JP3867248B2

JP3867248B2 - 温度依存性補正を加えた感圧塗料のｉｎｓｉｔｕ計測手法とその装置

Info

Publication number: JP3867248B2
Application number: JP2004188358A
Authority: JP
Inventors: 充栗田; 和之中北; 和徳満尾; 重哉渡辺
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: JP2006010517A

Description

本発明は、物体表面における圧力分布および温度分布を画像計測する手法と、その手法を用い、流体機器一般、例えばロケットや航空機および自動車等の機体や部位表面の圧力分布の計測に適した圧力分布画像計測システムに関する。

従来、任意物体まわりの流れ場を調べるための方法として圧力計測が行われてきた。そこでは、被計測物体表面に圧力孔を設けマノメータや圧力変換器等を接続して圧力を計測する手法が採られてきた。この方法で得られるデータは、被計測物体表面の限られた任意点におけるものである。一方、流れ場を調べるためには圧力を面に対して、すなわち、場としての連続した分布情報の形で得たい揚合が多い。そのためには圧力孔の数を増やしてそのニーズに対応するしか方法が無く、これは実用上の限界がある。さらに、薄肉部分では、圧力孔製作そのものが困難であるという問題を伴う。

このような問題を解決する計測法として被検体表面に感圧塗料を塗布してその発光状態から圧力分布を計測する手法（特許文献１参照）が提示されている。この感圧塗料計測法は酸素分圧に応じて発光強度が変化する化学物質を利用した計測法であり、酸素を含む気体が面に及ぼす圧力を計測することができる特長をもつ。
ここで、画像として得られた感圧塗料発光強度を圧力に変換する較正方法のひとつとしてin situ 法がある。in situ 法とは、実験を行いつつリアルタイムで較正特性を取得する手法である。感圧塗料計測法の場合の較正手法は被検体まわりに複数の圧力孔を設け、圧力孔に接続した圧力変換器等のデータと圧力孔まわりの感圧塗料発光強度を関係付けて較正特性を割り出す方法が採用されている。この方法は、圧力孔に接続した圧力変換器等のデータを基準値として圧力孔まわりの感圧塗料発光強度データを対応させてグラフ上にプロットし、得られた複数のプロット点を最小二乗法等で近似して発光強度と圧力との関係の較正曲線を得るという手法である。この際に基準器として用いられる圧力変換器データは予め電圧と圧力を関連づける較正特性線により圧力に変換されるものであり、長年の実績があり信頼性の高い圧力変換器データを用いることにより感圧塗料計測の信頼性を確保することができる。
しかし、このin situ 法による較正は任意物体が均一の温度分布である場合にのみ適用でき、偏った温度分布を有する場合には適用できない。なぜなら、感圧塗料を形成している化学物質は、圧力のみならず温度に対しても発光強度を変化させる特性を持つからである。例えば、任意物体まわりの圧力分布が一様な場合でも、温度分布が不均一で偏りがあった場合、温度の影響により感圧塗料の発光強度が変化するため、結果として、あたかも圧力分布に偏りがあるかのように検出されてしまう。この特性は、一般に感圧塗料の温度依存性と呼ばれ、感圧塗料計測における大きな問題とされている。

