快速響應壓敏涂料測試技術與應用

于靖波, 向星居, 熊紅亮, 黃 湛, 趙學軍

(中國航天空氣動力技術研究院, 北京 100074)

0 引 言

自20世紀80年代起，一種基于發光氧猝滅效應的表面壓力光學測量技術發展起來，這種技術被稱為壓力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint，PSP)測試技術。PSP的應用從分析化學領域氧濃度測量轉變到空氣動力學表面壓力測量，使壓力測量從傳統的逐點測量表面壓力轉為全域壓力測量。PSP技術不僅能提供模型表面高空間分辨率的壓力數據，還能作為一種流動顯示手段，定性顯示流場壓力分布、激波位置和分離區大小。

通常說的PSP是指常規穩態PSP技術，國內外已有相關文獻進行了詳細論述2〗。快速響應PSP是PSP技術的進一步發展，將PSP的優勢從空間分辨率延伸到時間分辨率，相對于傳統脈動壓力測試需安裝大量昂貴脈動壓力傳感器，快速響應PSP技術在空間上能做到像素級別的監測點，在時間上能得到kHz量級以上的脈動壓力數據。快速響應PSP技術提供了以非接觸方式和較小的成本完成對復雜氣動模型進行表面全域高空間分辨率和時間分辨率測量的獨特能力，能夠滿足工程生產中風洞非定常試驗和捕捉大面積壓力脈動的需求。

目前，世界主要航空航天大國都開展了該領域的研究與應用，相當部分的研究機構已達到了工程實用水平[3-4]。國外對快速響應PSP技術的研究取得了很好的成果，實驗室條件下響應時間達到1μs量級。目前快速響應PSP測試技術在美國空軍、NASA、普渡大學、俄亥俄州立大學、日本空間宇航科學研究院(JAXA)、德國宇航研究中心(DLR)、法國宇航研究院(ONERA)等都取得了顯著的研究成果，快速響應PSP技術工程應用測量頻率達5kHz，可以連續捕捉從低速到高超聲速的非定常流動現象。

國內近年來也正在大力發展PSP技術，許多高校和科研機構都做了大量研究工作。高校如上海交通大學在PSP快速測量、西北工業大學在發動機轉子表面壓力測量、清華大學在燃氣輪機氣膜冷卻方面都有相關實驗研究工作開展。工業生產部門研究工作更突出、更面向滿足型號科研生產實際需求，中國航天空氣動力技術研究院與中國科學院化學研究所合作,通過自主研發途徑建立了快速響應PSP表面壓力測量技術，在常規高超聲速風洞和1.2m量級亞跨超聲速風洞進行了試驗驗證。航空工業空氣動力研究院和中國空氣動力研究與發展中心都先后引進了美國ISSI公司的PSP測試設備，并在此基礎上積極探索如何與風洞結合、應用和推廣，均完成了大量的研究工作。

大量公開發表文獻表明快速響應PSP測試技術已經發展到一定水平。近年來，研究內容和方向也有逐步細化和深入的趨勢。本文綜述了當前快速響應PSP技術的研究進展，介紹了PSP的工作原理和多孔PSP的動態響應機理，列舉了目前普遍應用的動態標定設備和常用測量方法，最后引用國內外快速響應PSP技術的典型應用案例，展示了快速響應PSP技術對非定常流動測量的優勢，并指出未來研究的發展方向、面臨的困難與挑戰。

1 PSP工作原理

1.1 技術特點

PSP技術是利用壓敏涂料的光學特性測量物體表面的壓力分布，即將一種特殊的壓力敏感涂料覆蓋在模型表面上，通過測定受激輻射光強度場，可計算出相應的壓力分布。主要光物理機理是探針分子的光致發光作用和氧猝滅效應。其中，光致發光作用即以一定波長的激發光照射時，壓敏涂料受激輻射發出更長波長的光；氧猝滅過程是指激發態分子通過和氧組分相互作用而失活，因此涂層表面的空氣壓力與受激輻射光有關。在風洞試驗中，利用模型表面氧組分壓力變化導致的涂料層中發光分子的猝滅效率不同，從而顯示模型表面流場的壓力變化。

常規的表面壓力測量是在待測物表面開孔安裝管路并連接到壓力傳感器上進行，只能得到模型表面離散的測壓點數據。與常規的測壓孔方法相比PSP測壓有很大的優勢。首先，PSP技術可以提供整個模型表面連續壓力分布且不會干擾流場，捕捉復雜流動的詳細流動特征，提供測壓孔無法提供的小尺寸模型和彎曲、薄翼面表面的壓力分布。其次，壓敏涂料測壓不需要制造帶許多測壓孔的模型，可以在測力試驗的同時進行壓力分布測量，節省了大量的測壓模型設計、制造和風洞試驗費用，尤其是對型號研制而言可以大大縮短風洞試驗周期，加快研制定型。此外，壓敏涂料試驗得到壓力分布數據后，將壓力數據映射到模型的三維網格模型上，沿三維網格模型的表面壓力分布積分就可以得到模型上的氣動力[5]。

基于發光分子機理獲取PSP的壓力數據主要方法包括光強法和壽命法。基于光強度變化的測量技術被稱為光強法。光強法最先由俄羅斯中央航空流體力學研究所(TsAGI)和美國華盛頓大學等機構提出[6-7]，是以可見光激發涂料為主的技術研究與應用。光強法需持續照射并采集涂料發光強度，由于拍攝角度、拍攝距離的不同，以及光源、涂層厚度和發光探針濃度不同導致空間不均勻照射，得到的光強場不能直接轉化為壓力數據，而是需要得到已知的某個壓力條件下的參考圖像，通過2幅圖像的比值換算出當前條件下的壓力值，其中的光強壓力換算關系式即Stern-Volmer公式[1]：

Iref/I=A+B(p/pref)(1)

這里p和pref分別表示試驗壓力和參考壓力，I和Iref分別表示試驗光強和參考光強。A和B是壓敏涂料的校準系數，它們由壓敏涂料校準曲線確定。通常用1個大氣壓下的光強表示參考光強Iref，1個大氣壓表示參考壓力pref。光強法需要強度高、穩定性好的激發光源和科學級CCD/CMOS相機。

不同于光強法，壽命法[8]是以涂料對隨時間變化激發光的發光響應為基礎的測量方法，涂料對隨時間變化激發光E(T)的發光響應I可以用一階關系式描述：

dI/dt=-I/τ+E(T)(2)

其中τ為涂料的發光壽命。對于脈沖光，涂料的發光響應為簡單的指數衰減：

I(t)=I0exp(-t/τ)(3)

由于氧猝滅效應，發光壽命和壓力也遵循Stern-Volmer公式：

τref/τ=A+B(p/pref)(4)

