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压力敏感涂料（PSP）光学测压技术综述

摘要：压力敏感涂料压力测量技术起步于20世纪80年代，发展至今以趋于成熟。本文介绍了压力敏感涂料的特性，以及应用该涂料的PSP光学测压技术的原理、系统构成，分析了实验过程中需要注意的事项，消除误差的方法。
关键词：压力敏感涂料；压力测量；实验空气动力学

0.前言

压力敏感涂料（Pressure Sensitive Print——PSP）是一种用于空气动力测量的无接触式压力测量技术。其主要原理是涂料中光敏分子受到照射激发后辐射出可见荧光或磷光，以及空气中的氧分子对受激光敏分子产生“氧猝灭”效应的特点，从而使荧光的强度或寿命随着表面压力的上升而下降，并且采用光学方法捕获空气流动中覆盖有涂料涂层的物体表面的图像，利用图像和图形处理手段计算得到该表面全域压力分布。
与传统的压力测量方式相比，该技术的优势在于：传感器与被测物体无接触、可应用于轻薄材料或者物体边缘；无需在模型表面打测压孔，所以不会破坏被测物体表面流场结构；获得的压力数据是连续而且大范围的；测压模型的制造较为简单，节省了测量成本和时间。
该技术从上世纪80年代开始发展，近十年来收到国内学者关注，现在已经在飞行器风洞实验中得到了应用，技术也已趋于成熟。

1. 测量原理

PSP是由掺入光致发光微粒的粘合剂组成，其应用技术基于量子力学和光化学原理，利用了PSP受激后辐射出可见荧光和氧猝灭效应。氧猝灭效应是指，当处于基态的氧分子与处于激发态的荧光物质的分子碰撞时，氧分子会将荧光物质分子多余的能量夺过来使自己变成激发态，而荧光物质分子返回到基态且不发射任何光子。氧分子这种效应的群体作用使荧光物质发出的荧光减弱，故称为“猝灭效应”。涂料表面氧浓度越高，猝灭效应越强，荧光越弱。
测量具体原理是：将PSP喷涂到被测模型表面，用特定波长的激光照射，可激发出荧光。由于该荧光可被氧猝灭，而模型表面的压力上升将使氧浓度增加，所以PSP受激后辐射的荧光强度将随涂料表面的压力变化。该荧光强度场与氧浓度之间的关系可通过Stem-Volmer方程表示：
（1）
式中，I0为无淬灭剂存在时PSP被激发的荧光强度；I为有淬灭剂（氧）存在时PSP被激发的荧光强度：KSV为Stem-Volmer淬灭常数；Q为淬灭剂浓度。当在模型表面喷涂包含有荧光压力传感器并允许氧可穿透的PSP层时，它在合适的激发光照射下，荧光压力传感器可发出荧光。受激荧光压力传感器荧光猝灭速度正比于在PSP层中氧的渗透浓度和氧的扩散系数。按照亨利定理，在PSP层中的氧的分压正比于在它外层氧的偏压，即。也就是说，荧光压力传感器的荧光输出强度反比于在PSP化合物表面上方氧的偏压，可表示为：
（2）
式中，P为测量压力、P0为参考状态下的压力，、分别是与温度T有关的函数，反映了该涂料的温度效应。然后使用电荷耦器件（CCD）阵列数字摄像机作为传感器，拍摄记录待测表面的辐射荧光强度，就可以根据式（2）计算得出待测表面的空气压力。
另有基于荧光发光寿命的测量方法，其使用的表达式形式和式（2）比较接近，只是将发光强度I替换为发光延迟时间，在此表达式就不单独列出。

2. PSP光学测压系统构成

系统一般由涂有PSP涂料的实验物体、激励光源、图像采集系统、图像处理和控制部分等子系统组成，如图1所示。

图1 PSP测量系统组成与涂层结构

压力敏感涂料（PSP）：是在一种可透氧的基质材料（粘合剂）中加入某种发光分子（发光体），具有光致发光和“氧猝灭”特性。根据测量的需要，压力敏感涂料的选择过程中主要应满足如下要求：
（1）对温度不敏感。不因风洞中温度的分布和变化而影响压力测量；
（2）粘合力强。不因吹风剪切力而使涂层剥落；
（3）机械、热力学和光学稳定性要好。涂料要在多次使用下有稳定的性能，涂料的光致漂白效应要小；
（4）涂料的均匀性及重复生产特性要好。易喷涂、清除，表面光洁；
（5）响应时间要短。涂料的响应时间受氧扩散，涂料层厚度等多种因素的影响；
（6）发光强度高。辐出光强若高则实验准确度也可以提高，使尘埃，油滴等引起的干扰发光成为小量；
（7）高的压力灵敏度。单位压力的变化有大的辐出光强输出。

激发光源：激发光源是实现压敏涂料光致发光的关键因素，需要根据涂料特性选择具有一定波长及能量的激发光源。主要考虑的因素有：
（1） 由于温度会影响PSP测得压力，所以光源发热量要低，没有热辐射，以防对叶片表面温度造成影响而导致测量误差。
（2） 为了不对图像采集造成干扰，不能含有和涂层发出的光相同的光谱。
（3） 单色性好，光谱窄，否则必须加以滤光装置使得输出光波长一定。
（4） 发光效率高。如果是采用基于发光强度的测量法，需要光源输出稳定。
（5） 如应用于内流场等狭窄空间内的压力测量，光源的体积大小、结构是否紧凑也应当纳入考虑范围。
（6） 根据测量方式的不同，可以选择连续光或脉冲光。

