感圧塗料23の計測面23aが面するように配置され、圧力センサ41における感圧部材23側、つまり、流路14に励起光源42が配置される一方、圧力センサ41における感圧塗料23とは反対側にカメラ43が配置される。この場合、カメラ43は、所定の波長だけの光が入光するフィルタ51を有しており、このフィルタ51を介して多孔質部材22が固定されている。即ち、カメラ43のフィルタ51は、光透過性を有することから、圧力センサ41の補強部材として機能し、圧力センサ41とカメラ43が一体に構成されている。
そして、本実施例の圧力計測装置40による計測方法は、励起光源42が圧力センサ41における感圧塗料23側から励起光を照射し、カメラ43がその反対側から感圧塗料23の光を受光し、この受光光から流路14の圧力分布を計測する。
具体的に説明すると、励起光源12から圧力センサ41に向けて励起光を照射すると、この励起光は感圧塗料23に至り、発光(蛍光・燐光)する。圧力センサ41における計測面23aの発光は、多孔質部材22の各貫通孔21からフィルタ51を透過してカメラ43が撮像することで、計測面23aの近傍における流路14の圧力分布を計測することができる。
このように実施例3の圧力計測装置にあっては、圧力センサ41と励起光源42とカメラ43とを設け、圧力センサ41の一方の面に感圧塗料23を塗布し、他方の面にカメラ43のフィルタ51を固定している。
従って、補強部材としてカメラ43のフィルタ51を用いることで、光透過性を有する補強部材を別途設ける必要がなく、構造の簡素化及び低コスト化を可能とすることができる。
なお、この実施例3では、補強部材としてカメラ43のフィルタ51を用いたが、カメラ43の光学レンズを用いてもよい。
また、上述した各実施例では、多孔質部材22に多数の貫通孔21を設けたが、この貫通孔21の貫通方向は、多孔質部材22の厚さ方向に貫通していればよいものであり、多孔質部材22の厚さ方向に平行であるものに限らず、傾斜していてもよいものである。
10,30,40 圧力計測装置
11,41 圧力センサ
12,42 励起光源
13,43 撮像装置(カメラ)
14 流路
21 貫通孔
22 多孔質部材
23 感圧塗料
23a 計測面
24 補強部材
51 フィルタ(補強部材)

Claims (7)

  1. 多数の貫通孔を有する多孔質部材と、
    前記多孔質部材における前記貫通孔が開口する一方の面に塗布される感圧塗料と、
    前記多孔質部材における前記貫通孔が開口する他方の面に設けられて光透過性を有する補強部材と、
    を有することを特徴とする圧力センサ。
  2. 前記多孔質部材は、陽極酸化皮膜から構成されることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
  3. 多数の貫通孔を有する多孔質部材における一方の面に感圧塗料が塗布されて前記他方の面に光透過性を有する補強部材が固定される圧力センサと、
    前記圧力センサにおける前記補強部材側に配置されて前記圧力センサの計測面に励起光を照射する励起光源と、
    前記圧力センサにおける前記補強部材側に配置されて前記圧力センサにおける前記計測面からの発光光を受光する撮像装置と、
    を有する、
    ことを特徴とする圧力計測装置。
  4. 多数の貫通孔を有する多孔質部材における一方の面に感圧塗料が塗布されて前記他方の面に光透過性を有する補強部材が固定される圧力センサと、
    前記圧力センサの計測面に励起光を照射する励起光源と、
    前記圧力センサにおける前記計測面からの発光光を受光する撮像装置と、
    を有し、
    前記励起光源と前記撮像装置の一方が前記圧力センサにおける前記補強部材側に配置され、前記他方が前記感圧塗料側に配置される、
    ことを特徴とする圧力計測装置。
  5. 前記補強部材は、前記撮像装置のフィルタまたはレンズで構成されることを特徴とする請求項3または4に記載の圧力計測装置。
  6. 多数の貫通孔を有する多孔質部材における一方の面に感圧塗料が塗布されて前記他方の面に光透過性を有する補強部材が固定される圧力センサを、前記感圧塗料が流路に面するように配置し、
    前記圧力センサにおける前記補強部材側から励起光を照射し、
    前記圧力センサにおける前記補強部材からの発光光を受光し、
    前記受光光から前記流路の圧力を計測する、
    ことを特徴とする圧力計測方法。
  7. 多数の貫通孔を有する多孔質部材における一方の面に感圧塗料が塗布されて前記他方の面に光透過性を有する補強部材が固定される圧力センサを、前記感圧塗料が流路に面するように配置し、
    前記圧力センサにおける前記感圧塗料と前記補強部材のいずれか一方側から励起光を照射し、
    前記他方側からの発光光を受光し、
    前記受光光から前記流路の圧力を計測する、
    ことを特徴とする圧力計測方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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