常用的基于壽命法的測量方法是在涂料發光響應的指數衰減過程中選定2幅圖像采集：第一次采集為初始的幾微秒內，發光強度變化很小；第二次采集由于發光特性呈指數衰減，能夠得到較大的變化量，從而得到壓力光強轉換關系：

(IG2/IG1)ref/(IG2/IG1)=A+B(p/pref)(5)

壽命法的主要優勢是能夠在一次激發過程中獲得2幅發光圖像信息，但需要脈沖LED或激光器作為激發光源，同時需要一部可選通的CCD相機，如粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry, PIV)技術中常用的跨幀CCD相機。壽命法要求PSP發光壽命遠小于非定常流場最小特征時間尺度。壽命法的難點是對測量系統時序控制組件和精度要求高，同時需要保證CCD相機快速捕捉高質量圖像。

1.2 PSP動態響應機理

穩態PSP的響應時間在0.1s量級，而非定常流動中要求PSP具有更快的響應。PSP響應快慢與其特有的2個時間尺度有關。其一是PSP的光致發光壽命，代表可以瞬時達到相應壓力分辨率的固有物理時限，典型PSP發光壽命在1～50μs；另一個是氧分子在涂層中擴散的時間，二者共同決定了快速響應PSP的頻響特性。氧分子在均勻聚合物中擴散的時間要遠比光致發光壽命長。一直以來，研究快速響應PSP的主要問題為提高擴散率的時間尺度。假設均勻聚合物薄層零通量固壁條件，氧氣濃度可由一維擴散方程來描述：

?[O2]/?t=Dm(?[O2]/?z2)(6)

其中Dm為涂層中氧氣質量傳輸的擴散率，t為時間，z為從模型壁面到聚合物涂層方向的坐標。Carroll等人[9]通過求解擴散方程給出了關于均勻PSP涂層中擴散時間τdiff的典型平方律估算：

τdiff=h2/Dm(7)

其中h為涂層厚度。基于式(7)發現，縮短壓敏涂料的響應時間需要降低涂料基質層的厚度，從而縮短氧分子接觸壓敏涂料分子的距離，或增大壓敏涂料基質層中壓敏涂料分子濃度從而提高氧分子接觸壓敏涂料分子的幾率，本質上都是縮短了氧分子滲透基質并接觸壓敏涂料分子的距離來縮短壓敏涂料的響應時間。

Winslow等人[10-11]通過建模指出PSP對壓力下降的階躍過程響應更快。Kameda[12]認為在量級相近的情況下，響應模型應當同時考慮PSP的發光體壽命和擴散時間尺度。McMullen[13]從實驗上驗證了PSP的階躍響應特性取決于壓力階躍的方向和幅值，并證實了同時考慮發光體壽命和擴散時間尺度的響應模型的準確性。

除此之外，涂層厚度也會影響PSP的頻響特性。當涂層厚度增加時，PSP光致發光信號強度增強，信噪比隨之增加，而涂料的頻響卻隨之降低。因此，存在一個最佳的涂層厚度以滿足頻響和信噪比要求。然而，實際操作過程中，壓敏涂層的噴涂厚度及基質中熒光分子分布均勻性難以保證，不僅使得對涂料所發熒光的準確測量變得很困難，而且易造成壓敏涂料響應時間分布相差過大，影響到圖像的信噪比。Schairer[14]給出Dm在10-9m2/s量級和壓力脈動頻率為100Hz時的最佳涂層厚度小于5μm，對于這樣薄的涂層，信噪比很低，使得對涂料光致發光的準確測量非常困難。基于擴散方程解法，Carroll等[9]估算了氧分子在一種典型的有機硅聚合物膠黏劑中的質量擴散率Dm，給出了9.9～40.2℃范圍內，Dm=(1.23～1.88)×10-9m2/s，而純聚二甲基硅氧烷的Dm=3.55×10-9m2/s。對于擴散率Dm在10-9m2/s量級和厚度10μm的聚合物涂層，其擴散時間尺度為0.1s。因此，傳統聚合物PSP不適用于非定常狀態壓力測量。

1.3 多孔PSP動態響應機理

當前，縮短響應時間的主流方向是通過尋找多孔、高溶解性或高親氧性基質獲得較大的氧擴散系數，利用對氧分子擴散阻礙較小的多孔、疏松結構的基質，加快氧分子的擴散過程，快速對發光壓敏涂料分子進行猝滅，提高其擴散系數，有效縮短壓敏涂料對壓力變化的響應時間。多孔PSP有較大的孔面積，發光分子附在孔內，氧分子可直接猝滅發射光而無需滲透進入膠黏劑層，因此多孔PSP的響應時間很短。由于增大了空氣與涂層接觸面積，多孔PSP擴散時間可達到18～500μs，因此，多孔PSP更適合非定常流動測量。

經典的平方率估計算式并不適用于多孔PSP，Sakaue等人[15]測量給出313.1K條件下3種聚合物和300K條件下多孔陽極化鋁表面擴散時間量程的冪律關系：對于GP179，τdiff∝h1.83；對于GP179/BaSO4，τdiff∝h1.07；對于PTMSP，τdiff∝h0.29；對于多孔陽極化鋁表面，τdiff∝h0.573。對于有機硅樹脂聚合物GP179，冪律指數接近于2，而多孔材料的冪律指數明顯小于2。

對于多孔PSP響應機理，Liu[16]從現象學角度出發推導了多孔涂層的有效擴散率和擴散時間尺度表達式。由于高度纏繞的管狀孔長度不再與管狀孔在z方向上的線性長度尺寸成正比，引入管狀孔通道的分形維數dfr，多孔PSP涂層的擴散時間尺度估算為τdiff∝h2-dfrDm-1npore-1rpore，其中npore為單位面積的微孔數，rpore為微孔的平均半徑。對于多孔PSP冪律關系中指數q小于2。Kameda等人[17]計算了陽極化鋁氣體滲透的有效擴散系數，隨微孔的平均半徑而增加，10～100nm微孔直徑下的有效擴散系數Deff=3～15×10-6m2/s。Gregory和Sullivan[18]采用擴散模型結合非線性Stern-Volmer方程來測量涂料的壓力階躍變化,通過微型射流振蕩器進行試驗，估算了快速FIB(fluoro-isopropyl-butly)聚合物壓敏涂料擴散系數(Deff=6.33×10-10m2/s)和陶瓷聚合物壓敏涂料的擴散系數(Deff=8.4×10-6m2/s)。

