光學壓力敏感塗料測量壓力的精度提高方法
2023-09-17 14:13:05 1
專利名稱：光學壓力敏感塗料測量壓力的精度提高方法
技術領域：
本發明屬於壓力測量技術。
背景技術：
光學壓力敏感塗料測量技術是上世紀八十年代發展起來的新概念的流場壓力測量 技術，與傳統意義上的壓力測量不同，它主要是利用了高分子聚合物的光致發光現象 和"氧猝滅"效應來測量流場中物體表面所受氣動壓力。
光學壓力敏感塗料是多種高分子聚合物的混合物，包括具有光致發光和氧猝滅特 性的光敏分子、用於固定光敏分子的膠體溶液以及便於多種高分子均勻混合的溶劑。 組成光學壓力敏感塗料的高分子成份經混合後，以噴塗方式通過氣壓噴槍將添作料覆
蓋在被測物體表面，塗料層在大於室溫並小於IO(TC的條件下完成溶劑物質揮發和固 化並附著在物體表面。塗料層結構分為兩層，底層為白色環氧樹脂，主要是用來反射 增強激發光和光敏分子所發螢光的強度；頂層則為含有光敏分子的光學壓力敏感塗料。 當有能夠使光敏分子中的外層電子發生能級躍遷的激發光(可通過對光源進行濾波獲 得)對塗料層表面照射後，光敏分子躍遷至不穩定的高能級狀態，在躍遷至基態過程 中發出螢光。由於光敏分子還具有"氧猝滅"效應的功能，同時塗料膠體還具有溶解 氧氣分子並能承受氧分子滲透與擴散的特性，在空氣動力的作用下，空氣中的氧氣分 子不斷滲透進入塗料層，並在塗料層中擴散，並在擴散過程中不斷與高能態的光敏分 子碰撞，將高能態的光敏分子能量轉移到氧氣分子上，使光敏分子能量下降，發光強 度降低。物體塗層表面所受空氣動力越強，即壓力越大，氧氣分子對高能態的受雷射 敏分子的"氧猝滅"效果也就越強。光學壓力敏感塗料測量技術就是利用光敏分子受 激發光及其發光強度在猝滅時光強與空氣壓力的特定的數值關係進行壓力的定量測 量。塗料層所發出光的強度與其所受壓力的關係可由Stern-Volmer關係式得到，其關 系如下
其中，/和戶分別為塗料層光致發光強度和其所隨的壓力，下標re/表示參考狀態， j與S為Stern-Volmer常數。這是通過參考狀態下亮度圖像與實驗條件下壓力圖像的比運算，獲得物體表面壓力分布的測量方法，通常稱之為基於光強的測量法。
光學壓力敏感塗料測量技術既保持了傳統壓力測量方法的測量精度，同時又能夠 提供表面全域壓力分布；雖然一次性投入較高，但測量系統的適用性和使用率較高， 總體成本比傳統測量方法低，並可進行測量數據的開發應用，日益顯現出不可替代的優點。
光學壓力敏感塗料測量系統的組成包括了激發光源、數字成像設備、光譜過濾裝 置、圖像後處理組件以及塗料校準裝置及壓力控制組件。在測量過程中，需要測量塗 料層不承受空氣動力(參考狀態)和承受空氣動力(實驗狀態)兩種條件下塗料層的 光強亮度圖像，以便進行圖像後處理。
塗料的光強之比與所受壓力之比間的數值關係通過塗料校準測量獲得，根據 Stem-Volmer關係式，在校準過程之中，各測量點塗料試件的壓力值與光強亮度圖像 為已知量，分別通過光強亮度圖像和各測量點壓力的比運算，通過最小二乘擬合，獲 得Stern-Volmer常數J與萬。
在獲得實驗測量及其參考狀態下的塗料層光強亮度圖像後，經一系列圖像的預處 理過程，在獲得相應的光強之比圖像的基礎上，將經校準所得到的Stem-Volmer關係 式代入未知的Stern-Volme關係式中，從而求解得出物體表面所承受的壓力分布。
光學壓力敏感塗料測量技術，實質上就是兩次運用Stern-Volmer關係式，即第一 次由已知的各測量點壓力及其相應的光強亮度圖像，得到Stem-Volmer常數；第二次 在得到塗料層光強之比圖像的基礎上，將得到的Stem-Volmer常數再次代入 Stem-Volmer關係式，從而得到物體表面的壓力分布。
