光学压力敏感涂料测量技术综述

郑立新，郝重阳，周 强，林丽静

（1.西北工业大学 电子信息学院 西安 710072；2.中国联通烟台分公司 山东 烟台 264005）

光学压力测量技术也称作压力敏感涂料测量技术（PSP），是一种用于空气动力测量的新概念无接触式压力测量技术。其主要利用涂料中光敏分子受到照射激发后辐射出可见荧光或磷光、以及空气中的氧气分子对受激光敏分子“猝灭”的特性，采用光学方法捕获空气流动中覆盖有涂料涂层的物体表面的图像，利用图像和图形处理手段计算得到该表面全域压力分布。与传统的压力测量方式相比，具有无接触和插入、测量范围广且连续、实验成本相对低廉、节省时间等优势[1-3]。

1 PSP技术基本原理

PSP技术是基于量子力学和光化学原理。按量子力学原理分子都有分层的能级，分子通常都处于稳定的能级——基态（Ground State），当光波通过分子周围时，可能与分子外层的电子发生相互作用，其光能被分子吸收，从原来的基态到达了高能的激发态（Excited State）[4-5]。激发态是分子不稳定的状态，很容易失去其激发时所获得的能量，重新回到其低能稳定的基态，这一过程被称为激发态的失活。激发态失活可以通过分子内的不发光的无辐射跃迁（靠向环境散失热量）和发光（释放辐射）的辐射失活来实现，由于存在能量损失，辐射出的光波波长必大于辐照的光波波长，即波长的“红移”现象。另外当激发态分子与其他分子（猝灭剂Quencher）相遇时，激发态分子可能将其激发能转移给其他分子，自身失活到基态，这一过程叫分子间能量转移。当有分子间能量转移存在时，分子内光物理过程的量子产率将会受到影响，从而影响其辐出光的强度和寿命。

分子的激发和失活过程可用图1杰布朗斯基态图解（Jablonski Diagram）来说明。图1中，S0、S1、S2、T1表示不同的能级（S表示单线态，T表示三线态），能量从上到下依次降低。处于稳定基态S0的分子吸收光能后到达一个高能的激发态S1或S2的过程如向上的箭头 a 所指。带箭头的波浪线b表示振动弛豫，右向有箭头 c 和 f分别表示内转换和系间窜扰。向下箭头 d表示单重态S1失活到S0发出的荧光。向下箭头 g表示三重态T1失活到S0发出的磷光。向下的虚线箭头 e表示存在分子间能量转移。

图1 杰布朗斯基态图解

分子受激后，辐出光强度和寿命与猝灭剂的关系可用Stern-Volmer公式表示：

式中：Q为猝灭剂浓度；KSV是Stern-Volmer常数；I表示累积发光强度；τ为光的延迟时间（寿命时间）；I0、0τ为无猝灭剂时光的强度和延迟时间，对于确定的材料，0τ为常数。

PSP技术利用这一原理，采用氧猝灭效应明显的材料与粘结材料混合配成压力敏感涂料，涂至被测模型表面上测压区,而空气中含有21%氧，利用氧分子的猝灭效应，由辐出光的亮度变化测量压力。按照亨利定理，在PSP化合物层中的氧的渗透浓度是正比于在它外层氧的偏压，即：O=Pσ；另外测量无猝灭剂时材料的累积光强度 I0有时很困难，需引入参考条件下的IREF。参考条件是指压力和温度为常数的状态或等于大气条件，则：

上式可表示为：

式(4)是一个近似表达式，当压力变化较大时误差较大。发光亮度与压力的关系可用一个二次多项式来近似：

式中：A(T)、B(T)、C(T)是于温度有关的常数。

2 PSP系统的组成

系统一般由涂有PSP涂料的实验物体、激励光源、图像采集、图像处理和控制部分等子系统组成，如图 2所示。

图2 PSP测量系统组成与涂层结构

PSP涂料：是在一种可透氧的基质材料（粘合剂）中加入某种发光分子（发光体），具有光致发光和氧“猝熄”特性。

激励光源：主要能在PSP涂层产生均匀分布且能激发涂层发光所需的特定波长和亮度的光，且不含有与涂层发出的光相同的光谱。根据测量方式的不同，可以是连续光或脉冲光。

PSP图像的采集：可用方法包括静止摄影、微光电视摄像机或电荷耦器件（CCD）阵列数字摄像机，其作用是作为传感器用于记录被实验物体表面的辐出光强度，根据其发光强度按照Stern-Volmer公式计算出实验物体表面的压力分布。传感器的分辨率、SNR和线性度决定着系统测量压力精度。

图像的处理和控制部分：主要包括计算机和图形工作站等，用于对采集的图像进行处理、计算、显示和存储管理等。

3 PSP涂料特性参数的标定

在进行测量前，首先对所用涂料的特性参数进行标定，即确定Stern-Volmer 公式中参数即式(4)中的A(T)、B(T)或式(5)中的A(T)、B(T)、C(T)。标定一般在专用的测试箱中进行，如图3所示。

图3 PSP 标定装置

标定箱一般是一个上边开有透明玻璃窗口的密闭容器，有通气管和气泵相连，测试时先把PSP涂料试样放入测试箱中，控制气泵和温控装置改变测试箱中的温度和压力，利用带有滤光镜的激励光源和CCD 通过窗口照射到试样并采集到激发出的光强度，然后根据采集到的数据一般用最小二乘法来计算涂料的参数A(T)、B(T)、C(T)。标定出的特性曲线如图4所示。