1.4 快速響應壓敏涂料

迄今為止，國外不同研究機構研制了多種快速響應PSP涂料，如薄層色譜板壓敏涂料，熱液涂料, 溶-凝膠體壓敏涂料, 陽極化鋁壓敏涂料, 陽極化鈦壓敏涂料, 聚合物/陶瓷壓敏涂料和多孔滲透壓敏涂料。應用最廣泛的3種涂料為薄層色譜板，陽極化鋁和聚合物/陶瓷。

1.4.1薄層色譜板壓敏涂料(Thin-LayerChromatographyPSP,TLC-PSP)

薄層色譜板是化學領域薄層色譜中應用的一種附有吸附劑層的薄板，常用于化學實驗中的分離過程。1993年美國華盛頓大學的Baron等人[19]首次采用商業硅膠薄層色譜板作為壓敏涂料的粘合基質，并測量得到這種壓敏涂料的響應時間小于25μs。TLC-PSP制備方便，但由于薄層色譜板易碎，且發光分子是通過分子間作用力吸附于基質表面，所以TLC-PSP很難承受較大的氣動載荷，僅限于應用在簡單外形的模型表面[21-22]。TLC-PSP能夠有效縮短壓敏涂料的響應時間，對多孔介質材料的研究具有重大意義。

1.4.2陽極化鋁壓敏涂料(AnodizedAluminumPSP,AA-PSP)

1997年，普渡大學的Sullivan等[20]開發了另一種多孔壓敏涂料AA-PSP，由陽極氧化鋁層和發光體組成，不含聚合物凝結材料。通過電化學過程將被測模型表面陽極氧化形成疏松、多孔基質，如圖1所示。基質表面均勻分布大量10～100nm的微孔，發光體采用二氯化三釕([Ru(dpp)3]Cl2)，熒光分子直接吸附在多孔的鋁表面上形成AA-PSP。經疏水處理后在陽極氧化鋁壓敏漆表面做硬脂酸涂層處理，這樣可以延遲其老化并降低其對溫度的敏感性。Sakaue和Gregory[21-23]都給出了AA-PSP的詳細制備過程，關鍵影響因素是浸泡溶液的極性、發光體濃度和陽極化時間。Zare等人[24]發現，AA-PSP的靜態特性受輻射光、壓力靈敏度和溫度依賴性的影響。AA-PSP的響應時間尺度可以通過測量涂料發光壽命和對階躍壓力變化的響應時間來衡量[25]，其中有機發光體的AA-PSP發光壽命在1ns量級，而金屬絡合物發光體的AA-PSP發光壽命在100ns量級。AA-PSP的制備要求被測模型表面必須是鋁或鋁鎂等輕質金屬合金，且適合于被測量面積相對較小的模型，也可以用于彎曲的被測量曲面，基質層的厚度可以通過陽極化的時間長短來控制。目前，在所有動態校準結果中AA-PSP的頻響是最高的。

圖1 AA-PSP結構示意圖及電鏡掃描結果[19]

Fig.1SchematicillustrationsandscanningelectronmicrographsofAA-PSP[19]

1.4.3聚合物/陶瓷壓敏涂料(Polymer/CeramicPSP,PC-PSP)

TLC-PSP和AA-PSP已經大量用于非定常流動測量中，但是這2種多孔PSP的基質材料限制了它的應用，因此導致了PC-PSP的發展。PC-PSP可以用于任意形狀和材料的模型，是由高濃度陶瓷顆粒和少量聚合物(比重約3.5%)構成的混合物作為基質材料的壓敏涂料。如圖2所示，其響應時間隨混合基質中的聚合物比例降低而減小，當前國內外所使用的PC-PSP的響應時間均低于1ms。

圖2 PC-PSP結構示意圖及電鏡掃描結果

Fig.2SchematicillustrationsandscanningelectronmicrographsofPC-PSP

1988年，美國華盛頓大學的Ponomarev等人[26]提出用聚合物/陶瓷混合成份以提升壓敏涂料的響應頻率。1999年，Scroggin[27]首次使用氧化鋁(氧化鈦)顆粒混合少量的聚合物構成PC-PSP的基質，發現PC-PSP的發光強度、壓力靈敏度、溫度依賴性和響應時間受發光體、聚合物和陶瓷顆粒的影響。通過控制聚合物/顆粒占比，選用釕化合物為發光體的涂料發光強度能夠達到最優，壓力靈敏度在(-0.21%～0.95%)/kPa之間，而溫度靈敏度取決于聚合物和多孔顆粒，在(-0.65%～1.35%)/K之間[28-29]。Scroggin和Juliano[30-31]發現基于鉑卟啉(PtTFPP)的壓敏涂料壓力靈敏度(-0.82%/kPa)明顯高于基于釕化合物的壓敏涂料(-0.2%/kPa)，同時，涂料的溫度靈敏度相似，發光壽命略長于釕化合物壓敏涂料。Sugimoto[32]對PC-PSP的頻響特性進行了深入的研究發現，溫度對PC-PSP的響應特性有一定影響，但一定涂層厚度范圍(20～300μm)內其響應特性變化不大，由此猜測發光體主要沉積在涂層上表面或涂層過厚導致僅上表面的發光體能被照射發光。Gregory等人[33]提供了PC-PSP的詳細制備過程，并可通過商業公司直接購買。2012年，Kameda等人[34]研發了一種和PC-PSP的類似的涂料，采用高離散納米量級的陶瓷顆粒而沒有加入聚合物,得到基于PtTFPP發光體的PSP的壓力靈敏度(-0.94%/kPa)和溫度靈敏度(-1.68%/K)與PC-PSP相近。

除多孔PSP外，高透氧聚合物基質壓敏涂料也可以用于非定常測量[35-36]，如TMSP(聚乙烯[1-三甲硅基-1-丙炔])的氧滲透率是傳統硅樹脂和聚苯乙烯聚合物基質的10～50倍[37]。尤其在低溫條件下， TMSP涂料能夠形成較大的無定形結晶體結構，保證較高的氧滲透率。發光體和TMSP基質混入同一溶劑中，將混合物涂覆在模型上進行實驗。TMSP壓敏涂料的響應時間尺度在10ms量級。

2 動態標定裝置

Baron采用多孔氧化硅TLC平板作為膠黏劑測量得到TLC-PSP的響應時間觀測值小于25μs,雖然這種脆性的PSP實際上不能用于風洞測試，但Baron等的工作證明采用多孔介質材料能夠有效縮短涂料的響應時間。快速響應PSP的動態標定方法日趨成熟，能夠給出動態響應標定系統固有測量范圍內的最短響應時間，有效驗證涂料的動態響應特性，幫助指導涂料的研制選型。同時，由于試驗模型、涂料配方、制作工藝及噴涂工藝的區別，PSP的響應時間略有差異，因此在試驗前需要對快速響應PSP進行動態校準和響應時間測量，以確定涂料的響應頻率是否滿足試驗需求。