在這兩次應用Stem-Volmer關係式進行塗料校準和實驗測量的過程中，需要選擇 進行光強亮度圖像比運算的基準壓力值， 一般情況下為便於操作和提高效率，選擇當 地大氣壓作為測量計算的基準壓力值，並在塗料校準和實驗測量時分別測量並記錄。
在應用光學壓力敏感塗料進行被測物體表面壓力分布測量時，我們發現每天當地 大氣壓值存在差異，有時會有很大的差值，甚至即使在同一天之內，當地大氣壓值也 存在差異。而一般情況下，塗料校準與實驗測量工作不可能在同一天進行，這樣就會 造成塗料校準的基準壓力值與實驗測量的基準壓力值不一致情況，將會導致測量處理 過程附加的人為誤差，引起測量精度的下降。同時， 一般情況下，在確定基準壓力值的條件下，塗料校準曲線以基準壓力值點 測量的塗料試件光強亮度圖像為相應的基準圖像。由於涉及光敏分子的光化學特性， 不同基準壓力值點處測量獲得的塗料校準曲線變化趨勢相同，但在坐標值上存在較大 差異，且這種差異包含著諸如光源激發光波長及濾波、塗料層厚度、數字成像設備噪 聲等方面及其他不可控制因素的影響，目前還不能從機理上通過修正的方法準確獲得 其數學表達式。
因此，國外相關研究機構在應用光學壓力敏感塗料進行壓力測量過程中，通常率 先進行塗料校準，並選擇標準大氣壓力作為基準，然後開展實驗測量。如此實施測量， 存在著諸多限制，或者需要其他額外工作為基礎，會影響實驗測量工作的進程。
發明內容
為了克服現有技術精度不高、工作繁瑣的不足，本發明提供了一種光學光學壓力 敏感塗料測量壓力的精度提高方法，能夠進一步提高應用光學壓力敏感塗料測量壓力 的精度。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案包括以下步驟
1. 進行實驗測量的預先設計與布置，保證光路的暢通，'即要保證激發光源所發出 的激發光照射到塗料塗層表面，與此同時數字成像設備可以獲得塗層表面的螢光。同 時要考慮模型的剛性和承受空氣動力時形變情況。若發生形變，需要在圖像處理中採 取相應的解決方案。
2. 對實驗模型表面噴塗以光學壓力敏感塗料，先在模型表面噴塗底漆，待底漆完 全固化後，再噴塗以含有光敏分子的塗料，並置於大於室溫且小於IO(TC的避光環境 中使之完全固化；在對模型進行噴塗的同時，還需要在金屬片上進行相同程序的塗料 噴塗工作，並進行塗料的固化；待模型塗料層完全固化後，在塗料層表面區域內設置 不小於16個的標記點。金屬片的尺寸選取為35X35 mm。
3. 根據預先確定的實驗方案，進行實驗設置與準備，安裝模型、擺放激發光源、 數字成像設備等測量系統組件，並進行測量系統和實驗設施的預運轉，檢查實驗設施 和測量系統的可靠性、光路設計、模型與光源和成像設備相對位置等項目。
4. 實施實驗測量，在設定的實驗設施運轉相對穩定的狀態下，採集不少於20幅的 模型螢光圖像作為模型的壓力圖像，並控制實驗中的環境溫度小於6(TC，在實驗設施停止運轉後，還需要採集實驗後的實驗設備停止運轉的參考條件下模型的螢光圖像， 不少於20幅，並檢査核對當時的當地大氣壓值。
5. 實施塗料校準，以實驗時的當地大氣壓力值作為校準的基準壓力值，根據數值
模擬的結果確定校準的最大、最小壓力和壓力間隔，按照由高至低或由低至高的順序 調節密封艙內部的壓力值，採集一組相應壓力條件下的塗料試件螢光圖像，在校準中 還應採集基準壓力值處的塗料試件螢光圖像，並以此為標準，進行螢光圖像的比運算 和平均運算，應用最小二乘法擬合併獲得校準曲線。
