双色热敏磷光涂层测温技术.pdf

第 4 3卷第 5期 Vo1 43 NO5 红 外 与激 光工程 I n fra r e d a n d La s e r En g i n e e r i n g 2 0 1 4年 5月 M a v 2 0 1 4 双色热敏磷光涂层测温技术 王晟，胡志云，邵瑭，张振荣，叶景峰，李国华(西 北核技 术研 究 所 激光 与物 质相 互作 用 国 家重点 实验 室，陕 西 西安 7 1 0 0 2 4)摘 要：空气动力表 面温度和压力分布的精确测量对理解复杂流场 内部机制和流体力学仿真模 型的 验证具有重要意义。热敏磷光表 面测温技术作为一种面测量技术，具有非接触测量、可对试件全尺度 测量、空间分辨率高等优点。开发 了一种室温到 8 0 0 K温度范围内的双色热敏磷光涂层材料。该发光 材料 受激辐射 的发光光谱的两个发射峰光强在不 同温度下呈现不同的衰减趋势，根据这种规律发展 了双色测温技 术。建立了热敏涂料温度标定 系统，获得 了双峰光强比与温度的变化 曲线。采用双 色法 测温技术测量 了旋转曲面物体表面的温度分布。结果表明，双 色热敏磷光涂层测温技术能够 实现物体 表面温度的定量测量，对于测试技术的发展具有重要推动作用。关键词：发光光谱；热敏磷光涂层；测温；双色法 中图分 类号：T N2 4 9 文献 标 志码：A 文 章编 号：1 0 0 7 2 2 7 6(2 0 1 4)0 5 1 4 0 6 0 5 Two-c o l o r t h e r m a l l y s e ns i t i v e p h o s ph o r c o a t i n g s f o r t e m p e r a t u r e m e a s ur e m e n t W a n g S h e n g，Hu Zh i y u n，S h a o J u n，Zh a ng Zh e n r o n g，Ye J i n g f e n g，Li Gu o h u a (S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f L a s e r I n t e r a c t i o n wi t h Ma t t e r，N o r t h we s t Ins ti t u t e o f Nu c l e a r T e c h n o l o g y，Xi a n 7 1 0 0 2 4，C h i n a)Abs t r a c t：Th e a c c u r a t e d e t e r mi n a t i o n o f s pa ti a l l y c o n tin u o u s t e mp e r a t ur e a n d p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o n a e r o d y n a mi c s u rfa c e s i s c rit i c a l f o r t h e u n d e r s t a n d i ng o f c o mp l e x flo w me c ha n i s ms an d for c o mp a r i s o n wi t h c o mp u t a tio na l flu i d d y na mi c s p r e d i c tio n s Th e r ma l l y s e ns i ti v e p h o s p h o r c omi n g s p r o v i d e a wa y t o o bt a i n s i mp l e，i n e x p e n s i v e，f u l l-fie l d me a s u r e me n t s o f t e mp e r a t u r e wi th mu c h h i g h e r s p a tia l r e s o l u tio nA n e w s o r t o f t wo-c o l o r the r ma l l y s e ns i tiv e p h o s p h o r c o a t i n g wa s d e v e l o p e d，wh i c h c o u l d b e u s e d t o me a s u r e s u r f a c e t e mp e r a t u r e b e t we e n r o o m t e mp e r a t u r e a n d 8 0 0 KTh e v a r i o u s s p e c t r a l r e g i o n s i n e mi s s i o n d i f f e r wi th t e mp e r a t u r e，wh i c h c o u l