理想的動態校準裝置應該給出足夠高頻率下快速響應PSP得到的壓力場信息，同時和標準測量值進行比對，給出信號對應頻率的幅值和相位遲滯信息。表1列舉了幾種常用標定裝置的響應時間尺度和壓力變化尺度。

表1 不同動態標定方法對比[3]Table 1 Comparison of different dynamic calibration methods[3]

2.1 激波管

最常用的動態校準裝置是激波管[36,38-39]，通過破膜技術在幾微秒內形成激波，產生較快的壓力階躍變化，因此激波管是測試小于1μs響應時間的快速PSP的理想裝置。圖3顯示了檢測PSP時間響應的簡單激波管示意圖。驅動與被動試驗段之間的鋁薄膜由于壓差而爆破，被動段為1個大氣壓力。動態壓力傳感器與安置于激波管壁的測壓孔相連接，用來測量動態參照壓力。PSP覆蓋在可直接安裝于激波管壁的正方形鋁塊表面。參考壓力傳感器和PSP試件安置于鋁薄膜兩側，PSP的照射光源為波長532nm的激光。當激波通過PSP測點時產生的光致發光信號通過高通濾光片(>570nm)后由光電倍增管采集，電壓信號由示波器顯示。由激光光斑尺寸d和激波速度u確定了可探測壓力上升時間的極限t=d/u(3～5μs)。若使用像增強高速CCD相機采集，則能夠得到激波通過PSP試件過程的全場發光圖像。

圖3 PSP激波管響應時間測試示意圖

Fig.3SchematicillustrationsoftheshocktubefordeterminingthePSPtimeresponse

圖4給出了3種典型多孔介質PSP在同一壓力階躍下的時間響應比較，3種配方選擇了同一探針分子Ru(dpp)，多孔介質分別為陽極化鋁、多孔氧化硅薄層色譜板、聚合物/陶瓷，得到AA-PSP和TLC-PSP響應時間在10μs級，而PC-PSP的響應時間在1ms量級。Kameda[34]通過激波管標定了所研發的納米硅粒子PSP，發現其階躍響應時間小于100μs。Fujii等人[40]在激波管中測量了AA-PSP響應時間

在350ns量級，頻響高達1MHz。激波管動態校準裝置的主要限制在于無法提供頻響數據的相位遲滯和振幅衰減信息。

圖4 多孔Ru類PSP時間響應對比[40]

Fig.4ComparisonofthetimeresponseofporousRu(dpp)-basedPSP[40]

2.2 電磁閥壓力突升裝置

另一種簡單的動態校準裝置為電磁閥式開關產生壓力容器內部的壓力階躍[8,18,35-36,41-43]。圖5顯示了Asai等[35-36]測試PSP時間響應的壓力突升裝置。該裝置具有1個與快開閥相通的用于測試的小

空腔，快開閥時間常數為幾百微秒。該裝置所用的試件為覆蓋了PSP的鋁制試樣。圖6顯示了以PtOEP為探針分子并以GP197、陽極化鋁和PTMSP為基底的部分PSP從真空到標準大氣壓的壓力階躍條件下的時間響應，同時給出了Kulite壓力傳感器同步測量的參考壓力信號。以GP197為基底的PSP響應很慢，一般在0.1s量級，而以陽極化鋁和PTMSP為基底的PSP具有微秒級的時間響應。

圖5 電磁閥壓力突變裝置示意圖

圖6 PSP在壓力階躍中的時間響應[35]

Fig.6TimeresponseofPSPstoastepchangeinpressure(a)kulitesensor(reference), (b)GP197-PSP, (c)AA-PSP,and(d)poly(TMSP)-PSP[35]

2.3 駐波管

近年來，駐波管也被用于PSP的響應時間測量,相比于其他動態校準方法，駐波管能夠直接測量頻率的幅值衰減和相位遲滯[9,32,44-46]。在激波管和駐波管中進行的AA-PSP響應時間測量表明，AA-PSP厚度是響應時間的主要影響因素。考慮陽極化鋁層厚度不確定度(10±1μm)的前提，AA-PSP一般在30～50μs內完成壓力上升期的90%。不同發光體的AA-PSP動態響應有所不同，但溫度對AA-PSP的頻響影響較小。PC-PSP的響應時間特性不同于AA-PSP，主要受聚合體成分的影響，當組分中聚合體所占比例從2.6%提高到90%時，響應時間由10μs增加到10s。因此用于非定常流動測量的PC-PSP中聚合體所占比重接近3%。Sugimoto和McMullen對基于PtTFPP的PC-PSP分別在不同實驗室中采用駐波管動態校準方法進行了對比試驗[4]，幅值衰減3dB,頻率均在6kHz左右。

類似駐波管的測量方法還有Klein等人[47-48]提出的利用機械振動器產生壓力變化。在三通閥內用高強度持續光照射PSP，通過光電倍增管采集發光信號。沿共鳴管長度方向的壓力場分布是一維且始終隨時間變化的，同時用動態傳感器作為對比基準。共振頻率隨共鳴管長度和直徑而變化。

2.4 射流振蕩器

當射流在兩側壁之間流動時, 由于元件幾何結構的微小不對稱性及射流本身存在的紊亂，射流將發生偏轉,并最終牢固附于一側壁面上的現象被稱為射流的Coanda效應，也稱為附壁效應。當射流受到外部流體急速流入時，原有的力平衡被打破，射流由附于一側壁變為附于另一側壁。這種應用附壁效應和附壁射流切換的射流振蕩裝置常被用于檢測PSP的動態響應特性。Gregory等人[49]利用射流振蕩器作為動態校準裝置來測量PSP的響應時間，射流振蕩器的優勢在于能夠提供頻域的相位和幅值信息。振蕩射流的頻率隨供給壓力提高而增加，相同壓力下振蕩器的尺寸越小，振蕩頻率越高，一般在10kHz量級，射流振蕩器能夠提供高頻和高動態壓力變化。在流場內放置參考壓力傳感器，與PSP得到的時變壓力響應進行對比，振蕩射流直接沖擊在PSP試件表面。

除此之外，Sakamura等人[50]應用Gassegrain光學元件設計了一種脈沖射流裝置測量扁平空氣沖擊噴嘴所產生的周期性壓力波動,通過調制盤控制高動態壓力源產生脈沖射流，受維度、狹縫數和調制盤旋轉速度限制，測得的典型脈動頻率在1.5kHz左右。Jordan等[51]用揚聲器為振蕩壓力源進行了溶膠-凝膠基的PSP動態標定試驗，并獲得了高達6kHz的頻率響應。

