JP4953245B2 - 感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法 - Google Patents
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Description
本発明は航空宇宙機、自動車、鉄道、産業機械等の分野における表面圧力計測技術に関する。
まず、本発明の基礎となる感圧塗料（Pressure-Sensitive Paint；ＰＳＰ）の発光強度と圧力の関係について説明する。感圧塗料計測は被計測物体のグローバルな表面圧力を計測することができる特徴を持っており、航空宇宙機や自動車開発における風洞実験において有効な計測手法であるが、同時に圧力だけでなく温度の影響を受けやすいという短所を併せ持つ。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の特性を利用したものである。感圧塗料発光強度Ｉ(ｐ，Ｔ)と、圧力ｐおよび温度Ｔとの関係は式(１)のStern-Volmer の関係式で表される(非特許文献１参照)。なお、Ｉ０は酸素濃度がゼロの場合の発光強度を示す。
Ｉ０(Ｔ)／Ｉ(ｐ,Ｔ)＝１＋Ｋ(Ｔ)・ｐ ‥‥ (１)
ここで、Ｉ０を正確に計測することは困難であるため、一般には既知圧力ｐｒｅｆの発光強度Ｉｒｅｆ (＝Ｉ(ｐｒｅｆ,Ｔ))を得ることにより(１)式を正規化する。
Ｉｒｅｆ／Ｉ＝Ａ(Ｔ)＋Ｂ(Ｔ)・ｐ／ｐｒｅｆ ‥‥ （２）
式(１)と式(２)が示すように、感圧塗料の温度依存性は圧力計測精度に大きな影響を与える。
Ｉ０(Ｔ)／Ｉ(ｐ,Ｔ)＝１＋Ｋ(Ｔ)・ｐ ‥‥ (１)
ここで、Ｉ０を正確に計測することは困難であるため、一般には既知圧力ｐｒｅｆの発光強度Ｉｒｅｆ (＝Ｉ(ｐｒｅｆ,Ｔ))を得ることにより(１)式を正規化する。
Ｉｒｅｆ／Ｉ＝Ａ(Ｔ)＋Ｂ(Ｔ)・ｐ／ｐｒｅｆ ‥‥ （２）
式(１)と式(２)が示すように、感圧塗料の温度依存性は圧力計測精度に大きな影響を与える。
図８Ａはｐｒｅｆ＝１００ｋＰa，Ｔ０＝２０℃の発光強度を基準Ｉｒｅｆとした場合の、発光強度比Ｉｒｅｆ(ｐｒｅｆ,Ｔ０)／Ｉ(ｐ,Ｔ)と、圧力比ｐ／ｐｒｅｆの関係を示したグラフである。この場合Ｔ＝２０℃以外では、ＩｒｅｆとＩにおける温度が異なるものとなっている。このグラフでは、同じ圧力でも温度により感圧塗料発光強度が変化していることが示されており、感圧塗料が温度にも感度を持つことが改めて確認できる。
図８Ｂは既知圧力ｐｒｅｆの発光強度Ｉｒｅｆと、任意圧力ｐの感圧塗料発光強度Ｉで温度を同一にした場合の、発光強度比Ｉｒｅｆ (ｐｒｅｆ,Ｔ)／Ｉ(ｐ,Ｔ)と、圧力比ｐ／ｐｒｅｆの関係を示したグラフである。このグラフは、Ｔ＝１０℃・１００ｋＰaの発光強度をＩｒｅｆとしてＴ＝１０℃での任意圧力による発光強度を正規化し、同様に、Ｔ＝２０℃・１００ｋＰaの発光強度をＩｒｅｆとしてＴ＝２０℃での任意圧力による発光強度を正規化するというようにして整理したものである。つまり、ＩｒｅｆとＩにおける温度は同一である。この場合、圧力比に対する発光強度比の縦軸における広がりは１本の較正特性線で近似できる程度に狭くなることが分かる。