6. 對實驗測量所獲得的壓力圖像以參考圖像為基準進行圖像對準，採用圖像匹配 方法來校正模型因承受空氣動力而導致的移動、旋轉和變形，然後進行參考圖像與壓 力圖像的比運算，消除運算過程中產生的噪聲，並應用塗料校準曲線進行螢光強度之 比與壓力值之比的轉換，最終獲得模型表面的壓力分布。
若採用其他對比測量方法，還需要對測量的系統精度、不可控制因素等進行相應 的分析，計算並檢驗測量的誤差水平，以最終確定光學壓力敏感塗料測量的有效性和 可信程度。
本發明的有益效果是由於採用本方法，從根本上消除了因當地大氣壓值隨氣象 條件的變化所引起的基準誤差，以西安地區為例，在三天之內，由於氣候的變化，當
地大氣壓值從95.4 KPa變化至98.5 KPa，絕對差值3.1 KPa，變化量約為3.25%，而工程 測量的誤差精度應在5%以內，這就意味著在實驗測量和塗料校準中需要控制測量誤差 在1.75%之內，而這是非常困難的。採用所述的測量壓力的精度提高方法，可以從根 本上消除和解決因當地大氣壓的變化引起的誤差影響實驗測量精度的問題。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是氣流速度馬赫數為0.3條件下應用本發明所獲得的葉片吸力面壓力分布圖譜。
圖2是氣流速度馬赫數為0.4條件下應用本發明所獲得的葉片吸力面壓力分布圖譜。
圖3是氣流速度馬赫數為0.3條件下應用本發明與傳統的表面壓力靜態掃描裝置 同步測量結果的對比情況，其中，圓點表示光學壓力敏感塗料測量技術的測量結果，方點則表示靜態壓力掃描裝置同步測量的結果。
圖4是氣流速度馬赫數為0.4條件下應用本發明與傳統的表面壓力靜態掃描裝置
同步測量結果的對比情況。
具體實施例方式
方法實施實例應用光學壓力敏感塗料對跨音速葉柵風洞出口處孤立直葉片吸力 面的壓力測量。
實驗測量設備與設施分別由跨音速葉柵風洞、塗有國產光學壓力敏感塗料的直葉 片和光學壓力敏感塗料測量系統組成。以壓氣機整流直葉片的吸力面作為測量壓力表
面，噴塗以國產螢光類光學壓力敏感塗料作為壓力傳感器，該螢光塗料在0—6(TC範
圍內的溫度不敏感性較為理想，可視為溫度不敏感的光學壓力敏感塗料。將所選孤立 葉片固定在跨音速葉柵風洞的出口處。
1. 實驗預先設計與布置。為保證激發光對塗料層表面的照射和方便數字成像設備 獲得塗料層的螢光圖像，選擇跨音速葉柵風洞出口處作為直葉片吸力面的實驗測量部 位，通過葉片以插入方式與基相聯接，葉片基座由兩個螺杆垂直固定在葉柵風洞出口
處的厚度為20毫米的下導流板之上，葉片前緣與來流方向所成攻角約為20° 。實驗 葉片吸力面有4X10的壓力測壓孔，每列4個測壓孔與l個測壓導管相通，IO個測壓 導管從葉片頂端引出；葉片根部插入l個鋼製底座，該底座在靠近葉片前緣處沿其高 度開有裂縫，以方便葉片插入。實驗測量時，由於葉片與其基座屬於插入式固定，在 承受空氣動力時會葉片會圍繞其後緣根部發生微小的旋轉，但可以通過圖像處理方式 予以校正。
2. 塗料的噴塗。通過氣壓噴槍對實驗直葉片吸力面先進行底漆的噴塗，待24小 時後，再進行螢光塗料的噴塗，在噴塗的同時，還對尺寸為35X35 mm的鋁合金金屬 片進行了同步噴塗，以方便進行塗料校準。然後實驗葉片及塗料試件均置於黑暗環境 下進行固化，固化溫度應大於室溫且小於10(TC。由於實驗葉片吸力面開設了 40個測 壓孔，以此作為標記點，略去了設置標記點的過程。