3 試驗測量方法

PSP測量系統主要包括照射光源、濾光器、光電探測器和數據采集處理等部分，基于不同的光分子機理、試驗設備、數據采集和分析方法，在進行快速響應PSP試驗時所采用的測量方法和系統各有不同。

3.1 點測量方法

點測量方法利用激光器激發PSP，通過光電倍增管檢測發光信號。激光器能夠提供高強度的激發光，在模擬輸出信號數字化處理之前，標準的信噪比增強技術可提高測量精度。通過放大及帶寬限制濾波，然后使用高分辨率的A/D轉換器將信號數字化，極大地改善信噪比，適合于壓力波動幅值相對較小的情況，如噪聲測量中，平均壓力約105Pa，而壓力波動在102Pa量級。這種方法的局限性在于測量區域較小，為了測量多點的壓力，需要采用多激光器/光電倍增管或激光掃描系統。當光學采集受限，CCD相機系統難以使用時，可采用點測量方法進行PSP測量。Nakakita通過點測量技術測量了機翼后緣的噪聲光譜[52-53]。

3.2 相位平均法

相位平均是最早用于獲取快速響應PSP數據的方法[54-59]，不需要高幀頻的CCD相機就能進行測量。通常采用麥克風或壓電式傳感器獲得信號，通過相位鎖定被過濾分離的特征頻率，設定參考點調整遲滯得到一系列該相位下的PSP圖像，從而重建得到壓力時間關系曲線。相位法通過采集大量圖像進行平均能夠減少噪聲，提高信噪比。理論上采集圖像數量沒有限制，實際風洞試驗中由于試驗成本以及長時間試驗導致的溫度變化和涂料光降解限制了圖像采集數量。相位平均方法要求流場流動特征必須是隨時間周期變化的，只能對穩定、單一的頻率信號進行相位鎖定，但許多情況無法提供參考信號且實際流動中包含多種特征頻率。

3.3 高速圖像采集測量方法

高速圖像采集測量方法利用高速相機配合持續LED光照，實時拍攝獲得快速響應PSP壓力脈動變化。在過去幾十年里，高速相機的采集能力、制造成本和質量都有了飛速發展， CMOS相機噪聲降低至CCD相機同等水平，全幀幅(兆像素量級)圖像采集頻率超過10kHz。同時，LED發光技術能夠為其提供高強度激發光，提高圖像信噪比，使其更適用于快速響應PSP測量[48,53,60-70]。基于高速圖像采集測量方法的優勢在于能夠給出實時瞬態的壓力變化，不要求流場流動特征是周期變化的，能夠捕獲流場中任一時刻的壓力場，提供模型表面高空間分辨率和高時間分辨率的壓力數據，通過頻譜分析、互相關算法、模態分析方法和聲束合成等數據處理方法，進一步挖掘實驗數據，幫助理解流場流動特征。高速圖像采集測量方法的主要缺點是隨著采集頻率的提高，曝光時間縮短，采集圖像的光強降低，信噪比降低。

3.4 基于雙分量PSP的運動捕獲方法

在光強法中需要采集無風參考圖像來消除光源不均勻照射影響，提取參考壓力信息，因此當模型移動、變形導致表面光強度發生變化時，光強法會產生顯著的誤差。Sakaue等人[71]提出一種針對運動模型捕獲表面壓力數據的雙分量PSP方法，由對氧組分敏感的發光體(活性探針)和對氧組分不敏感的發光體(參考探針)組成，活性探針和參考探針可用相同的激發光激發。在理想情況下，活性探針和參照發光探針的發射光譜之間沒有交迭，這2種組分發的光可進行分離。令Iλ1和Iλ2分別為活性探針和參考探針在發射波長處的發光強度，任一時刻下同時采集探針圖像和參照圖像，通過二者光強之間的比值Iλ1/Iλ2可以得到壓力光強換算關系。如圖7所示，雙分量PSP通過彩色相機紅色和綠色通道采集，分別獲得壓力信息和參考圖像信息。利用多孔材料能夠降低PSP的響應時間，配合彩色高速相機可用于高速流場和動態試驗測量中的運動模型表面壓力捕獲。雙組分壓敏涂料最主要問題在于2種發光體信號間分離和交迭，導致熒光能量共振轉移，壓力靈敏度降低[72]。

3.5 單次激發壽命法

近年國外開展了大量基于單次激發壽命法的研究工作[31,56,73-78]。壽命法主要應用于旋轉部件壓力測量，現逐漸應用于特定條件下瞬態壓力場數據采集。如圖8所示，為了保證參考信息和壓力信息照射光源一致性，單次激發壽命法一般在脈沖光源激發過程中，在t1～t2時間內采集第一幅圖像作為參考圖像，延遲一定時間后，t3～t4內采集第二幅圖像作為壓力測量圖像，通過強度比值消除照明誤差。與光強法相比，壽命法的最大優勢在于光致發光壽命和壓力之間的關系不由激發光照射強度決定，因此壽命法不存在光強法測量中激發光照射不均勻等問題。單次激發壽命法通過使用脈沖激光器等高能激發光能夠得到較高的信噪比，激光器光源具有穩定和遠距離激發照射的優點，適用于大尺寸風洞設施。單次激發壽命法不需要進行圖像平均，且參考圖像和壓力測量圖像是在同一幀脈沖激發光下得到的，能夠消除模型移動帶來的影響。

圖7 針對運動捕獲的雙分量PSP系統示意圖[71]

圖8 單次激發壽命法

目前單次激發壽命法的主要問題是數據采集頻率受限于設備，通常在10Hz左右，遠低于流場流動特征主頻，雖然不需要相位平均，但需相關性重構。Goss等人[81]認為，試驗過程中由于空間上PSP靈敏度差異還需要采集無風參考圖像，高反射率的PC-PSP配合高能量激發光源能夠提供和PIV脈沖激光器頻率相當的時間序列壓力信息。

3.6 PSP顆粒法

單次激發壽命法中所使用的脈沖激光器和跨幀CCD相機與PIV中的實驗設備相近，因此，最早由kimura等人[82]提出并開展了PSP顆粒法的研究工作。通過研制微米級粒徑的PSP示蹤粒子，采用脈沖激光器和跨幀相機，結合PSP和PIV實驗原理，通過圖像比法和互相關算法，理論上能夠同時測量流場的壓力場和速度場信息。PSP顆粒法的研究重點在于多晶或球狀的微米級壓敏探針粒子的研制、對壓力響應的標定以及整套試驗系統的時序控制和采集。該方法同樣適用于溫敏漆。