図８Ｂは既知圧力ｐｒｅｆの発光強度Ｉｒｅｆと、任意圧力ｐの感圧塗料発光強度Ｉで温度を同一にした場合の、発光強度比Ｉｒｅｆ (ｐｒｅｆ,Ｔ)／Ｉ(ｐ,Ｔ)と、圧力比ｐ／ｐｒｅｆの関係を示したグラフである。このグラフは、Ｔ＝１０℃・１００ｋＰaの発光強度をＩｒｅｆとしてＴ＝１０℃での任意圧力による発光強度を正規化し、同様に、Ｔ＝２０℃・１００ｋＰaの発光強度をＩｒｅｆとしてＴ＝２０℃での任意圧力による発光強度を正規化するというようにして整理したものである。つまり、ＩｒｅｆとＩにおける温度は同一である。この場合、圧力比に対する発光強度比の縦軸における広がりは１本の較正特性線で近似できる程度に狭くなることが分かる。
感圧塗料発光強度データを圧力データヘ変換する方法にin-situ法がある。in-situ法は、図７に示すように、圧力変換器に接続した圧力孔で得た圧力データと圧力孔まわりの感圧塗料発光強度比を関連づけて式(２)から最小二乗法により係数Ａ，Ｂを求め、較正特性線を得る方法である。したがって、模型まわりの圧力分布は、得られたin-situ較正特性線に基づいて模型まわりの感圧塗料塗装部の発光強度比から得ることができる。
一般的に、基準発光強度Ｉｒｅｆは風洞通風前の模型温度が均一な無風時に取得される。しかし、風洞実験のように、通風中模型に不均一な温度分布が生じる場合には図８Ａで示した様に、感圧塗料の温度依存性による計測誤差が無視できない。模型の温度を計測した上で感圧塗料の温度依存性を補正するという方法もあるが、温度計測が実用上困難な場合には適用できない。そこで、図８Ｂに示した感圧塗料の特性を活かし、風洞実験において、通風時と同一温度で既知圧力における基準発光強度をＩｒｅｆとして得ることを考える。風洞実験では通風時の模型温度を均一にすることは難しいため、基準の模型温度分布を通風時の温度分布と一致させる。実用上、模型温度が通風時の温度分布と最も近く、かつ、既知圧力分布を得られるのは風洞の通風停止直後の無風時であると考えられ、通風停止直後の無風時の発光強度をＩｒｅｆとして採用した例が報告されている(非特許文献２参照)。
従来手法の一例を図６Ａのフローチャートに沿って説明する。まず、ＣＣＤカメラで取得した複数の画像データに対し、平均化・ダーク減算(熱雑音成分の除去)・フラットフィールド補正(画像周辺部の光量不足の補正)・フィルタリング(画像ノイズ等を軽減)等を行い感圧塗料発光強度画像データを得る。次に、発光強度画像データを模型表面形状の三次元格子ヘマッピングする。その後、翼の付け根部と胴体の翼基部など近接した部位からの光の干渉を補正するself-illumination補正を行う。その後圧力孔まわりの発光強度データと圧力孔を介して計測した圧力データとの関係づけを行うin-situ較正法を施して最後に模型全体の圧力値を得るというものである。図６Ｂはこの手法を模式的に示したものである。
特開２００６−１０５１７号公報 「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」 平成１８年１月１２日公開
浅井圭介「感圧塗料による圧力分布の計測技術」 可視化情報，Vol.18, No.69, 1998年
Bell,J.H., "Applications of Pressure-Sensitive Paint to Testing at Very Low Flow Speeds," AIAA Paper 2004-878, Jan, 2004.
Ruyten,W. and Fisher,C.J., " On the Effects of Reflected Light in Luminescent Paint Measurements," AIAA Paper 2000-833, Jan, 2000.