PSP图像的采集：可用方法包括静止摄影、微光电视摄像机或电荷耦器件(CCD)阵列数字摄像机，其作用是作为传感器用于记录被实验物体表面的辐出光强度，根据其发光强度按照Stem-Volmer公式计算出实验物体表面的压力分布。由于传感器的分辨率、SNR和线性度决定着系统测量压力精度，所以应当首先考虑上述因素。其次，根据涂料受激后所发波长，传感器的镜头前需加以滤光装置以消除环境光线以及反射光的干扰，提高图像的信噪比。与图像处理系统的连接要完善，和软件的匹配性要好，减少传感器信号传输到计算机的延迟时间，以便工程项目的安装调试。另外要考虑的因素还有传感器的体积和结构、光圈大小对灵敏度的影响以及散热性能等。

图像的处理和控制部分：主要包括计算机和图形工作站等。用于对采集的图像进行处理、计算、显示和存储管理等。图像处理和控制部分主要是软件的选择，应考虑操作流程是否清晰、是否具备完善的校准功能，包括图像校准、温度校准等。硬件上处理能力应能够满足传感器的传输要求，能实时更新和计算数据。

3. PSP特性参数的标定

在测量之前，需要先对涂料的特性参数进行标定，即式（2）中的系数A（T）、B（T）。标定一般在专用的测试箱中进行，如图2所示。

图2 PSP标定装置 图3 PSP的压力和温度特性图

标定箱一般是一个上边开有透明玻璃窗口的密闭容器，有通气管和气泵相连，测试时先把PSP涂料试样放入测试箱中，控制气泵和温控装置改变测试箱中的温度和压力，利用带有滤光镜的激励光源和CCD通过窗口照射到试样并采集到激发出的光强度，然后根据采集到的数据一般用最小二乘法来计算涂料的参数。标定出的特性曲线如图3所示。
另外也可在被测模型上局部埋设传感器，然后根据测定的局部压力和该点涂料发光强度，来确定涂料的参数。这种现场标定的好处是可以减少环境变化和涂料特性随时间变化引起的误差，其缺点是需要附加的测压设备，成本较高。

4. PSP测量技术在风洞中的应用

使用PSP技术测压主要有：基于发光强度的方法、基于发光寿命的方法、基于相位延迟的方法。其中，基于发光强度的方法需要连续稳定的光源，对光源的稳定性要求较高，它不需要同步，控制电路相对简单，由于需要配准，计算相对较为复杂；基于发光延迟寿命测量的方法要求光源必须是脉冲光源（闪光）；基于相位延迟的方法的光源还必须能被调制。后两种方法要求激励光源与图像传感器（CCD）严格同步，控制电路相对复杂。但它不需要配准，计算相对简单，它们一般使用衰减寿命较长的磷光型涂料。在此只详细介绍基于发光强度的测量方法。
在风洞试验前，需要在风洞内安装和调试数字式CCD摄像头和激励光源系统（激光器或照射灯）。风洞吹风试验开始后，在指定风速、迎角条件下，使用连续稳定的激励光源照射涂有PSP的模型，用数字式CCD摄像头摄取测试条件下模型表面的荧光强度场。为了减少误差，一般连续摄取数十张图像并进行图像平均。测试条件下的图像摄取完毕后，再依次采集参考条件（无风）和黑背景暗电流图像。
为了减少CCD本身存在的暗电流影响，采用下列公式校正：
（3）
式中：IC为校正后的图像；IR为校正前的图像；IB为暗电流；，IF为均匀照度的图像。
除了图像采集，还需测定模型表面温度T，然后通过Stem-Volmer方程即式（2）：

计算得出压力分布。
在进行风洞试验时，模型在空气动力的作用下会发生变形、移动，使模型在每幅图像中的位置不同，为了进行均值运算和计算参考条件下与测试条件的模型表面图像发光强度之比，需要进行图像配准，为了保证配准的精度，一般在模型表面预先标记参考点，然后以这些参考点为基准对图像进行配准。一般常用的配准的方法是多项式变换方程，即
（4）
（5）
式中：参数、可根据控制点（标记点）坐标（x，y），（x'，y'）来确定。

5.结束语

光学压力敏感涂料测量技术与传统测压方法相比具有无法比拟的优势：叶片表面全域压力测量及不破坏叶片表面结构。PSP从一项新技术发展到现在已经趋于成熟，在国内的风洞实验中也已得到广泛应用。目前在提高测量精度、扩展应用范围、减少测量时间等方面深入研究，具体研究方向为：①发展新型的、高性能的涂料、激励光源和图像采集传感器，提高系统灵敏度和采集信号的信噪比；②使用温度敏感涂料（TSP）测量模型表面温度，对温度影响进行修正；③分析误差产生的原因，研究出补偿的方法；④发展新的算法提高其运算速度和降低其费用。

参考文献：

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