3. 實驗測量的準備。完成實驗葉片在葉柵出口處下導流板的固定，並將激發光源 和數字成像設備擺放設置於葉柵風洞的同側，調整光源和數字成像設備與實驗葉片的 相對位置，保證激發光可完全覆蓋實驗葉片吸力面塗層，且數字成像設備所成圖像可覆蓋驗葉片吸力面。為確定葉柵風洞出口處的氣流速度與葉柵風洞傳統實驗段測量結 果的關係，安裝了皮托管，並進行了葉柵風洞的試運轉以獲得這兩個實驗部位氣流馬
赫數的對應關係，經反覆試驗發現，當風洞傳統實驗段氣流馬赫數為0.7和0.6時，風 洞出口處氣流速度分別為0.4和0.3馬赫。拆下皮托管，通過葉柵風洞的測量控制設備 調節其出口處氣流速度。
4. 實驗測量。在實驗設施運轉前和停止運轉後，分別採集50幅螢光圖像作為運轉 前後的參考圖像。在實驗設施運轉相對穩定的條件下，採集50幅螢光圖像作為壓力圖 像。由於國產螢光塗料的適應溫度範圍應小於6(TC，而葉柵風洞在一定量儲氣罐壓縮 空氣後，風洞的空氣壓縮設備自動啟動，這樣會引起風洞出口處環境溫度的升高，因 此應在風洞空氣壓縮設備自動啟動前完成實驗測量，大約需要2分鐘。每啟動一次， 完成一個實驗狀態下的測量，每次實驗測量還通過實驗葉片吸力面測壓孔應用靜態壓 力掃描裝置進行同步測量，並記錄測量結果。在實驗設施運轉之前，還需要記錄當地 大氣壓力值，以此作為塗料校準的基準壓力。
5. 塗料校準，以實驗時的當地大氣壓力值作為校準的基準壓力值，根據數值模擬 的結果預先確定塗料校準的最大、最小壓力並設置壓力遞增量，按照由高至低或由低 至高的順序調節密封艙內部的壓力值，每個壓力值點釆集不少於20幅的塗料試件螢光 圖像，採集應包括基準壓力值處的塗料試件螢光圖像，並以此為標準，進行螢光圖像 的比運算和平均運算，應用最小二乘法擬合併得到校準曲線。
6. 圖像後處理。對照檢查實驗測量所獲得的壓力圖像和實驗前後的採集的參考圖 像中實驗葉片位置的對應關係，進行以參考圖像為基準進行圖像對準，即採用圖像匹 配方法來校正模型因承受空氣動力而導致的移動、旋轉和變形。然後進行參考圖像與 壓力圖像的比運算，並消除比運算過程中產生的噪聲。應用塗料校準曲線完成螢光強 度之比與壓力值之比的數值轉換，最終獲得模型表面的壓力分布。
對應查找傳統靜態壓力掃描裝置的測量結果，並提取相應測壓孔附近的光學壓力 敏感塗料測量結果，進行對比分析，分析計算兩者之間的誤差，確定其誤差水平。此 次實驗測量，由表l和表2可以發現，兩種測量技術的最大誤差存在於0. 3馬赫條件 下，小於4.5%;而在馬赫數為O. 4條件下，最大相對誤差小於5%，均在工程允許的程 度之內。表1.當地大氣壓95.4 KPa和0.3M條件下
光學壓力敏感塗料測量與傳統的靜壓測量的數據對比
壓力孔編號靜壓掃描 測量值(bar)光學壓力敏感 塗料測量值 (bar)絕對誤差相對誤差
10,99280.9778-0.0150-0.0151
20.95740.9157-0.0417-0.0436
30.93730.9034-0.0338-0.0361
40.89910.8919-0.0072-O細O
0.86260.8544-0.0082-0.0095
60.86680.8571-0.0097-0.0111
0.86940.8631-0.0063-0.0073
80.87920.88570.00650.0074
90.89760.89950.00200.0022
100.90910.91620.00710.0078
表2.當地大氣壓95.4 KPa和0.4M條件下
光學壓力敏感塗料測量與傳統的靜壓測量的數據對比
靜壓掃描 光報力輔
壓力孔編號 、塗料測量值絕對誤差 相對誤差
11.01431.01350扁80.0008