d b e u s e d t o s u p p o r t the t woc o l o r t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t me t h o dTh e t e mp e r a t u r e c a l i b r a t i o n s ys t e m wa s s e t u p，a n d the i n t e ns i t y -r a ti o c h a n g e c u r v e a s a f u n c t i o n o f t e mp e r a t u r e wa s o b t a i n e dTh e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f c u r v e d s u rfa c e wa s me a s ur e d b y t woc o l o r t e mp e r a t u r e me a s ur e me n t me t h o dTh e r e s u l t s s ho w tha t t h e t woc o l o r t e mpe r a t ure me a s u r e me n t me t h o d h a s the a b i l i t y o f s u rfa c e fie l d t e mp e r a t ur e q u a n ti t a t i v e me a s u r e me n t Ke y wo r d s：e mi s s i o n s p e c t r u m；t h e r ma l l y s e n s i tiv e p h o s p h o r c o a ti n g s；t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t；t wo-c o l o r me t h o d 收稿 日期：2 0 1 3 0 9 1 5：修 订 日期：2 0 1 3 1 0 2 5 基金 项 目：国家重 点 实验 室基 金(S KL l l l l 0 8)作者 简 介：王(1 9 7 7 一)，工 程 师，硕 士，主要 从事 燃 烧诊 断方 面 的研究 工作。E ma i l：p p l u n u m1 1 6 3 c o m 第 5期 王 晟等：双 色热敏 磷 光涂 层 测 温 技 术 1 4 0 7 O 引言 随着 材料 科 学 的迅 速发展，出现 了众 多 的特种 功 能涂料 功能涂 料 已经从 传统 的保 护、装 饰作 用发 展 为具 有 阻尼 减 震、隐 身、发 光、耐 高 温、防火 阻燃、防 滑等 特殊功 能。其 中，利 用发 光涂料 的发 光淬 灭特 性 制成 的温度 敏感 涂层，可 以喷 涂 到模 型表 面，依靠 分 子发 光淬 灭原 理来 测量 表 面温 度分 布，这 种新 型 的表面 传感技 术称 为温 度敏 感 涂层(T S P)f”。这 种技 术 作为 一种 面测 量技 术，具 有使 用 简单、可 重复使 用、非接 触 测量、可 对试 件 全 尺 度测 量、空 间分 辨 率 高 等优 点。在 众 多的 发光 涂层 材料 中 以稀土 离 子 为发 光 体 的磷 光 发 光 材料。由于其 发 光强 度 高、耐 高 温、良 好 的物 理 和化学 稳定性，近年 来受 到 了广 泛 的关注，在 宇航 领域 也获 得 了重 要 的应用，这 种技 术 又称 为 热 敏磷 光表 面测 温技 术。该 技术 在光 物 理基 础上 与 T S P方法 有相 似之 处，不 同 的是，热 敏磷 光材 料发 光 寿命更 长、温度 敏感 范 围更宽。1 9 5 3年 B r a d l y 首次 采 用 热 敏磷 光 涂 层 测 量 表 面温度 心】。C z y s z和 Di x o n于 1 9 6 9年 将之 用于 高速 风 洞测试【3】。1 9 8 5年，No e l 开始 采用 热敏 磷光涂 层 测量 涡轮 发 动机 的表 面温度 f 4 。2 0世 纪 9 0年代 后，热 敏 磷 光表面测 温技术 在国外迅速发展。美 国(N AS A)w】、瑞 典(隆德 大 学 燃 烧 物 理 中心)、英 国(诺 丁 汉一 特 伦 特 大 学)等 都 对 这 项 技 术 进 行 了 研 究 并 应 用 于 风 洞 流 场 测 试 研 究。热 敏 磷 光 表 面 测 温 技 术 作 为 N AS A L a n g l y中心 气 动 热设 备 的 基 本 定 量 测 试 手 段，为 航 天 飞 机、再 入 弹 头、运 载 器 等 的 研 制 做 出 了贡献。热敏磷 光 表 面测 温技 术在 国 内 刚刚起 步 中 国 航天 空气 动力技 术研 究 院 与 中国科 学 院长春 应用 化 学 研究 所合 作，开发 了单 色磷 光材 料，采用 参 考光 强 法，测 量 了高超 声速 压缩 拐角 的热 流分 布。