4 快速響應PSP國內外典型應用

4.1 典型非定常或周期性流場

研究快速響應PSP技術多起步于簡單的非定常或周期性流動，如微振蕩射流、平板圓柱/鈍舵和三角翼繞流等，這些經典模型繞流的共同點是流場結構簡單且具有非定常性或周期性，因此能夠很好地驗證快速響應PSP的動態特性。

美國普渡大學的Sullivan等人[83]早在2001年就開展了基于振蕩射流的快速響應PSP測量實驗，對比了AA-PSP(響應頻率12.2kHz)、TLC-PSP(響應頻率為11.4kHz)和PC-PSP(響應頻率為3.95kHz)3種典型涂料的測量結果，3種涂料均能捕捉到振蕩射流的壓力變化，其中，AA-PSP的壓力測量結果最為清晰，PC-PSP對壓力值最為敏感。Tomac和Gregory等人[84]也開展了相關測量，圖9給出了快速響應PSP在微尺度振蕩射流中的典型應用，將AA-PSP樣片置于微尺度射流振蕩器出口處，利用高壓氣體形成9.4kHz的高頻振蕩射流，狀態由a發展到c的時間為20μs，通過相位平均法得到了流場中射流振蕩的擺動過程和位置。流場的整個測量區域為2mm×2mm，相對于傳統測壓方法能夠提供高空間分辨率的壓力場信息。2013年，Fujii[40]研究了2種不同形式的AA-PSP樣片，第一種涂料的孔徑為168μm，孔深2.2μm，響應時間為0.36μs;第二種樣片的孔徑為20μm，孔深10.7μm，響應時間為10.3μs。在激波管中進行了圓柱擾流試驗，通過對比發現第一種涂料能夠更好地顯示其響應特性和流動特征。

圖9 基于AA-PSP測量得到的高頻微尺度射流振蕩結果[84]

2015年，Crafton等人[85]在Ma=2平板橫向射流實驗中進行了快速響應PSP測量以驗證涂料，得到了7000 frames/s(1024 pixel×1024 pixel)和25 000 frames/s(512 pixel×512 pixel)2種動態壓力數據，從中能夠清晰地看到弓形激波隨時間不斷變化、振蕩的過程。選取其中來流、弓形激波、滯止區和波后4點進行頻譜分析，如圖10所示，頻譜中沒有明顯峰值。來流數據沒有劇烈的波動，在250Hz以后聲壓級趨近105dB，而弓形激波和波后的聲壓級幅值僅相差5dB，在2kHz降低到和來流聲壓級相近，壓力脈動較大區域位于滯止區。

圖10 平板橫向噴流特征點功率譜，噴孔直徑d=4.76mm，噴流壓力p=703kPa[85]

Fig.10Pressurefluctuationsandamplitudeofthepowerspectrumatthefourindicatedlocationsforthe4.76mm-diameterinjectorblockoperatingatpinj=703kPa[85]

國內向星居等人[86]在定常PSP測壓試驗系統的基礎上，與中科院化學所合作，研究和發展了快速響應PSP測試技術，針對多批次、多種涂料進行了相關特性測試和實驗研究，涂料的響應時間由最初的300ms降低到0.2ms。如圖11所示，對平板圓柱進行了PSP試驗，得到了非定常連續壓力場數據和云圖，獲得了準確的氣動壓力分布圖及豐富的流場顯示圖像,具備了非定常流場測壓能力。

4.2 運動和旋轉機械表面壓力測量

相對于傳統的在模型表面鋪設測壓孔的方法，PSP的最大優勢在于能夠解決常規測壓技術難于應用的運動物體和旋轉體部件表面壓力測量問題，如渦輪機械內部高速旋轉葉片、直升機螺旋槳葉等。早在1995年，由Burns和Sullivan提出[87]用激光掃描系統分別對轉速3120和2360r/min的螺旋槳葉表面壓力分布進行了測量；Mosharov等人[88]則利用CCD相機和脈沖光源系統，采用光強法測量獲得了旋轉螺旋槳葉表面壓力分布；同時期，Hubner等人[89]提出基于PSP壽命法對旋轉物體表面進行測壓，介紹了通過CCD相機對PSP發射光衰減的時間函數來獲得旋轉表面壓力分布的方法。

圖11 圓柱繞流非定常壓力變化過程前20ms圖像，Ma=5，采集頻率250 frames/s

Fig.11Thefirst20msimageofunsteadypressurebehavioraroundthecylinder,f=250frames/s,Ma=5

當前，采用單次激發壽命法結合PC-PSP測量旋轉機械的表面壓力方法應用最為廣泛，能夠在激光器一次激發過程中先后采集參考圖像和運動圖像。美國俄亥俄州大學在PSP非定常測量中做了很多卓有成效的工作，其中就包括Disotell等人[90]利用單次激發壽命法在低速風洞中測量得到直升機前進過程中不同方位角位置的機翼表面非定常壓力變化情況。風洞來流速度45m/s,直升機機翼旋轉頻率82Hz，激發光源為脈沖Nd:YAG激光器，波長532nm，試驗相機為PCO1600，采樣頻率6.6Hz。同時，獲得了模型表面的溫度分布，并據此對翼面的壓力進行溫度補償和修正。圖12所示分別為經過濾波和溫度校正后的前進葉片和后退葉片表面壓力分布結果，很好地驗證了基于單次激發壽命法測量旋轉機械表面壓力分布的可行性。

圖12 直升機葉片前進(a)和后退(b)表面壓力分布測量結果[90]

Fig.12Pressuredistributionsontheadvancingbladeandretreatingbladeofahelicopter[90]

渦輪機械內部高速旋轉葉片相比于直升機螺旋槳葉來說，測量系統相近，但測量難度更大，環境也更惡劣。上海交通大學彭迪等人[91]利用單次激發壽命法的快速PSP和TSP技術測量了渦輪增壓壓氣機旋轉葉片表面的壓力和溫度分布情況。激發光源采用波長532nm的脈沖Nd:YAG激光器，發光圖像通過雙曝光模式的CCD相機采集，壓敏漆和溫敏漆分別噴涂在不同葉片上，并在一次試驗中同時獲得葉片表面的壓力場和溫度場。試驗中所遇到的主要問題是高速旋轉葉片的運動模糊和溫度效應，可以通過去卷積算法進行模糊校正，利用TSP數據點對點進行溫度修正，最終得到不同轉速下葉片表面準確的壓力數據。

圖13 PSP單次激發壽命法系統[91]

Fig.13Single-shotlifetimebasedsystemforPSPmeasurementsonturbochargercompressor[91]

圖14 葉片表面壓力分布, (a)n=20kr/min, (b)n=40kr/min, (c)n=60kr/min, (d)n=80kr/min[91]

Fig.14Bladepressurefieldsat(a)n=20kr/min, (b)n=40kr/min, (c)n=60kr/min, (d)n=80kr/min[91]