20.95780.952370.00540.0057
0.93330.93358-0細3-0.0003
40.87420.8908-0.0166-0.0190
50.81520.85586-0.0407-0.0499
60.82180.84685-0.0251-0.0305
70.82660.83289-0.0063-0.0076
80.84650.85819-0.0117-0.0138
90.87550.88154-0.0060-0.0069
100.88630.92577-0.0395-0.0445
實驗測量的實例說明採用本發明方法，光學壓力敏感塗料測量技術能夠從根本 上消除當地大氣壓力值的波動引起的誤差，可以在不計塗料溫度效應的前提下提供工 程上可接受的測量結果。
權利要求
1、光學壓力敏感塗料測量壓力的精度提高方法，其特徵在於包括下述步驟(a)進行實驗測量的預先設計與布置，保證光路的暢通，即要保證激發光源所發出的激發光照射到塗料塗層表面，與此同時數字成像設備可以獲得塗層表面的螢光；同時要考慮模型的剛性和承受空氣動力時形變情況，若發生形變，需要在圖像處理中採取相應的解決方案；(b)對實驗模型表面噴塗以光學壓力敏感塗料，先在模型表面噴塗底漆，待底漆完全固化後，再噴塗以含有光敏分子的塗料，並置於大於室溫且小於100℃的避光環境中使之完全固化；在對模型進行噴塗的同時，還需要在金屬片上進行相同程序的塗料噴塗工作，並進行塗料的固化；待模型塗料層完全固化後，在塗料層表面區域內設置不小於16個的標記點；(c)根據預先確定的實驗方案，進行實驗設置與準備，安裝模型、擺放激發光源、數字成像設備等測量系統組件，並進行測量系統和實驗設施的預運轉，檢查實驗設施和測量系統的可靠性、光路設計、模型與光源和成像設備相對位置等項目；(d)實施實驗測量，在設定的實驗設施運轉相對穩定的狀態下，採集不少於20幅的模型螢光圖像作為模型的壓力圖像，並控制實驗中的環境溫度小於60℃，在實驗設施停止運轉後，還需要採集實驗後的實驗設備停止運轉的參考條件下模型的螢光圖像，不少於20幅，並檢查核對當時的當地大氣壓值；(e)實施塗料校準，以實驗時的當地大氣壓力值作為校準的基準壓力值，根據數值模擬的結果確定校準的最大、最小壓力和壓力間隔，按照由高至低或由低至高的順序調節密封艙內部的壓力值，採集一組相應壓力條件下的塗料試件螢光圖像，在校準中還應採集基準壓力值處的塗料試件螢光圖像，並以此為標準，進行螢光圖像的比運算和平均運算，應用最小二乘法擬合併獲得校準曲線；(f)對實驗測量所獲得的壓力圖像以參考圖像為基準進行圖像對準，採用圖像匹配方法來校正模型因承受空氣動力而導致的移動、旋轉和變形，然後進行參考圖像與壓力圖像的比運算，消除運算過程中產生的噪聲，並應用塗料校準曲線進行螢光強度之比與壓力值之比的轉換，最終獲得模型表面的壓力分布。
全文摘要
本發明公開了一種光學壓力敏感塗料測量壓力的精度提高方法，進行實驗測量的預先設計與布置，對實驗模型表面噴塗以光學壓力敏感塗料，進行實驗設置與準備，並進行測量系統和實驗設施的預運轉，然後實施實驗測量，經過塗料校準後，校正模型，最終獲得模型表面的壓力分布。本發明可以從根本上消除和解決因當地大氣壓的變化引起的誤差影響實驗測量精度的問題。
文檔編號G01L11/00GK101290259SQ20081015005
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月13日 優先權日2008年6月13日
發明者波 劉, 強 周, 趙旭民, 鄭立新 申請人:西北工業大學