任意物体表面において圧力と温度がともに変化する場合、感圧塗料の発光強度は圧力と温度の両方の影響が加わって変化することになる。すなわち、感圧塗料の発光強度は圧力のみの関数にはならず、圧力と温度の関数となるため、従来のin situ 法による較正では温度による計測誤差を含んだ較正特性しか得られない。したがって、温度分布の無い、ごく限られた条件下、すなわち、温度分布による計測誤差が許容できる場合にのみ適用が可能なものであった。この問題を解決するには、感圧塗料の温度依存性を補正し、感圧塗料の発光強度を圧力のみの関数として求めることが必要とされる。
国外において赤外線カメラを使用して感圧塗料の温度依存性を補正する内容を記載した論文（非特許文献１）があるが、そもそも a priori 法への適応を論じており、in situ 法への適用ではない。この a priori 法とは感圧塗料を塗布した試験片を圧力と温度が制御できるチャンバー内に設置し、温度と圧力を変化させてその発光特性を事前に調べておく校正法であるため、模型に圧力孔を設ける必要はないが時々刻々変化する現場の状況に即した較正ではなく、一般に実験中に生じる様々な誤差要因に対して弱く、十分な計測精度を得ることが難しいとされている。また、この場合、感圧塗料計測用とは別に赤外線カメラシステム等の機材を要する。赤外線カメラはレンズや観測窓に赤外線を通す特殊材質を用いる必要があり一般に非常に高価である。
特開２００１−２４９０７６号公報「高機能感圧塗料及び素子」平成１３年９月１４日公開米国特許第６，６９６，６９０号明細書 ”METHOD AND APPARATUS TO CORRECT FOR THE TEMPERATURE SENSITIVITY OF PRESSURE SENSITIVE PAINT”登録日２００４年２月２４日特開平７−１２６６１号公報「表面上の酸素含有気体の圧力を測定する方法、表面上の酸素含有気体を可視化する方法および感圧組成」平成７年１月１７日公開（ファミリー特許：米国特許第５，１８６，０４６号明細書） Mebarki Y. and Cooper K.R."Aerodynamic Testing of a Generic Automotive Model with Pressure Sensitive Paint", The 10th International Symposium on Flow Visualization, F0120, August, 2002.

本発明が解決しようとする課題は、感圧塗料の温度依存性を補正し、感圧塗料の発光強度を圧力のみの関数として精度よく求める手法を用いて物体温度分布が常に変化して任意の温度分布を有する場合でもin situ 法を用いた精度の高い感圧塗料計測を行える、物体表面圧力および物体表面温度の計測手法およびそれを実施するシステムを提供することにある。

本発明の被検体表面圧力計測方法は、複数箇所に圧力孔を設けると共に表面に感圧塗料を塗布した任意の材質からなる被検体表面の各区分領域についての温度分布データを任意の温度計測手法により取得するステップと、該温度分布データに基づいて感圧塗料の温度による発光強度変化分を補正し、圧力のみの関数とした感圧塗料の発光強度分布を得るステップと、圧力孔まわりの補正された感圧塗料発光強度と他の圧力計で検出した圧力孔データとを関連付ける in situ法による較正ステップと、該 in situ法による較正特性に基づいて前記圧力のみの関数とした感圧塗料の発光強度分布を圧力分布に変換するステップとからなる。
被検体表面の各区分領域についての温度分布データを取得する温度計測手法としては、赤外線カメラによる撮影画像を用いるもの、また、温度依存性を有する感圧塗料が塗布された領域と対称領域に温度に対して発光強度を変化させる感温塗料を塗布したもの、あるいは感圧・感温複合塗料を用いるものを提示する。
本発明の被検体表面圧力計測方法では、取得された感温塗料の発光強度は予め取得された該感温塗料の特性データに基づいて被検体表面の温度計測がなされ、感圧塗料の発光強度は予め取得された該感圧塗料の定圧力下における温度依存特性較正データに基づいて温度依存成分が算出される。

本発明の被検体表面圧力計測装置は、表面に感圧塗料が塗布された被検体を照射する励起光源と、前記被検体を撮影する撮像装置と、赤外線カメラ、感温塗料あるいは感圧・感温複合塗料を用いるなど、被検体画像情報から被検体表面の各区分領域についての温度を割り出す手段と、該温度情報から予め取得された前記感圧塗料の定圧力下における温度依存特性較正データに基づいて感圧塗料の温度依存成分を算出すると共に、感圧塗料が塗布された被検体画像情報から該温度依存成分を補正して被検体表面の圧力分布を割り出す手段とを備える。
また、本発明の被検体表面圧力計測装置では、被検体を撮影する撮像装置がＣＣＤカメラおよび／又は赤外線カメラであって、被検体表面の各区分領域についての温度を割り出す手段は前記カメラの画素情報を温度検出に用いるものである。
更に、本発明の in situ法による感圧塗料の較正装置は、複数箇所に圧力孔を設けると共に表面に感圧塗料が塗布された被検体を照射する励起光源と、前記被検体を撮影する撮像装置と、被検体画像情報から前記被検体表面の各区分領域についての温度を割り出す手段と、感圧塗料が塗布された被検体画像情報から前記温度情報と当該感圧塗料の温度依存特性較正データに基づいて温度補正した被検体表面の感圧塗料発光強度を割り出す手段と、圧力孔近傍の補正された感圧塗料発光強度と他の圧力計で検出した圧力孔データとを関連付ける手段を備えるものとした。