對于快速響應PSP技術和運動中的旋轉機械部件，要準確獲得旋轉部件表面非定常壓力分布必須要能夠同時獲得運動圖像和參考圖像信息。除單次激發壽命法外，基于運動捕獲的雙分量PSP方法也能夠測量運動物體表面壓力分布情況。Ishii等人[92]采用雙色PSP/TSP技術結合高速彩色相機測量自由飛行的彈頭表面壓力和溫度數據，彈頭飛行速度接近聲速。激發光源采用455nm的高強度藍色激光器，PSP和TSP的對應高速相機采樣頻率分別為49和40kHz，由于發光強度差異，PSP和TSP的曝光時間分別為10和5μs。數據處理上利用雙分量PSP方法結合維納濾波和中值濾波方法來減小模型運動模糊和隨機噪聲的影響，最終實現了運動捕獲雙分量PSP的應用。

圖15 AA-PSP模型表面的壓力分布(a)和溫度分布(b)[92]

Fig.15Pressuremap(a)andtemperaturemap(b)ofanAA-TSPmodel[92]

4.3 低速和高超聲速流場測量應用

當前大多數PSP測量應用于亞、跨和超聲速流動條件下，因為PSP技術在Ma0.3～3范圍內最為有效。尤其對于快速響應PSP技術，當測量超過這一范圍就會擴大技術本身存在的問題。因此，快速響應PSP技術的應用范圍向低速和高超聲速兩極發展，面臨的主要問題即測試結果的信噪比和測量精度降低。

低速流動條件下，壓力變化很小，測壓誤差主要來源于壓力靈敏度較低、溫度效應、圖像失準和CCD相機噪聲，因此低速流動條件下降低測量誤差才能得到準確的定量壓力值。Nakakita[53]利用AA-PSP結合高速圖像采集方法測量了二維NACA0012翼型機翼后緣的壓力波動區域，流速U=28m/s，壓力波動150Pa，波動主頻920Hz，高速圖像采樣頻率10kHz。同時用激光掃描系統對模型表面進行了非定常PSP壓力測量，給出了2種測量方法的壓力波動區域和功率譜分布對比結果，如圖16所示，2種方法的測量結果基本一致。數據處理上采用了傅里葉變換和頻譜相減等方法來降低功率譜的噪聲和壓力波動。

圖16 PSP測量結果功率譜(α=-1.5°，x/c=0，y/c=0.9)[53]

Fig.16ResultofthePSPpowerspectrum, (a)high-speedimaging, (b)pointmeasurement[53]

Nakakita[70]同樣在低速風洞中測量了帶有典型周期性特征卡門渦運動的二維圓柱擾流試驗，得到了圓柱上的壓力場、幅值和相位信息。分析吹風前、吹風過程中的頻譜圖，通過對應相減的方式剔除背景噪聲影響，最終得到圓柱擾流流動特征的頻譜圖。

彭迪等人[93]開發了一套針對低速流動環境的脈動壓力測量技術，使用PC-PSP在低速流動下(流速小于20m/s)得到較好的測量結果，能夠測得50Pa量級的微小脈動壓力。該測量技術使用連續UV-LED作為激發光源，并使用高速相機以1kHz以上的頻率連續采樣獲得模型表面脈動壓力信息。如圖17～18，針對低速流動壓力信號弱、信噪比低的問題，應用基于本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition , POD)的數據處理算法，有效消除了相機噪聲的影響，從而獲得具有高空間分辨率，高精度的壓力脈動信息。該測量技術在低速風洞中的渦/平板干擾研究中得到成功應用。

圖17 原瞬態壓力場圖像，采樣頻率1kHz[93]

Fig.17Instantaneouspressurefluctuations,1kHz[93]

圖18 基于POD方法重構出的壓力場圖像，采樣頻率1kHz[93]

Fig.18InstantaneouspressurefluctuationsreconstructedfromselectedPODmodes,1kHz[93]

而高超聲速流動條件下PSP應用難度增大的原因在于高超聲速氣流的高焓將會引起模型表面溫度發生較大幅度的增加，從而使涂料的溫度效應急劇增加，影響測量結果精度和信噪比。薄涂層要承受高溫高速來流的高摩擦力和沖刷，而且在較短時間內對表面壓力產生快速反應，尤其在參考壓力和測量壓力相差大于一定閾值情況下，要同時保證參考圖像有足夠的發光強度，吹風圖像不會過度曝光。

Nakakita等[94]在日本JAXA激波風洞中完成了Ma=10條件下壓縮拐角模型壓力分布測量，基于Ru(dpp)探針的AA-PSP響應時間在30～100μs。激發照射光源采用高穩定性的連續氖燈，輸出光波動低于1%，圖像由14bit的ICCD相機采集，曝光時間20ms。對采集的圖像進行均值濾波以降低光子散粒效應噪聲和讀取噪聲，實現了模型表面壓力測量，所得PSP實驗結果與傳感器數據吻合較好。

中國航天空氣動力技術研究院的向星居、于靖波等人[88]采用自主研發的PC-PSP和瞬態壓力測量系統，在高超聲速風洞中對壓縮拐角模型開展了測壓試驗。測量方法為高速圖像采集方法，試驗Ma=5，采樣頻率2kHz。試驗前進行了紋影試驗，通過PSP和紋影圖像綜合對比發現，PSP能夠準確捕捉到激波位置和分離區域大小。壓縮拐角試驗結果顯示，分離區的壓力升高，再附區的壓力急劇升高。隨著迎角增加，分離區縮小，再附激波線越來越前移，直到不再發生分離。圖19中給出了30°拐角、0°迎角工況下前1.5ms內中心截面壓力數據和測壓孔數據對比結果。圖20為30°拐角和0°迎角下1.5ms內中心線上對應PSP和壓力孔數據對比。

圖19 壓縮拐角壓力分布云圖，30°拐角

Fig.19Pressuredistributiononthecompressioncornermodelattheangleof30°

圖20 前1.5ms中心線和對應的壓力孔數據對比

4.4 工程應用

一項測試技術發展的最終目的仍是在工程實際中得以應用。快速響應PSP在應用于大尺寸風洞的飛行器表面動態壓力和載荷測量中具有很大的優勢，同時也存在一些問題。如大尺寸風洞和模型遠距離、大面積測量導致對測量光源強度、均勻性和測試系統布置等要求更高，隨著測量頻率的提高信噪比降低，以及模型振動幅度大影響測量結果精度等問題。

