[发明专利]光学压力敏感涂料测量压力的精度提高方法

说明书

技术领域

本发明属于压力测量技术。

背景技术

光学压力敏感涂料测量技术是上世纪八十年代发展起来的新概念的流场压力测量技术，与传统意义上的压力测量不同，它主要是利用了高分子聚合物的光致发光现象和“氧猝灭”效应来测量流场中物体表面所受气动压力。

光学压力敏感涂料是多种高分子聚合物的混合物，包括具有光致发光和氧猝灭特性的光敏分子、用于固定光敏分子的胶体溶液以及便于多种高分子均匀混合的溶剂。组成光学压力敏感涂料的高分子成份经混合后，以喷涂方式通过气压喷枪将添作料覆盖在被测物体表面，涂料层在大于室温并小于100℃的条件下完成溶剂物质挥发和固化并附着在物体表面。涂料层结构分为两层，底层为白色环氧树脂，主要是用来反射增强激发光和光敏分子所发荧光的强度；顶层则为含有光敏分子的光学压力敏感涂料。当有能够使光敏分子中的外层电子发生能级跃迁的激发光(可通过对光源进行滤波获得)对涂料层表面照射后，光敏分子跃迁至不稳定的高能级状态，在跃迁至基态过程中发出荧光。由于光敏分子还具有“氧猝灭”效应的功能，同时涂料胶体还具有溶解氧气分子并能承受氧分子渗透与扩散的特性，在空气动力的作用下，空气中的氧气分子不断渗透进入涂料层，并在涂料层中扩散，并在扩散过程中不断与高能态的光敏分子碰撞，将高能态的光敏分子能量转移到氧气分子上，使光敏分子能量下降，发光强度降低。物体涂层表面所受空气动力越强，即压力越大，氧气分子对高能态的受激光敏分子的“氧猝灭”效果也就越强。光学压力敏感涂料测量技术就是利用光敏分子受激发光及其发光强度在猝灭时光强与空气压力的特定的数值关系进行压力的定量测量。涂料层所发出光的强度与其所受压力的关系可由Stern-Volmer关系式得到，其关系如下：

PPref=A+BIrefI---(1)]]>

其中，I和P分别为涂料层光致发光强度和其所随的压力，下标ref表示参考状态，A与B为Stern-Volmer常数。这是通过参考状态下亮度图像与实验条件下压力图像的比运算，获得物体表面压力分布的测量方法，通常称之为基于光强的测量法。

光学压力敏感涂料测量技术既保持了传统压力测量方法的测量精度，同时又能够提供表面全域压力分布；虽然一次性投入较高，但测量系统的适用性和使用率较高，总体成本比传统测量方法低，并可进行测量数据的开发应用，日益显现出不可替代的优点。

光学压力敏感涂料测量系统的组成包括了激发光源、数字成像设备、光谱过滤装置、图像后处理组件以及涂料校准装置及压力控制组件。在测量过程中，需要测量涂料层不承受空气动力(参考状态)和承受空气动力(实验状态)两种条件下涂料层的光强亮度图像，以便进行图像后处理。

涂料的光强之比与所受压力之比间的数值关系通过涂料校准测量获得，根据Stern-Volmer关系式，在校准过程之中，各测量点涂料试件的压力值与光强亮度图像为已知量，分别通过光强亮度图像和各测量点压力的比运算，通过最小二乘拟合，获得Stern-Volmer常数A与B。

在获得实验测量及其参考状态下的涂料层光强亮度图像后，经一系列图像的预处理过程，在获得相应的光强之比图像的基础上，将经校准所得到的Stern-Volmer关系式代入未知的Stern-Volme关系式中，从而求解得出物体表面所承受的压力分布。

光学压力敏感涂料测量技术，实质上就是两次运用Stern-Volmer关系式，即第一次由已知的各测量点压力及其相应的光强亮度图像，得到Stern-Volmer常数；第二次在得到涂料层光强之比图像的基础上，将得到的Stern-Volmer常数再次代入Stern-Volmer关系式，从而得到物体表面的压力分布。