光學壓力敏感涂料測量技術綜述

鄭立新，郝重陽，周 強，林麗靜

（1.西北工業大學 電子信息學院 西安 710072；2.中國聯通煙臺分公司 山東 煙臺 264005）

光學壓力測量技術也稱作壓力敏感涂料測量技術（PSP），是一種用于空氣動力測量的新概念無接觸式壓力測量技術。其主要利用涂料中光敏分子受到照射激發后輻射出可見熒光或磷光、以及空氣中的氧氣分子對受激光敏分子“猝滅”的特性，采用光學方法捕獲空氣流動中覆蓋有涂料涂層的物體表面的圖像，利用圖像和圖形處理手段計算得到該表面全域壓力分布。與傳統的壓力測量方式相比，具有無接觸和插入、測量范圍廣且連續、實驗成本相對低廉、節省時間等優勢[1-3]。

1 PSP技術基本原理

PSP技術是基于量子力學和光化學原理。按量子力學原理分子都有分層的能級，分子通常都處于穩定的能級——基態（Ground State），當光波通過分子周圍時，可能與分子外層的電子發生相互作用，其光能被分子吸收，從原來的基態到達了高能的激發態（Excited State）[4-5]。激發態是分子不穩定的狀態，很容易失去其激發時所獲得的能量，重新回到其低能穩定的基態，這一過程被稱為激發態的失活。激發態失活可以通過分子內的不發光的無輻射躍遷（靠向環境散失熱量）和發光（釋放輻射）的輻射失活來實現，由于存在能量損失，輻射出的光波波長必大于輻照的光波波長，即波長的“紅移”現象。另外當激發態分子與其他分子（猝滅劑Quencher）相遇時，激發態分子可能將其激發能轉移給其他分子，自身失活到基態，這一過程叫分子間能量轉移。當有分子間能量轉移存在時，分子內光物理過程的量子產率將會受到影響，從而影響其輻出光的強度和壽命。

分子的激發和失活過程可用圖1杰布朗斯基態圖解（Jablonski Diagram）來說明。圖1中，S0、S1、S2、T1表示不同的能級（S表示單線態，T表示三線態），能量從上到下依次降低。處于穩定基態S0的分子吸收光能后到達一個高能的激發態S1或S2的過程如向上的箭頭 a 所指。帶箭頭的波浪線b表示振動弛豫，右向有箭頭 c 和 f分別表示內轉換和系間竄擾。向下箭頭 d表示單重態S1失活到S0發出的熒光。向下箭頭 g表示三重態T1失活到S0發出的磷光。向下的虛線箭頭 e表示存在分子間能量轉移。

圖1 杰布朗斯基態圖解

分子受激后，輻出光強度和壽命與猝滅劑的關系可用Stern-Volmer公式表示：

式中：Q為猝滅劑濃度；KSV是Stern-Volmer常數；I表示累積發光強度；τ為光的延遲時間（壽命時間）；I0、0τ為無猝滅劑時光的強度和延遲時間，對于確定的材料，0τ為常數。

PSP技術利用這一原理，采用氧猝滅效應明顯的材料與粘結材料混合配成壓力敏感涂料，涂至被測模型表面上測壓區,而空氣中含有21%氧，利用氧分子的猝滅效應，由輻出光的亮度變化測量壓力。按照亨利定理，在PSP化合物層中的氧的滲透濃度是正比于在它外層氧的偏壓，即：O=Pσ；另外測量無猝滅劑時材料的累積光強度 I0有時很困難，需引入參考條件下的IREF。參考條件是指壓力和溫度為常數的狀態或等于大氣條件，則：

上式可表示為：

式(4)是一個近似表達式，當壓力變化較大時誤差較大。發光亮度與壓力的關系可用一個二次多項式來近似：

式中：A(T)、B(T)、C(T)是于溫度有關的常數。

2 PSP系統的組成

系統一般由涂有PSP涂料的實驗物體、激勵光源、圖像采集、圖像處理和控制部分等子系統組成，如圖 2所示。

圖2 PSP測量系統組成與涂層結構

PSP涂料：是在一種可透氧的基質材料（粘合劑）中加入某種發光分子（發光體），具有光致發光和氧“猝熄”特性。

激勵光源：主要能在PSP涂層產生均勻分布且能激發涂層發光所需的特定波長和亮度的光，且不含有與涂層發出的光相同的光譜。根據測量方式的不同，可以是連續光或脈沖光。

PSP圖像的采集：可用方法包括靜止攝影、微光電視攝像機或電荷耦器件（CCD）陣列數字攝像機，其作用是作為傳感器用于記錄被實驗物體表面的輻出光強度，根據其發光強度按照Stern-Volmer公式計算出實驗物體表面的壓力分布。傳感器的分辨率、SNR和線性度決定著系統測量壓力精度。

圖像的處理和控制部分：主要包括計算機和圖形工作站等，用于對采集的圖像進行處理、計算、顯示和存儲管理等。

3 PSP涂料特性參數的標定

在進行測量前，首先對所用涂料的特性參數進行標定，即確定Stern-Volmer 公式中參數即式(4)中的A(T)、B(T)或式(5)中的A(T)、B(T)、C(T)。標定一般在專用的測試箱中進行，如圖3所示。

圖3 PSP 標定裝置

標定箱一般是一個上邊開有透明玻璃窗口的密閉容器，有通氣管和氣泵相連，測試時先把PSP涂料試樣放入測試箱中，控制氣泵和溫控裝置改變測試箱中的溫度和壓力，利用帶有濾光鏡的激勵光源和CCD 通過窗口照射到試樣并采集到激發出的光強度，然后根據采集到的數據一般用最小二乘法來計算涂料的參數A(T)、B(T)、C(T)。標定出的特性曲線如圖4所示。