德國宇航中心是最早一批獨立開展PSP測試技術的研究機構之一，近20年來發展了包括PSP、TSP和快速響應PSP在內的多種測試技術，其應用涵蓋翼型、飛行器、旋轉機械及超燃沖壓發動機進氣道領域。Gardner等人[95]在DNW-TWG風洞應用快速響應PSP技術測量了OA209翼型表面壓力分布以研究三維非定常分離問題。PSP的采樣頻率為367Hz，溫度靈敏度約-800Pa/℃，壓力數據處理方法則同時考慮了原位標定方法和預先標定方法。研究表明在Ma0.3條件下，機翼中部的非定常分離傳播更快，形成弓形分離渦結構，而Ma0.5條件下并未觀察到非定常分離。相比于傳統傳感器測量方法，PSP能夠有效觀測到復雜三維流動中流動控制方法的效果。

美國在PSP技術上的發展比較全面，包括NASA、美國空軍、波音和各大學紛紛開展了研究，從涂料的研發和性能的標定、改進工作，到測量方法和系統不確定度分析，目前已實現PSP測量系統的商業化發展。Watkins等人[96]對集中旋轉葉片PSP表面壓力分布測量試驗和方法進行了綜述，并在2011 年應用單次激發壽命法于NASA蘭利研究中心4.4m×6.6m 亞聲速風洞完成了PSP旋翼試驗，對比分析了參考溫度數據的預先標定方法和參考傳感器數據的原位標定方法所得壓力數據的準確性。經原位標定后PSP 與壓力傳感器結果差異在10%以內，如圖21所示。

圖21 不同標定方法葉片表面壓力和傳感器對比情況[96]

Fig.21ComparisonofPSPdatacalibratedusingtheaprioricalibration, (a)withanassumedtemperatureandthehybridcalibration(b)usingthepressuretransducers[96]

國內于靖波等人[97]在1.2m風洞就彈/舵模型上表面壓力分布進行了PSP風洞試驗。舵面測量區域為2cm×2cm，采用快速響應PSP補充試驗，采樣頻率2kHz。如圖22所示，PSP試驗結果能夠幫助驗證數值模擬的結果，通過PSP試驗結果的驗證和對比，能夠有效地幫助設計人員確保數值模擬結果的可靠性。彈身測點的PSP和Kulite的數據結果平均壓力差異在5%以內，脈動壓力均方根值均在同一量級。圖23給出了Ma=1條件下舵前緣某測點壓力數據隨迎角變化對比結果,圖24給出了彈身某測點PSP和Kulite無量綱功率譜對比結果。可以看出，部分壓敏漆的測試結果和Kulite的測試結果吻合很好，能夠有效地檢測是否存在由激波誘導的分離或分離和再附引發的大幅值、中低頻壓力脈動。當前應用的主要限制在于PSP的采樣頻率遠低于Kulite傳感器，很難測量由湍流導致的高頻壓力脈動。

圖22 尾舵數值模擬(a)和PSP(b)結果對比圖(Ma=1.0，α=0°)

Fig.22ComparisonofnumericalsolutionresultandPSPresultontherudder,Ma=1.0，α=0°

圖23 舵前緣某測點壓力數據隨迎角變化對比，Ma=1.0，α= 0°，-6°，-12°

Fig.23Comparisonofthepressuredataatdifferentanglesofattackontherudder,Ma=1.0，α=0°, -6°, -12°

圖24 彈身某測點PSP和Kulite無量綱功率譜對比，Ma=0.8，α= 0°

Fig.24ComparisonofthePSPandtheKulitetransducerspectrumonthemissilebody,Ma=0.8，α=0°

5 總結和展望

過去30年來，隨著涂料制作工藝不斷改進，試驗測試設備發展，配合先進的數據處理方法，快速響應PSP作為一種非定常表面壓力測量手段能夠提供模型表面高時間分辨率和高空間分辨率的壓力數據，已成功應用于解決一系列復雜空氣動力學問題中，包括激波管、低/超/高超聲速風洞非定常流場、微型高頻振蕩射流、運動和旋轉部件、聲學共鳴管、跨聲速顫振試驗和激波/邊界層干擾等。本文綜述了快速響應PSP近年來的研究進展，重點介紹了多孔PSP、標定方法、測量方法和應用案例，并在此基礎上提出3點總結和展望：

(1) 快速響應PSP技術的關鍵是基質材料和壓敏探針分子，從傳統基質材料發展到薄層聚合體、多孔涂層和多發光體等形式，目的都是降低快速響應時間，同時保證涂料壓力靈敏度，降低涂料溫度靈敏度。今后，多元發光體(敏感探針、參考探針和溫度探針)、新的介質構型和成膜工藝仍有待開發，尤其在涂料性能固化和涂層產品化上，還需進一步的研究；

(2) 當前，測量方法以相位平均法、高速圖像采集方法和單次激發壽命法為主。Fang等人[57]針對半球頂模型對比分析了3種方法的測量精度和信噪比，每種測量方法都有其固有的優點和不足，在實際應用中需要根據測量條件、試驗工況和設備進行擇優選取。另一方面，PSP技術能和其他技術結合衍生出新的測量方法，獲取更全面更綜合的測量結果，降低系統的復雜程度。基于PSP和PIV技術的PSP顆粒法能夠同時獲取空間壓力場和速度場信息。雙分量PSP和單相機變形測量技術能夠相互補充，利用變形測量來修正圖像表面壓力，利用雙分量PSP配合彩色相機雙通道采集的方式可以獲取2幅相關圖像；

(3) PSP技術相對于傳統測壓傳感器有其固有的局限性，如溫度效應影響、低靈敏度和低信噪比等。針對這些問題還需要提出更多行之有效的補償校正和數據分析挖掘方法。目前，解決溫度效應的一般方法是通過獲取表面的溫度分布信息或利用相近溫度特性的參考探針來補償溫度帶來的影響；而數據處理上多采用濾波、小波分析和模態分解重構等方法結合圖像配準和去模糊來提高信噪比，工程應用中常直接采用原位標定方法。近年來，利用深度學習思想建立、模擬人腦的機制能夠更高效地解釋PSP實驗結果和圖像，增強數據辨識和圖像修復能力，通過增信降噪提供準確有效的信息。同時，國內尚缺少專用于PSP等非接觸測量技術的光學實驗風洞，PSP試驗布置、可行性和試驗效率受到影響，制約了PSP技術的推廣應用。

總的來說，PSP技術經過多年的發展已經成為空氣動力學研究中一項獨具特色的非接觸光學測量手段。其應用逐漸從實驗室研發轉向工程實際應用，從簡單周期性流場到復雜、高溫的動態流場和旋轉機械問題，再到目前發展的有遮擋條件下的內流場測量和自由飛試驗中，今后還將會拓展至真實飛行環境和實際飛行試驗中去，成為空氣動力學研究中重要的測量方法和研究手段。