另外也可在被测模型上局部埋设传感器，然后根据测定的局部压力和该点涂料发光强度，来确定涂料的参数。这种现场标定的好处是可以减少环境变化和涂料特性随时间变化引起的误差，其缺点是需要附加的测压设备，成本较高。

图4 PSP的压力和温度特性图

4 PSP测量方法

使用PSP技术测压主要有：基于发光强度的方法、基于发光寿命的方法、基于相位延迟的方法。其中，基于发光强度的方法需要连续稳定的光源，对光源的稳定性要求较高，它不需要同步，控制电路相对简单，由于需要配准，计算相对较为复杂；基于发光延迟寿命测量的方法要求光源必须是脉冲光源（闪光）；基于相位延迟的方法的光源还必须能被调制。后两种方法要求激励光源与图像传感器（CCD）严格同步，控制电路相对复杂，但它不需要配准，计算相对简单，它们一般使用衰减寿命较长的磷光型涂料[6-7]。下面主要对前两种进行介绍。

4.1 基于发光强度的PSP测量方法

基于发光强度积分的PSP测量方法一般使用连续稳定的激励光源照射涂有PSP的模型，利用CCD分别采集模型在参考条件下（Wind Off）和测试条件下（Wind On）的表面的亮度图像，利用基于发光强度I的Stern-Volmer 公式，即：

来计算模型表面的压力分布。

图像的获取包括暗图像的获取、参考条件下的图像获取和测试条件下的图像获取。为了减少误差，一般每种条件连续取数十张并进行均值运算：以降低图像的随机噪声，提高信噪比。由于CCD 本身存在的暗电流和各像元对光响应的不均匀，为减少其影响用下列公式校正：

式中：IC为校正后的图像；IR为校正前的图像；IB为暗电流；IF为均匀照度的图像。

在进行风洞试验时，模型在空气动力的作用下会发生变形、移动，使模型在每幅图像中的位置不同，为了进行均值运算和计算参考条件下与测试条件的模型表面图像发光强度之比（I / IREF），需要进行图像配准，为了保证配准的精度，一般在模型表面预先标记参考点，然后以这些参考点为基准对图像进行配准。一般常用的配准的方法是多项式变换方程，即

式中：参数ai,j、bi,j可根据控制点（标记点）坐标（x,y），（x',y'）来确定。

4.2 基于发光寿命的PSP测量方法

基于发光寿命的测量方法是根据涂料的辐射出光的衰减时间τ 与压力的关系来测量模型表面的压力分布。由于光强寿命与亮度无关，与基于亮度的测量方法相比，在基于发光寿命的测量方法中，光源的不均匀性、涂料的厚度、光降解等因素的影响消除了，参考条件下的图像和处理模型变形的有关的方法也不需要了。由于荧光的寿命很短（10-10～10-6s），测量比较困难，因此使用该方法时一般选用发光寿命较长的磷光型的涂料。PSP受脉冲光源照射后，其发光强度一般按指数规律变化：

式中：I0为初始发光强度；τ涂料的衰减寿命。

为测量涂料的衰减寿命τ，CCD一般选用可在短时间（µs级）连续照两张以上的高速CCD或ITCCD（Interline Transfer CCD），在脉冲激励光结束后立即启动CCD照第1 张图像，曝光持续时间 t1，间隔∆t后照第2 张图像，曝光持续时间(tf− t2)，见图5。

图5 指数型衰减磷光的两幅图像的获取

由于CCD具有积分特性，则CCD输出：

这里 I0为t=0时PSP辐出的磷光强度，则：

通过CCD测量出 m1，m2后，根据时刻 t1，t2，tf利用式(12)就可计算出涂料的衰减寿命τ。由于涂料的衰减寿命τ 只与涂料本身的特性和氧的浓度有关，与外界激励光源无关，因此使用衰减寿命τ测量模型表面压力时不需要测量参考条件下的值，也不需要进行两图像配准，可大大减小计算量。使用前先标定出不同压力下的衰减寿命τ，然后根据对应曲线计算出压力。

5 结束语

PSP技术作为一项新技术，在国外已成功用于风洞测量，目前在提高测量精度、扩展应用范围、减少测量时间等方面深入研究，具体研究方向为：① 发展新型的、高性能的涂料、激励光源和图像采集传感器，提高系统灵敏度和采集信号的信噪比；② 使用温度敏感涂料（TSP）测量模型表面温度，对温度影响进行修正；③分析误差产生的原因，研究出补偿的方法；④ 发展新的算法提高其运算速度和降低其费用。

[1]刘波,周强,靳军,等.压力敏感涂料技术及其应用[J].航空动力学报,2006,21(2):225-233.

[2]陈柳生,周强,金熹高,等.压力敏感涂料及其测量技术[J].航空学报,2009,12(30):2435-2448.

[3]肖亚克,马洪志,张孝棣,等.光学压力敏感涂料的研制[J].传感器技术,2003(22):29-32.

[4]HIROFUMI OUCHI,TOMOKO IRIKADO,KOZO FUJII,et al.PSP measurements in the large-scale transonic windtunnel and associated image data processing[C]//43rdAIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit.Reno Nevada,2005:357-363.

[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.