另外也可在被測模型上局部埋設傳感器，然后根據測定的局部壓力和該點涂料發光強度，來確定涂料的參數。這種現場標定的好處是可以減少環境變化和涂料特性隨時間變化引起的誤差，其缺點是需要附加的測壓設備，成本較高。

圖4 PSP的壓力和溫度特性圖

4 PSP測量方法

使用PSP技術測壓主要有：基于發光強度的方法、基于發光壽命的方法、基于相位延遲的方法。其中，基于發光強度的方法需要連續穩定的光源，對光源的穩定性要求較高，它不需要同步，控制電路相對簡單，由于需要配準，計算相對較為復雜；基于發光延遲壽命測量的方法要求光源必須是脈沖光源（閃光）；基于相位延遲的方法的光源還必須能被調制。后兩種方法要求激勵光源與圖像傳感器（CCD）嚴格同步，控制電路相對復雜，但它不需要配準，計算相對簡單，它們一般使用衰減壽命較長的磷光型涂料[6-7]。下面主要對前兩種進行介紹。

4.1 基于發光強度的PSP測量方法

基于發光強度積分的PSP測量方法一般使用連續穩定的激勵光源照射涂有PSP的模型，利用CCD分別采集模型在參考條件下（Wind Off）和測試條件下（Wind On）的表面的亮度圖像，利用基于發光強度I的Stern-Volmer 公式，即：

來計算模型表面的壓力分布。

圖像的獲取包括暗圖像的獲取、參考條件下的圖像獲取和測試條件下的圖像獲取。為了減少誤差，一般每種條件連續取數十張并進行均值運算：以降低圖像的隨機噪聲，提高信噪比。由于CCD 本身存在的暗電流和各像元對光響應的不均勻，為減少其影響用下列公式校正：

式中：IC為校正后的圖像；IR為校正前的圖像；IB為暗電流；IF為均勻照度的圖像。

在進行風洞試驗時，模型在空氣動力的作用下會發生變形、移動，使模型在每幅圖像中的位置不同，為了進行均值運算和計算參考條件下與測試條件的模型表面圖像發光強度之比（I / IREF），需要進行圖像配準，為了保證配準的精度，一般在模型表面預先標記參考點，然后以這些參考點為基準對圖像進行配準。一般常用的配準的方法是多項式變換方程，即

式中：參數ai,j、bi,j可根據控制點（標記點）坐標（x,y），（x',y'）來確定。

4.2 基于發光壽命的PSP測量方法

基于發光壽命的測量方法是根據涂料的輻射出光的衰減時間τ 與壓力的關系來測量模型表面的壓力分布。由于光強壽命與亮度無關，與基于亮度的測量方法相比，在基于發光壽命的測量方法中，光源的不均勻性、涂料的厚度、光降解等因素的影響消除了，參考條件下的圖像和處理模型變形的有關的方法也不需要了。由于熒光的壽命很短（10-10～10-6s），測量比較困難，因此使用該方法時一般選用發光壽命較長的磷光型的涂料。PSP受脈沖光源照射后，其發光強度一般按指數規律變化：

式中：I0為初始發光強度；τ涂料的衰減壽命。

為測量涂料的衰減壽命τ，CCD一般選用可在短時間（μs級）連續照兩張以上的高速CCD或ITCCD（Interline Transfer CCD），在脈沖激勵光結束后立即啟動CCD照第1 張圖像，曝光持續時間 t1，間隔?t后照第2 張圖像，曝光持續時間(tf? t2)，見圖5。

圖5 指數型衰減磷光的兩幅圖像的獲取

由于CCD具有積分特性，則CCD輸出：

這里 I0為t=0時PSP輻出的磷光強度，則：

通過CCD測量出 m1，m2后，根據時刻 t1，t2，tf利用式(12)就可計算出涂料的衰減壽命τ。由于涂料的衰減壽命τ 只與涂料本身的特性和氧的濃度有關，與外界激勵光源無關，因此使用衰減壽命τ測量模型表面壓力時不需要測量參考條件下的值，也不需要進行兩圖像配準，可大大減小計算量。使用前先標定出不同壓力下的衰減壽命τ，然后根據對應曲線計算出壓力。

5 結束語

PSP技術作為一項新技術，在國外已成功用于風洞測量，目前在提高測量精度、擴展應用范圍、減少測量時間等方面深入研究，具體研究方向為：① 發展新型的、高性能的涂料、激勵光源和圖像采集傳感器，提高系統靈敏度和采集信號的信噪比；② 使用溫度敏感涂料（TSP）測量模型表面溫度，對溫度影響進行修正；③分析誤差產生的原因，研究出補償的方法；④ 發展新的算法提高其運算速度和降低其費用。

[1]劉波,周強,靳軍,等.壓力敏感涂料技術及其應用[J].航空動力學報,2006,21(2):225-233.

[2]陳柳生,周強,金熹高,等.壓力敏感涂料及其測量技術[J].航空學報,2009,12(30):2435-2448.

[3]肖亞克,馬洪志,張孝棣,等.光學壓力敏感涂料的研制[J].傳感器技術,2003(22):29-32.

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[5]SANG HYUN PARK,HYUNG JIN SUNG.Correlation based image registration for pressure sensitive paint[C]//42ndAIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno Nevada,2006:239-346.

[6]ZHANGWEI LING,HONGJIAN ZHANG,HONGLIANG ZHOU.Nondestructive pressure measurement in vessels using rayleigh waves and LCR waves[C]//Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings,2008.2008:682-686.

[7]MITSUO K,KURITA M,NAKAKITA K,et al.Development of bi-luminophore pressure-sensitive paint systems[C]//Instrumentation in Aerospace Simulation Facilities,2007.22ndInternational Congress on Digital Object Identifier,2007:1-9.