相 关研 究 有，山东大 学与 英 国布鲁 内尔 大学 合作，将 激 光诱 导 磷 光测 温技 术应 用 到发动 机 缸 内气 体 的 二维 温度 测 量 中 8 1。西北 核技 术研 究所 从 1 9 9 6年开始 激 光燃 烧 诊 断方 面 的工作。并 建立 了较为 完备 的激 光 燃烧 诊 断实验 系统，经 过 1 0年 的 努力，已在稳 态燃 烧 场、火 炸 药瞬 态复 杂燃 烧场、航 空 发动 机燃 烧流 场 等方 面 开 展 了 C A R S、H T V、S V R S、T D L A S、P L I F、F R S等实 验 技 术研 究。并 实 现 了燃 烧 场 温度、速 度、组 分浓 度 等 参量 的高 时空分 辨 测量 9 1。近 年来，开 始 了热 敏磷 光 涂层 测 温技 术研 究 成 功开 发 了一 种 双色 热 敏磷 光 材料 其测 温 范 围从 室 温到 8 0 0K。1 测 温 原 理 发 光 材 料在 受 到激 励 光照 射 时，根据 能 级 跃迁 的不 同，可 出现荧 光 或磷 光 两种发 光 现象，并 且 发 光 过 程会 因为氧 化淬 灭 和热 力淬 灭 效 应而 衰减，受 氧 化 淬 灭 效应 影 响 大 的发 光 材 料 可用 于压 力 测 量，而 受 热 力淬灭 影 响 大 的发光 材料 用 于 温度 测量。使用 时，将 发 光涂 料 喷涂 或刷 到试 件 表 面 当溶 剂 挥 发 后，发光材 料就 嵌入 到 聚合物 基体 中。采 用短 波激 光 直接 照射试 件 表 面，辐 射 出长 波光，如 图 1 所 示。辐 射 光 的发 光光 强、发 光 光 谱 或 发光 寿 命 会 随 着 温 度 发生 变 化。通 过 滤 光 片 将 激 励 光 和辐 射 光 分 离。采 用光 电探 测 器记 录这 种 变 化，就 能从 中提 取 出温 度 信 息。I l I I m nes c en ce 图 l 热 敏 磷 光 徐 层 结 构 不 蒽 图 F i g 1 S c h e m a t i c of t h e r m a l l y s e n s i t i v e p h o s p h o r c o a t i n g s 如何从 辐 射光 中提 取温 度信 息，存 在 不 同 的测 温方 法。一种 是 根据 热 敏涂 料在 不 同温 度 下 发光 强 度 的强 弱来 判 断温度 的高低。这 种 方法 一 般 采用 参 考光 强 的方 法测 量 物体 表 面温 度，需要 实 验 前获 得 已知 温度 时 的涂 层表 面 参考 发光 图像 然 后再 测 量 实验 状态 时 的涂 层 表面 发光 图像，通过 两 幅 图像 光 强 比获得 物体 表 面温 度 信息。但 如果 在 这期 间物体 移动 或变 形 时，就会 引起 测量 图像 与参 考 光强 图像 的对 应位 置 出现偏差，从 而 导致 最终 结果 出现 误差。近 来发 展 的发 光光 谱 法 测温 方 法。可 以克 服 这 方面 的缺 点。发 光光 谱测 温 方法 是 利用 某些 热 敏 涂 料 发 光光谱 的多 峰结 构光 强 随温 度 变化 出现 不 同变 1 4 0 8 红 外 与 激 光 工 程 第 4 3卷 化趋 势而 发展 起来 的一 种测 温 方法。这 种 测温 方 法 事 先标定 出热 敏涂 料 发光光 谱 的两 个 发射 峰 发光 强 度 比与温 度 的关 系曲线，测 量 时分 别记 录两个 发 光 峰所 在 波段 的发光 图像，如 图 2所示，通过 比较这 两 个 波段 发光 图像 的光 强 比与标 定 曲线 插 值来 获得 物 体 表面 温度 称 为双 色法 测温 图 2 双 色 热 敏 涂 料 的 发 光 光 谱 Fi g 2 Emi s s i o n s p e c t r u m o f a t wo-c o l o r t h e r ma l l y s e n s i t i v e p ho s p h o r c o i n g 2 双色热敏 涂料 的温度标定 热敏 涂料 温度标定 系统如图 3 所 示。采用 2 5 4 n m、3 6 5 n m 双波 长 紫外 线灯 作 为激 发 光源，ma y a 2 0 0 0光 图 3 温 度 标 定 系 统 不 意 图 Fi g 3 S c h e ma t i c o f t e mp e r a t u r e c ali b r a t i o n s y s t e m 纤光谱仪测 量发光光谱，其光谱 范 围为 3 0 0 一 l 1 0 0 n m。加热 板可 在 常温 到 l 1 0 0 K 之 间控制 加热 温 度。