本発明の被検体表面圧力計測方法は、任意の温度計測手法により取得した各区分領域についての温度分布データに基づいて圧力のみの関数とされた感圧塗料の発光強度分布情報を変化する温度環境に追随して逐次得ることが出来るので、その情報からその時点における圧力孔近傍における区分領域の温度補正された感圧塗料発光強度が抽出できると共に、それと基準となる他の圧力計で検出した圧力孔データとを関連付ける較正を行うものであるから、温度依存性を有する感圧塗料の発光強度を時々刻々変化する温度環境の中に於いても逐次感圧塗料の発光強度を in situ法による較正を施すことが可能となる。そして、図３に示すように複数の圧力孔に対応して得られた圧力値をグラフ上に○でプロットして温度補正された感圧塗料発光強度in situ較正特性を得るようにしたので、それに基づいて感圧塗料が塗布された被検体表面における温度補正された感圧塗料の発光強度分布情報から被検体表面の圧力分布情報を得ることが出来る。
本発明は素材を選ばず多くの材質で形成された物体に対する適用が可能であり、そこではデータの空間的情報を損なうことなく、かつ、長年の実績があり信頼性の高い圧力変換器データを基準器データとして用いることにより、計測の信頼性を確保したまま、感圧塗料計測法における計測精度を向上させることができる。

本発明の基礎には感圧塗料が温度依存性を有していることにより、まず、その温度依存性を補正して感圧塗料の発光強度を圧力のみの関数として求めることが重要な課題となっている。この課題は感圧塗料を用いた圧力計測の分野では新規なものではなく、前述の非特許文献１にも認識されているだけでなく他の多くの文献でも問題とされているテーマである。因みに特許文献２には感圧塗料の温度依存性を補正するために圧力の影響を受けず温度の計測が可能な感温塗料を用いて、まず被検体表面の温度分布情報を得て、これに基づいて感温塗料の温度依存性を補正する技術が開示されている。ただし、この技術は感温塗料を塗布した上に感圧塗料を積層状に重ねて塗布するものであるため、感温塗料の励起光は感圧塗料の層を透過させねばならず感温塗料の発光はやはり感圧塗料の層を透過させねばならない。このため、精度の良い温度分布計測は困難であるし、in situ 法による較正への言及はない。
また、特許文献３には感圧塗料（センサＡ）の補正用に感温塗料（センサＢ）と他のセンサＣを用いる技術が開示されているが、補正の具体的手法や適用のしかたははっきりしない。温度領域を区分して２本の較正曲線を使用する旨の説明があるが、これでは精度の良い補正はできないし、領域間の不連続をどのようにスムージングするのかも不明である。そして、この文献にもin situ 法による較正への言及はない。

本発明では温度分布計測に感温塗料を用いる場合、同一条件下の被検体表面に感圧塗料，感温塗料および感圧・感温複合塗料（本発明者等が先に出願した特願２００３−２７３７８７号参照）を塗布しキセノンランプやＬＥＤ、レーザー等を光源とした励起光を照射する。感温塗料を塗布した領域と感圧塗料を塗布した領域を同一条件下とする意図は、流れ場に設置された被検体において両領域が受圧分布並びに温度分布に於いて常に同一状態にあるようにするためである。ただし、赤外線カメラや感圧・感温複合塗料を用いる場合は同じ領域での温度計測が可能であるので同一条件下の被検体表面をわざわざ準備する必要はない。励起光により感圧塗料および感温塗料は励起されて発光するが、その発光強度は被検体表面圧力および温度に応じて変化する。この発光強度の分布を画像データとして取得検出するのであるが、感圧塗料および感温塗料は圧力や温度によって発光強度が変化する化学物質とそれを包むポリマーから成る。感温塗料の計測原理は蛍光や燐光を発生する化学物質の中で、温度に感応して発光強度が著しく変化する物質を利用したものである。この種の物質は温度が増加すると振動により励起分子が無輻射で基底状態に落ち、発光が弱くなる温度消光現象と呼ばれる現象を示す。そこでは、ある温度範囲に限って発光強度の比の対数が温度の逆数に比例するという理論式があるが、一般には理論式どおりの現象を示すものは少なく、較正試験によって得られた経験式が用いられる。なお、 in situ法による感圧塗料の較正を行う本発明では、被検体表面の温度分布が逐次検出できれば足り、温度計測手法は任意であって感温塗料計測法に特定する必然性はない。