ところが、感圧塗料の温度依存性による計測誤差を軽減させるため、通風停止直後の無風時の発光強度を基準Ｉｒｅｆとする上記の従来方法を実施した場合、次の問題が発生する。感圧塗料計測で利用する感圧塗料の発光強度は微弱であり、計測精度を確保するためにＣＣＤカメラのショットノイズを数十枚の画像を平均化することで軽減させている。しかし、その画像取得に要する時間において、模型温度が変化し、発光強度も徐々に変化してしまう。そのため、ショットノイズ軽減を目的に平均化した発光強度データは、同時に、時間とともに変化した発光強度の平均値となり、誤差を増やす結果となる。
ここで、模型上の代表位置１点における通風時と通風停止直後(無風時)の感圧塗料発光強度の変化を計測した結果を図１に示す。図１より、撮像中に変化する模型温度により発光強度が時々刻々と変化している様子が分かる。図１Ａのデータは通風停止直前の約９分間に64枚の画像を撮像したものであり、図１Ｂのデータは通風停止直後の約８分間に64枚の画像を撮像したものである。ここで、図中の破線はＣＣＤカメラのショットノイズ軽減を目的として行った平均値である。特に、平均値と通風停止直後の基準発光強度の値(図１Ｂの矢印近傍)には大きな差が生じていることが分かる。
本発明の課題は、時間をかけて取得した複数枚の画像データの平均値と通風停止直後の基準発光強度の値に大きな差が生じていることに起因する誤差を少なくし、より精度の良い感圧塗料計測法の温度依存性補正手法を提示することにある。
本発明の課題は、時間をかけて取得した複数枚の画像データの平均値と通風停止直後の基準発光強度の値に大きな差が生じていることに起因する誤差を少なくし、より精度の良い感圧塗料計測法の温度依存性補正手法を提示することにある。
本発明における感圧塗料計測法での時系列的温度変化による温度依存性補正手法は、感圧塗料が表面に塗装された試験体を圧力分布が存在する環境下と、均一圧力下で撮像し、両画像データから得られる発光強度データを利用することにより圧力計測を行う方法であって、圧力分布が存在する環境下で撮像した複数枚の画像データを得るステップと、その後均一圧力環境に切替えた直後に撮像した複数枚の画像データを得るステップと、前記圧力分布が存在する環境下で撮像した各画像データおよび前記均一圧力環境下で撮像した各画像から試験体における発光強度データの時系列変化をそれぞれ曲線近似するステップと、それぞれの時系列変化の近似曲線から、均一圧力環境に切替える直前の圧力分布が存在する環境下での発光強度データと切替え直後の均一圧力環境下での発光強度データとを採用して発光強度比を得るステップを踏むようにした。
また、圧力分布が存在する環境下と均一圧力環境に切替えた直後に撮像した複数枚の各画像データを試験体表面の三次元格子にマッピングするステップと、マッピングされた各点における発光強度の時系列変化を曲線近似するステップと、該時系列変化の近似曲線から均一圧力環境に切替え直前の発光強度データと切替え直後の発光強度データとを採用して各点の発光強度比を得るステップを踏むようにした。
本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における１形態では、近似曲線から得た発光強度データを試験体の圧力孔を介して計測した圧力値に基づいてin-situ較正するステップを踏むようにした。
また、本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における異なる１形態では、撮像した各画像データにはダーク減算、フラットフィールド補正、フィルタリングを施して画像補正を行うステップを踏むようにした。
本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における更なる１形態では、発光強度データに対し試験体の三次元構造から光の干渉が生じる領域に self-illumination 補正を施すステップを踏むようにした。
また、圧力分布が存在する環境下と均一圧力環境に切替えた直後に撮像した複数枚の各画像データを試験体表面の三次元格子にマッピングするステップと、マッピングされた各点における発光強度の時系列変化を曲線近似するステップと、該時系列変化の近似曲線から均一圧力環境に切替え直前の発光強度データと切替え直後の発光強度データとを採用して各点の発光強度比を得るステップを踏むようにした。
本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における１形態では、近似曲線から得た発光強度データを試験体の圧力孔を介して計測した圧力値に基づいてin-situ較正するステップを踏むようにした。