实验 时 2 5 4 n m 紫 外 激 光 照 射 到 加 热 板 上 的 热 敏 涂 料 热 敏涂 料受 到激 发后 辐 射发 光 采用 透 镜组 接 收辐 射 光，通过 光纤 传输 进 入光纤 光谱 仪 光谱 曲线 最后 由计算 机分 析处 理。实验 采 用 的双 色热 敏磷 光 材料 双 峰发 射光 强 比与 温度 的关 系 曲线如 图 4所示。从 图中 曲线可 以看 出，测 温 曲线近 似 双 曲形 式，常温 到 约 5 0 0K 曲 线 下 降较 快，其 光 强 比对 温 度 更 敏 感，5 0 0K后，曲线 下 降较 缓，温度 敏 感性 稍 差，到 8 0 0K 左 右，热 敏 涂料 发 光 较 弱，背 景 辐 射 干 扰 较 大，已无 法分 辨磷 光 信号，因此该 涂 料 的测 温 范 围 为常 温 到 8 0 0 K 左右，其 测 温精 度取 决 于探 测 器 的动 态 范 围。理论 上可 到 0 0 0 1 K 以下。图 4双 峰强 度 比与温 度关 系 曲线 F i g 4 I n t e n s i t y-r a t i o c h a n g e c u r v e a s a f u n c t i on o f t e mpe r a t u r e 3 测 温 实 验 发 动 机 叶 片 表 面 温 度 的 测 量 对 于 分 析 发 动 机 性 能 具 有重 要 意义 同时 也 是 测 量难 点。采 用 热 敏 涂 层 可 以解 决这 一 难 题，但 采 用 单色 热 敏 涂 层 时，旋 转 时 叶 片 位 置 变 化 会 导 致 测 量 发 光 图像 与 初 始 参 考 图像 空 间 位 置适 配 给 数 据 处 理 带 来 困难。增 加 了测 量误 差。而 双 色法 测 温 由 于 同时 记 录 两个 发 射 峰 的发 光 图 像，对 叶 片 的旋 转 位 置 不 敏 感，不 存 在这 方 面 的 问 题。为 了验 证 双 色 法 测 温 的 优 势，设 计 了 图 5所 示 的旋转 曲 面物 体测 温 实 验 光 路。在 台 式 电钻 上 固定 一 个螺 旋 桨 形 状 物 体，采 用 高 压 喷涂 的方 式 在 螺 旋 桨 曲面 上 附 着 了双 色 热 敏 涂料。螺 旋 桨底 部 放 置 一 个 加 热 源，加 热 螺 旋 桨 叶 片 表 面。在 紫 外连 续 灯 照 射 下，螺旋 桨 表 面 的涂 层 发 光 颜 色 会 因 为 温 度 不 同 而 存 在 差 异。安 装 有 立 体 镜 头 的 I C C D 相 机 用 于 接 收 视 角 稍 有 不 同 的 两 路 发 光 图 像 这 两 路 光 路 通 过 中 心 波 长不 同 的滤 光 片分 别 接 UV l a mp 1 1 C C c0 pe 图 S旋 转 曲面 物体测 温 验证 实验 示意 图 Fig 5 S c h e ma t i c o f t h e r o t a t i n g o b j e c t s u r f a c e t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t s y s t e m 1 4 1 0 红 外 与激 光 工程 第 4 3卷 8】B a i S h u z h a n，H u a Z h a o，t e m p e r a t u r e m e a s u r e me nt i n Li Gu o x i a n g Co mb u s t i o n e n g i n e u s i n g l a s e r i n d u c e d 9】p h o s p h o r e s c e n c e t h e r mo me t r y 【J】I n f r a r e d a n d L a s e r En g i n e e r i n g，2 0 1 2，4 1(3)：6 1 7 6 2 1 (i n C h i n e s e)白书 战，Hu a Z h a o 李 国 祥基 于 激 光诱 导 磷 光 测试 技 术 的发 动机 缸 内燃 烧温 度 测试【J】红外 与 激光 工 程，2 0 1 2，4 1(3)：61 7-6 21 Li u J i n g r u，Hu Zh i y u n，Zha n g Zh e n r o n g，e t a 1 La s e r s p e c t r o s c o p y a p p l i e d t o c o mb u s t i o n d i a g n o s t i c s J】O p t c s a n d P r e c i s i o n En g i n e e r i n g，2 0 1 1，l 9(2)：2 8 4-2 9 6 (i n C h i n e s e)刘 晶儒，胡志 云，张振 荣，等 激 光 光谱 技术 在 燃烧 流 场诊 断 中的应用 J】光 学 精 密工 程，2 0 1 1，1 9(2)：2 8 4 2 9 6