一方、感圧塗料の計測原理は蛍光や燐光を発生する化学物質の中で、酸素濃度に感応して発光強度が著しく変化する物質を利用したものである。酸素濃度は酸素分圧に比例し、また、空気中の酸素分圧は静圧の２１％に等しいことから、感圧塗料発光強度と圧力を関係づけることができる。理論的にはスタン・ボルマーの関係式で表され、較正によって関係式における係数を取得する。ところが、感圧塗料は圧力のみならず温度に対しても発光強度を変化させる特性を持つ。したがって、任意物体表面において圧力と温度がともに変化する場合、感圧塗料は圧力のみならず温度の影響をも受けて発光強度を変化させる。したがって、この発光強度を用いていた従来のin situ法による較正では温度による計測誤差を含んだ較正特性しか得られなかった。

この事情に鑑み、本発明では、まず、任意の温度計測手法を用いて物質表面の区分毎の温度分布データを算出し、次に、その温度分布データを使用して感圧塗料の温度依存性を補正して感圧塗料の発光強度分布を圧力のみに依存する関数となるようにして得ることにしたものである。感圧塗料が塗布された被検体表面の温度を赤外線カメラで検出する場合には問題とはならないことであるが、感温塗料を用いその発光強度から温度を検出しようとすると、測定領域に感温塗料を塗布する必要がある。しかし、感圧塗料を塗布してある領域に感温塗料を塗布することは出来ない。そこで、感圧塗料の塗布領域と同一の構造物に感温塗料を塗布して少なくとも温度分布において同一状態となるようにしてその温度分布を測定するようにしたのである。因みに航空機模型の場合には被検体が左右対称構造であるため、この条件にあわせて実施しやすい。その後、複数の圧力孔に接続した基準圧力変換器による圧力データと同圧力孔近傍の温度依存分を補正された感圧塗料発光強度分布情報と比較して in situ法により校正を実行する。そこでは図３に示したようにグラフ上にプロットして較正特性を得る。これに基づいてすべての位置の補正発光強度を圧力値に変換することができる。これを圧力係数としたものを図５に示す。なお、本発明では事前に感圧塗料の温度−発光強度特性と感温塗料の温度−発光強度特性を得てデータベースに蓄積しておくようにする。

本実施例では図１に示すように被検体として、金属性の航空機模型を使用し、その表面に感圧塗料を左前翼に感温塗料を右前翼に領域区分して塗布し、これに光源から励起光を照射して両塗料の発光強度をＣＣＤカメラで撮影するものとした。まず、模型表面に感圧塗料および感温塗料の発光強度を増加促進させるための白色塗料を塗布する。その上から感圧塗料（ＰＳＰ）および感温塗料（ＴＳＰ）を模型左右に塗り分けて塗布する。この感圧塗料および感温塗料は、圧力および温度に応じて発光強度が変化する化学物質とそれを包むポリマーから構成されている。
感圧塗料計測法および感温塗料計測法において、圧力および温度を算出するための理論式および経験式を適用するためや塗料の塗りむらを相殺するために、基準状態である無風時の発光強度と通風状態の発光強度の比を求めて用いるが、この際の画像処理において画像の位置合わせを容易にするため模型上には位置参照点となるマーカーを設置しておく。
励起光源としてはキセノン光源を用い干渉フィルタを介して励起光照射する。感圧塗料および感温塗料のそれぞれが励起される適切な波長域の光を模型に照射する。また、光源からの光照射とカメラシャッターはパルス信号発生装置を使用して適切なタイミングで同期させる。