また、本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における異なる１形態では、撮像した各画像データにはダーク減算、フラットフィールド補正、フィルタリングを施して画像補正を行うステップを踏むようにした。
本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における更なる１形態では、発光強度データに対し試験体の三次元構造から光の干渉が生じる領域に self-illumination 補正を施すステップを踏むようにした。
本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法は、まず、圧力分布が存在する環境下で複数枚の画像(発光強度)データを得るステップを踏む。次に、均一圧力環境下へ切替えた直後に、複数枚の画像(発光強度)データを得るステップを踏む。さらに、発光強度データ各点における時系列変化を曲線近似するステップを踏む。それらの近似曲線から、均一圧力環境下へ切替える直前および切替えた直後の発光強度データを求める。
本発明は、画像を取得する間の模型温度変化による発光強度変化で生じる計測誤差を軽減できる。また、複数画像データによりＣＣＤカメラのショットノイズを軽減できる。さらに、温度計測器を必要としないため計測システムを簡素化できる。
圧力分布が存在する環境下と、その後均一圧力環境に切替えた直後に撮像した複数枚の画像データの各発光強度データを試験体表面の三次元格子にマッピングするステップと、マッピングされた各点における発光強度の時系列変化を曲線近似するステップと、該時系列変化の近似曲線から、均一圧力環境に切替える直前の発光強度データと切替え直後の発光強度データとを採用して各点の発光強度比を得るステップを踏むようにした本発明は、試験体表面における精度の高い圧力分布を得ることができる。
本発明は、画像を取得する間の模型温度変化による発光強度変化で生じる計測誤差を軽減できる。また、複数画像データによりＣＣＤカメラのショットノイズを軽減できる。さらに、温度計測器を必要としないため計測システムを簡素化できる。
圧力分布が存在する環境下と、その後均一圧力環境に切替えた直後に撮像した複数枚の画像データの各発光強度データを試験体表面の三次元格子にマッピングするステップと、マッピングされた各点における発光強度の時系列変化を曲線近似するステップと、該時系列変化の近似曲線から、均一圧力環境に切替える直前の発光強度データと切替え直後の発光強度データとを採用して各点の発光強度比を得るステップを踏むようにした本発明は、試験体表面における精度の高い圧力分布を得ることができる。
本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における１形態では、圧力孔データに基づいたより精度の高い感圧塗料による圧力計測を実現できる。
また、撮像した各画像データにはダーク減算、フラットフィールド補正、フィルタリングを施して画像補正を行うものとした本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における異なる１形態では、カメラがもつ計測誤差成分を是正より精度の高い計測結果を得ることができる。
温度依存性を補正を施した発光強度データを試験体表面の三次元構造から干渉が予測される領域に self-illumination 補正を施すようにした本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における更なる１形態では、近接した部位からの光の干渉を補正し、より精度の高い計測結果を得ることができる。
また、撮像した各画像データにはダーク減算、フラットフィールド補正、フィルタリングを施して画像補正を行うものとした本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における異なる１形態では、カメラがもつ計測誤差成分を是正より精度の高い計測結果を得ることができる。
温度依存性を補正を施した発光強度データを試験体表面の三次元構造から干渉が予測される領域に self-illumination 補正を施すようにした本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法における更なる１形態では、近接した部位からの光の干渉を補正し、より精度の高い計測結果を得ることができる。
