[发明专利]一种基于CCD相机的光学压敏涂料幅频特性检测方法

权利要求书

1.一种基于CCD相机的光学压敏涂料幅频特性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将PSP样片(2)固定于声学驻波管(1)的底盖位置，在声学驻波管(1)旋紧后，底盖所在平面与声源(11)所在平面平行；信号发生器(8)的第1通道通过功率放大器(9)与声源(11)连接，声源(11)的发声端与声学驻波管(1)连接；

CCD相机(5)和激光光源(3)经声学驻波管(1)的光学视窗(7)对准PSP样片(2)，在CCD相机(5)的镜头前固定安装滤光片(6)；信号发生器(8)的第2通道与CCD相机(5)连接；信号发生器(8)的第3通道与激光光源(3)连接；

在PSP样片(2)所在截面固定动态压力传感器(4)；

所述CCD相机(5)的输出端和所述动态压力传感器(4)的输出端均连接到计算机(10)；

相机、光源经光学视窗对准PSP样片，在PSP样片所在截面固定动态压力传感器用于实时动态压力测量并提供触发信号；

步骤2，从t＝0开始，同时启动信号发生器(8)和动态压力传感器(4)；其中，所述动态压力传感器(4)实时测量PSP样片(2)表面所受到的真实压力值，并将PSP样片(2)表面所受到的真实压力值传给所述计算机(10)，由此使所述计算机(10)得到PSP样片(2)表面所受到的真实压力值与时间之间的变化曲线；

所述信号发生器(8)连续输出周期为T₁、频率为f₁的正弦信号，该正弦信号传递到功率放大器(9)，由功率放大器(9)驱动声源(11)发出周期为T₁、频率为f₁的正弦声波；

该正弦声波经声学驻波管(1)作用，从而使PSP样片(2)表面受到稳定的周期为T₁、频率为f₁的正弦压力驻波；

步骤3，信号发生器(8)连接激光光源(3)的外触发接口，对激光光源(3)的工作状态进行控制；同时，信号发生器(8)连接CCD相机(5)的外触发接口，对CCD相机(5)的工作状态进行控制；具体控制方式为：

步骤3.1，对于周期为T₁、频率为f₁的正弦压力驻波，将一个正弦压力驻波平均划分为n个相位，依次表示为相位相位…,相位相邻相位之间的时间间隔均为

预设置CCD相机每次的曝光时间t_e；其中，t_e≤T₁/(n-1)；

根据CCD相机的帧率，预设置CCD相机的拍摄时间间隔T_C＝m×T₁+T₁/(n-1)；其中，m表示相机拍摄周期间隔的数量；相机的拍摄时间间隔T_C大于相机最大帧率的倒数；

步骤3.2，在t＝t_k时刻，正弦压力驻波为第1个周期中相位的状态；信号发生器(8)同时控制激光光源(3)打开以及CCD相机(5)打开；

此时，激光光源(3)打开后，进入长打开模式，即：激光光源(3)打开后，保持稳定功率连续发光照射PSP样片(2)表面，从而激发PSP涂料；

CCD相机(5)打开后，进行第1次曝光，曝光时间为t_e；当达到曝光时间后，即：当t＝t_k+t_e时，关闭CCD相机(5)；此时，CCD相机(5)输出与相位对应的荧光图像Q₁；

步骤3.3，从相机第1次曝光起始时间开始，即从t＝t_k时刻开始算起，经过CCD相机的拍摄时间间隔T_C后，即：t＝t_k+m×T₁+T₁/(n-1)时，此时正弦压力驻波为第m+1个周期中相位的状态，此时打开CCD相机(5)，进行第2次曝光，曝光时间为t_e；当达到曝光时间后，即：当t＝t_k+m×T₁+T₁/(n-1)+t_e时，关闭CCD相机(5)；此时，CCD相机(5)输出与相位对应的荧光图像Q₂；