風洞には宇宙航空研究開発機構風洞技術開発センターに配備されている２ｍ×２ｍ遷音速風洞を使用し、模型の左右で同じ流れ場を形成させるため横すべり角βは０°として風洞へ固定した。この風洞は連続循環式の風洞であり、図１に示すように４つのＣＣＤカメラが配置されているが、今回の実験では上の１つと左右のカメラを使用した。通風運転時、気流総温は運転開始時の室温から約４０℃まで上昇する。これにより模型温度分布は、模型まわりの流れ場による影響のみならず風洞気流温度の影響も受けて常に変化する。
ここで、事前処理として、温度と感圧塗料および感温塗料の発光強度を関連付ける較正特性曲線を得ておく。なお、本実施例では、流れ場および模型温度は模型左右で同じであると仮定し、また、感圧塗料の温度感度の圧力依存性と感温塗料の温度感度の圧力依存性は無視した。

図２のフローチャートを参照しつつ本発明の計測システムの作動を説明する。まず、１）励起光を照射しない状態での画像を複数枚撮影して平均画像を取得する。続いて２）励起光を照射し風洞に通風しない（大気圧、室温均一）状態で感圧塗料塗布領域と感温塗料塗布領域の画像をそれぞれ複数枚撮影して平均画像を取得する。３）次に励起光を照射し風洞に通風した状態で感圧塗料塗布領域と感温塗料塗布領域の画像をそれぞれ複数枚撮影して平均画像を取得する。４）ここで得た通風しない状態での平均した感圧塗料画像と感温塗料画像、通風した状態での平均した感圧塗料画像と感温塗料画像それぞれのデータから励起していない状態での画像データ分を差し引いた画像データを算出して記憶する。これはＣＣＤカメラのバイアス誤差を除去するための処理である。５）気流を通風した状態では機体模型はわずかに変形するため、その際の感圧塗料と感温塗料塗布領域の画像については幾何補正を施し、その上で通風していないときの画像との比を算出する。これは前述したように理論式および経験式を適用するためや塗料の塗りむらを相殺するための処理である。６）横滑り角βは０°として機体模型が取り付けられており、気流の流れ場は軸位置からみて左右対称であるとの前提に基づいて圧力分布と温度分布は左右対称であるとみなして、感温塗料の画像を反転させ、それをそのまま感圧塗料の塗布された翼部の温度分布として適用する。なお、画像の領域区分データはＣＣＤカメラの各画素毎の情報を対応させる。７）圧力測定に先立ち温度情報を得るため、システム内に蓄積してあるチャンバーで校正された感温塗料の発光−温度特性を用い、得られた感温塗料画像データから温度分布情報を算出する。８）この温度分布データとシステム内に蓄積してあるチャンバー内の均一状態で校正された感圧塗料の温度依存特性とを用い、得られた感圧塗料画像データを温度補正してその温度補正された感圧塗料発光強度分布画像を得る。９）圧力孔近傍の温度依存分を補正した感圧塗料の発光強度データを基準器となる圧力変換器のデータで較正する。この較正は所謂in situ法の較正となる。１０）得られた較正特性に基づいて圧力分布情報を得る。

この実験で得られた圧力分布を示す画像を図５（圧力係数として表示）に示す。実際はカラー画像でデータの分布状態がより見易い画像として得られているが、特許明細書にはカラー画像を示すことが出来ないのでグレースケールの明度階調画像で示してある。図中翼面にＡ，Ｂと線表示された部分があるが、図３に示した温度補正した感圧塗料の発光強度比と基準比較器である圧力変換器の圧力データ比との関係を示す較正特性は、ＡおよびＢのライン上のデータからとったものである。値は通風前の大気圧室温均一場における感圧塗料画像の値を基準値Ｐref，Ｉrefとしてその比をとって無次元化してある。図４はＢライン部分の圧力分布データを取り出してグラフ表示した。ここで被検体の表面圧力は無次元量である圧力係数Ｃpで表しているが、このＣp は（物体表面圧力−気流静圧）／気流動圧で算出されたものである。図５の縦軸が圧力係数Ｃp であり、横軸は位置ｘを翼断面長ｌで割った値ｘ／ｌで、０が翼の前縁部、１が翼の後縁部を示している。圧力分布としては前縁部で大きな圧力低下が見られ、中間部では衝撃波による圧力増加が観察される。