本発明者らは、通風時と基準(通風停止直後の無風時)の模型温度の差を可能な限り少なくすることを考えた。そのため、図１の実線で示されるように、発光強度の変化に対する近似曲線を最小二乗法により定義する。つまり、通風時の発光強度データＩには通風停止直前(図１Ａの矢印)における近似曲線上での値を使用し、同様に、基準(通風停止直後:無風時)の発光強度データＩｒｅｆには計測開始時刻(図１Ｂの矢印)における近似曲線上での値を使用する。近似曲線を適用することにより、時間的にランダムに発生するショットノイズの影響は軽減され、また、通風後の計測(ＣＣＤカメラ撮影)が可能な範囲において最も通風中の温度分布に近い無風時(基準)の発光強度データが得られると考えられる。なお、この発光強度の近似曲線定義および演算は、模型上の空間的な発光強度データ各点で個々に実施する。
図４に示されるような感圧塗料を表面に塗装した模型１を風洞２内に設置すると共に、この模型１に対して励起用の光を照射する光源３とこの模型１を撮影するＣＣＤカメラ４を風洞２の側部に配置した感圧塗料計測システムを用いて計測を行う。図２のＡに示すように、ステップ１として光源３で励起光を照射した状態で、まず風洞通風時の画像データを複数枚取得する。続いて風洞内の通風を停止すると共に、その際の画像データ(基準)を複数枚取得する。ステップ２ではＣＣＤカメラで取得した画像データ１枚を特定する。ステップ３で特定した１枚の画像に対してダーク減算・フラットフィールド補正等を行う。次に、ステップ４で発光強度画像データを模型表面の三次元格子ヘマッピングする。ステップ５でマッピングした発光強度データをメモリに格納する。ステップ６でこの画像が最後の画像かどうかを確認し、まだ未処理画像データがあるときはステップ２に戻り、次の画像データを特定してステップ３に進む。数十枚の画像を取得した場合は同数のマッピングされた発光強度データを得る。すべての画像についてマッピングした発光強度データをメモリに格納できたならば、ステップ７に進み、基準(無風)時および通風時ともに、発光強度データの時系列変化に対する近似曲線を最小二乗法により求める。ステップ８で、通風時の発光強度データＩとしては計測最終時刻(通風停止直前)における近似曲線上での値を採用し、また、基準の発光強度データＩｒｅｆとしては計測開始時刻(通風停止直後:無風時)における近似曲線上での値を採用する。この近似曲線を用いた処理は格子上の各点に対して実施する。
このようにして模型１における各点で、通風時と無風時での温度が最も近い発光強度データの比Ｉｒｅｆ／Ｉを格子各点について取得したなら、ステップ９で、従来手法と同様に、ＣＣＤカメラで撮像した二次元画像を三次元格子へマッピングする際には本来カメラに写らない部位の情報を削除する隠面消去を行い、ステップ１０では、self-illumination補正を行う。このself-illumination補正は、例えば翼上の感圧塗料発光データには翼上で反射した胴体上での感圧塗料の発光成分が含まれることによって、本来よりも強い発光強度で計測されるために生じる誤差を補正するものである。ステップ１１で、各部位発光強度データを圧力孔を介して計測した圧力値と関係づけるin-situ較正を施し、ステップ１２で模型表面についての圧力値(圧力分布)を得るというものである。図２Ｂはこの手法を模式的に示したものである。
航空機の模型を用い、従来の方法(図６)で処理した場合と本発明の方法(図２)で処理した場合のデータを図３に示す。本実験は宇宙航空研究開発機構6.5m×5.5m低速風洞において航空機の半裁模型(図４の模型がこれに相当)を使用して実施したものである。模型迎角は５degであり、主流の風速は60m/sである。一般に、ＩＲカメラによる温度計測では風洞の観測窓の材質に制限が生じる。また、半裁模型を使用した場合は、片舷側に温度計測用の感温塗料を塗装する方法(特許文献１)は適用できない。そのため、本発明の手法が必要となる。なお、通風中の風速や模型姿勢角条件は一定であり、また、模型姿勢条件を変えずに通風を停止した。