步骤3.4，从相机第2次曝光起始时间开始，经过CCD相机的拍摄时间间隔T_C后，此时正弦压力驻波为第2m+1个周期中相位的状态，打开CCD相机(5)进行第3次曝光，CCD相机(5)输出与相位对应的荧光图像Q₃；

依此类推，在激光光源(3)保持稳定功率连续发光照射PSP样片(2)表面的过程中，每隔CCD相机的拍摄时间间隔T_C，CCD相机(5)曝光一次，并输出与正弦压力驻波当前相位对应的荧光图像；直到CCD相机(5)输出与最后一个相位对应的荧光图像Q_n；

至此，当正弦压力驻波频率为f₁时，得到一个完整周期对应的荧光图像序列，分别为：与相位对应的荧光图像Q₁，与相位对应的荧光图像Q₂,…,与相位对应的荧光图像Q_n；

步骤4，对于每一个荧光图像Q_j，j＝1,2,...,n，均采用以下方式处理：

步骤4.1，对荧光图像Q_j进行图像处理，得到与相位对应的光强I_j；

步骤4.2，获取荧光图像Q_j获取过程中，CCD相机(5)的曝光时间，再根据CCD相机(5)的曝光时间查找PSP样片(2)表面所受到的真实压力值与时间之间的变化曲线，得到荧光图像Q_j对应的真实压力值P_j；

步骤4.3，在不向PSP样片(2)施加正弦压力驻波时，即：使PSP样片(2)处于大气压力下，并对PSP样片(2)进行图像拍摄，从而得到参考压力P_ref和参考压力下的光强I_ref；

步骤5，将光强I_j、真实压力值P_j、参考压力P_ref和参考压力下的光强I_ref代入以下校准方程(1)：

由于j＝1,2,...,n，因此，当j＝1时，得到关于A和B的一个方程；当j＝2时，得到关于A和B的一个方程；依此类推，当j＝n时，得到关于A和B的一个方程；因此，共得到n个关于A和B的方程；对n个关于A和B的方程，采用最小二乘法求解，得到最终的A和B的值；

A和B均为常数，将A和B的值、参考压力P_ref和参考压力下的光强I_ref代入校准方程(1)，得到校准方程(2)：

其中，在校准方程(2)中，P_j'为与光强I_j对应的校准压力值；

步骤6，对于每一个荧光图像Q_j，j＝1,2,...,n，均对应相位的值以及光强I_j的值；将光强I_j代入稳态校准后的校准方程(2)，得到对应的校准压力值P_j'；因此，得到相位和校准压力值P_j'的对应关系值；由于j＝1,2,...,n，因此，一共得到n组相位和校准压力值P_j'的对应关系值；由此在横坐标为相位，纵坐标为校准压力值的坐标系中，绘制出n个离散点；将n个离散点拟合形成压力相位曲线；对压力相位曲线进行分析，得到幅值A_m(f₁)，其含义为：当正弦压力驻波频率为f₁时，得到的幅值A_m(f₁)；

步骤7，保持正弦压力驻波的幅值稳定不变，将正弦压力驻波频率从f₁增大到f₂，采用步骤2-步骤6的方式，得到对应的幅值A_m(f₂)；判断幅值A_m(f₂)是否降低为幅值A_m(f₁)的一半，如果是，则幅值A_m(f₂)对应的频率为PSP涂料的截止频率；如果否，则进一步增大正弦压力驻波频率，直到使当前频率f_x下的幅值A_m(f_x)降低为幅值A_m(f₁)的一半时为止，此时，当前频率f_x为PSP涂料的截止频率；

不断增大正弦压力驻波频率，如果当前频率f_z下的幅值A_m(f_z)降为0，则当前频率f_z为PSP涂料的极限频率；由此实现对PSP涂料的幅频特性的检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的光学压敏涂料幅频特性检测方法，其特征在于，步骤4.1具体为：

荧光图像Q_j具有w个像素点；每个像素点均对应一个光强值，因此，共得到w个光强值，对w个光强值求平均值，即为与相位对应的光强I_j。