本発明は航空機模型を被検体とした風洞実験を例として説明したが、被検体に感圧塗料を塗布して圧力分布を測定する際に広く適用できる技術であることは発明思想から自明の事柄であり、産業分野を特定することなく広く利用することが出来るものである。

本発明を風洞試験に適用した実施例を示す図である。本発明の感圧塗料計測法における感圧塗料温度依存性補正方法を実施する手順を説明するフローチャートである。実施例の実験で得た画像を基に感圧塗料の温度補正した発光強度比と圧力比の in situ較正特性をグラフに示したものである。実施例の実験で得た画像を基に前翼上面の圧力分布をグラフに示したものである。実施例の実験で得た圧力分布画像を圧力係数Ｃp 分布画像として示したものであり、右の帯表示は圧力係数Ｃpの対応関係を示したものである。

Claims

複数箇所に圧力孔を設けると共に表面に感圧塗料を塗布した任意の被検体に励起光を照射した状態において、前記被検体表面の各区分領域についての温度分布データを任意の温度計測手法により取得するステップと、該温度分布データに基づいて感圧塗料の温度による発光強度変化分を補正し、圧力のみの関数とした感圧塗料の発光強度分布を得るステップと、圧力孔近傍の補正された感圧塗料発光強度と前記圧力孔につながれた他の圧力計で検出した圧力孔データとを関連付けるin situ法による較正ステップと、該in situ法による較正特性に基づいて前記補正により圧力のみの関数とした感圧塗料の発光強度分布を圧力分布値に変換するステップとからなる被検体表面圧力計測方法。
被検体表面の各区分領域についての温度分布データを取得する温度計測手法が、赤外線カメラによる撮影画像を用いるものである請求項１に記載の被検体表面圧力計測方法。
被検体表面の各区分領域についての温度分布データを取得する温度計測手法が、感圧・感温複合塗料からの感温帯域の発光強度信号を用いるものである請求項１に記載の被検体表面圧力計測方法。
被検体表面の各区分領域についての温度分布データを取得する温度計測手法が、左右対称構造の被検体において、温度依存性を有する感圧塗料が塗布された領域と対称領域に温度に対して発光強度を変化させる感温塗料を塗布し、各区分領域は反転位置に対応させるようにした請求項１に記載の被検体表面圧力計測方法。
複数箇所に圧力孔を設けると共に感圧塗料と感温塗料が左右表面に塗り分け塗布された被検体を照射する励起光源と、前記被検体を撮影する撮像装置と、感温塗料が塗布された被検体画像情報から前記被検体表面の各区分領域についての温度を割り出す手段と、この温度分布データとシステム内に蓄積してあるチャンバー内の均一状態で校正された感圧塗料の温度依存特性とを用い、得られた感圧塗料画像データを温度補正してその温度補正された感圧塗料発光強度分布画像を得る手段と、圧力孔近傍の温度依存分を補正した感圧塗料の発光データを基準器となる圧力変換器のデータとを関連づけてin situ法による較正特性を得る手段と、得られた較正特性に基づいて前記温度依存性を補正した感圧塗料発光強度分布画像から圧力分布情報を得る手段とを備えたin situ法による感圧塗料計測の較正装置。
複数箇所に圧力孔を設けると共に表面に感圧塗料が塗布された被検体を照射する励起光源と、前記被検体を撮影するＣＣＤカメラおよび赤外線カメラと、赤外線カメラからの被検体画像情報から前記被検体表面の各区分領域についての温度を割り出す手段と、この温度分布データとシステム内に蓄積してあるチャンバー内の均一状態で校正された感圧塗料の温度依存特性とを用い、得られた感圧塗料画像データを温度補正してその温度補正された感圧塗料発光強度分布画像を得る手段と、圧力孔近傍の温度依存分を補正した感圧塗料の発光データを基準器となる圧力変換器のデータとを関連づけてin situ法による較正特性を得る手段と、得られた較正特性に基づいて前記温度依存性を補正した感圧塗料発光強度分布画像から圧力分布情報を得る手段とを備えたin situ法による感圧塗料計測の較正装置。