図３Ｂと図３Ｃに in-situ法による較正特性線を示す。この較正特性線は、図５にて線で示す翼上面の３断面に設けた圧力孔から得た圧力データと対応する圧力孔周りの発光強度データとの関係を個々にグラフにプロットし、最小二乗法により線形近似を行ったものである。得られた較正特性線を使用して算出した翼上面の圧力係数(Ｃp)分布を図５に示し、また、図５の３断面の内、矢印で示す断面の母翼上面での圧力係数分布を図３Ａに示す。以下に、従来手法と本手法での結果を比較する。まず、図３Ｂ，Ｃの較正特性線にて従来手法(図３Ｂ)ではデータに大きなバラつきが見られるのに対し、本手法(図３Ｃ)ではデータのバラつきが抑えられていることが分かる。ここで重要なことは、in-situ法では得られた較正特性線を使用して図５の様に模型全体の発光強度データを圧力(圧力係数)データへ変換するため、較正でのデータのバラつきは、感圧塗料計測の計測誤差に直結することである。ちなみに、図３Ｂ，Ｃのプロットされたデータと求めた較正特性線での圧力係数における差をＲＭＳ(Root Mean Square；二乗平均平方根)で表すと、従来方法の場合、約0.25であるのに対し、本手法の場合は約0.13であり、本手法の方が計測誤差を軽減できることが分かる。次に、図３Ａの母翼上の圧力係数分布を見ると、点線で示す従来手法では感圧塗料(ＰＳＰ)計測値と丸印で示す圧力孔計測値との間に大きな差が見られるのに対し、実線で示す本手法では感圧塗料計測値と圧力孔計測値との差が抑えられていることが分かる。以上のことから、本手法が有効であることが確認できる。
本発明の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法は、航空宇宙機開発のみならず、鉄道、自動車等の車体や、産業機械における表面圧力場計測に広く応用することができる。
１ 模型(試験体) ２ 風洞
３ 励起光源 ４ ＣＣＤカメラ
３ 励起光源 ４ ＣＣＤカメラ
Claims (5)
- 感圧塗料が表面に塗装された試験体を圧力分布が存在する環境下と、均一圧力下で撮像し、両画像データから得られる発光強度データを利用することにより圧力計測を行う方法において、圧力分布が存在する環境下で撮像した複数枚の画像データを得るステップと、その後均一圧力環境に切替えた直後に撮像した複数枚の画像データを得るステップと、前記圧力分布が存在する環境下で撮像した各画像データおよび前記均一圧力環境下で撮像した各画像から試験体における発光強度データの時系列変化をそれぞれ曲線近似するステップと、それぞれの時系列変化の近似曲線から、均一圧力環境に切替える直前の圧力分布が存在する環境下での発光強度データと切替え直後の均一圧力環境下での発光強度データとを採用して発光強度比を得るステップを踏むようにした、感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法。
- 圧力分布が存在する環境下と、その後均一圧力環境に切替えた直後に撮像した複数枚の画像データの各発光強度データを試験体表面の三次元格子にマッピングするステップと、マッピングされた各点における発光強度データの時系列変化を曲線近似するステップと、該時系列変化の近似曲線から、均一圧力環境に切替える直前の発光強度データと切替え直後の発光強度データとを採用して各点の発光強度比を得るステップを踏むようにした、請求項１に記載の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法。
- 近似曲線から得た発光強度データを他の方法で測定した圧力値に基づいて較正するステップを踏むようにした、請求項２に記載の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法。
- 近似曲線から得た発光強度データの内、試験体の圧力孔まわりの発光強度比を、該圧力孔を介して測定した圧力に基づいて in-situ 較正するステップを踏むようにした、請求項２に記載の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法。
- 撮像した各画像データにはダーク減算、フラットフィールド補正、フィルタリングを施して画像補正を行うステップと、発光強度データを試験体の三次元構造から光の干渉が生じる領域に self-illumination 補正を施すステップを踏むようにした、請求項２乃至４のいずれかに記載の感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法。
Priority Applications (1)
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| JP2007092054A JP4953245B2 (ja) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | 感圧塗料計測法の時系列的温度変化による温度依存性補正手法 |
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