一种提高压力敏感涂料测量精准度的方法与流程

本发明属于航空航天工业空气动力学风洞试验技术领域，具体涉及一种提高压力敏感涂料测量精准度的方法。

背景技术：

压力敏感涂料受到一定波长光源照射时，涂层中的探针分子会受到激发，进入电子激发态，并通过发射波长更长的光来耗散所吸收的能量，同时，激发态的探针分子与空气中渗透进入涂层并在其中扩散的氧分子相碰撞，转移所吸收的能量，回到基态。上述过程被称为Stern-Volmer过程，描述这一过程的关系式为Stern-Volmer关系式。Stern-Volmer关系式建立了表面压力与涂料发光强度之间的函数关系。工程应用中，Stern-Volmer关系式常用形式为：

（1）

其中，P和I分别为涂层表面压力及其光致发光强度，Ai(T)为Stern-Volmer系数，与温度有关，一般通过地面压力敏感涂料预先标定实验获得。“ref”表示参考状态，n为Stern-Volmer关系式阶数，一般情况下，n≤3。工程应用中，一般选择无风状态wind-off状态为参考状态，与风洞试验的有风状态wind-on时的发光强度做比来计算模型表面压力。

由于压力敏感涂料的发光强度本质上是温度相关的，很多压力敏感涂料温度灵敏度高于1%/K，对于跨超声速暂冲式风洞，吹风前后模型表面温度之差可达10^oC以上，若不进行温度效应修正，压力敏感涂料风洞试验期间以及吹风前后的模型表面温度变化会引起较大的压力敏感涂料测量误差，必须予以修正。

目前，修正压力敏感涂料温度效应的方法主要有以下三种：（1）原位标定；利用模型表面测压孔的压力数据来确定Stern-Volmer系数，该方法可以有效地降低因温度效应和其他误差源导致的误差，经原位标定的测量数据和测压孔测量结果可以很好的吻合，但是，这种方法需要在模型不同区域埋设一定数量的测压孔，降低了压力敏感涂料试验的经济性，延长了试验准备周期，并且温度效应修正精度受测压孔开设的位置与数量影响较大。（2）通过温度敏感涂料（Temperature Sensitive Paint，TSP）或红外相机获取模型表面温度分布；这种方法温度效应修正精度较高，可以获得更高精准度的压力敏感涂料试验结果，但是，极大地增加了试验成本与试验周期，修正方法较为复杂。（3）双组份压力敏感涂料；将具有相同温度敏感特性可发出不同波长荧光的光敏分子掺入涂料胶体之中，从而形成了双组份的压敏涂料，然而，双组份压敏涂料虽然可以抑制涂料的温度敏感性，解决光照不均匀或被测物体形变引起局部位置光照射强度发生变化的问题，但是各组份之间在同一涂层内容易产生相互作用，从而引起较为严重的光降解和较低的发光强度，同时，各个组份往往会存在一定程度的光谱重叠，也会降低涂料的压力灵敏度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种提高压力敏感涂料测量精准度的方法。

本发明的提高压力敏感涂料测量精准度的方法，其特点是，包括以下步骤：

a. 模型及校准样片表面喷涂和固化压力敏感涂料；

b. 风洞中安装试验模型，调试压力敏感涂料测量系统；

c. 采集背景图像，风洞试验前，关闭风洞光源和压力敏感涂料激发光源，按照风洞试验模型状态要求，每个模型状态采集20幅以上的背景图像；

d. 风洞试验前，记录模型表面温度、当地大气压值；

e. 采集吹风前的wind-off图像，打开压力敏感涂料激发光源系统，按照步骤c所述的风洞试验模型状态要求，每个模型状态采集20幅以上的吹风前的wind-off图像；

f. 采集吹风时的wind-on图像，打开压力敏感涂料激发光源系统，开始风洞试验，在风洞流场和模型表面温度稳定后，采用定攻角、定马赫数的方式，按照步骤c所述的风洞试验模型状态要求，每个模型状态采集20幅以上的吹风时的wind-on图像；

g. 采集吹风后的wind-off图像，风洞关车，排放风洞内余气，在风洞内气流稳定后，按照步骤c所述的风洞试验模型状态要求，每个模型状态采集20幅以上的吹风后的wind-off图像；

h. 利用步骤a的校准样片进行压力敏感涂料静态校准，获得压力敏感涂料静态校准曲线；

i. 利用步骤a的校准样片进行压力敏感涂料温度敏感响应特性校准，获得压力敏感涂料温度敏感响应校准曲线；

j. 计算模型表面温度分布，根据步骤d记录的吹风前模型表面温度、背景图像、吹风前的wind-off图像、吹风后的wind-off图像和步骤i获得的压力敏感涂料温度响应特性校准曲线计算吹风后的模型表面温度分布；

k. 计算模型表面压力分布，根据步骤d记录的当地大气压值、背景图像、吹风时的wind-on图像、吹风后的wind-off图像、步骤j获得的吹风后的模型表面温度分布和步骤h获得的压力敏感涂料静态校准曲线计算压力敏感涂料温度效应修正后的模型表面压力分布。

步骤a所述的压力敏感涂料厚度为40μm -60μm。

步骤b所述的压力敏感涂料测量系统包括激发光源系统、数字成像设备和测控系统；所述的激发光源系统提供波长为A的入射光，照射在压力敏感涂料表面，涂料发射波长为B的发射光，波长A<波长B，数字成像设备采集发射光的信号，信号传输至计算机进行图像处理；所述的测控系统用于完成激发光源系统、数字成像设备和风洞测控系统的通信与时序控制。

步骤h所述的压力敏感涂料静态校准系统包括校准箱、压力调节子系统、温度调节子系统、压力和温度控制子系统、激发光源系统以及数字成像设备。所述的校准箱提供足够的空间放置压力敏感涂料校准样片，压力调节子系统实现校准箱内压力的调节，温度调节子系统实现校准箱内校准样片表面的温度调节，压力和温度控制子系统实现压力、温度数据信息的反馈与控制，激发光源系统提供波长为A的入射光，照射在压力敏感涂料校准样片表面，涂料发射波长为B的发射光，波长A<波长B，数字成像设备采集波长为B的发射光的信号，传输至计算机进行图像处理。校准方法根据风洞试验条件确定压力变化范围和温度变化范围，采取等间隔取值方式将压力变化范围和温度变化范围离散化，分别采集温度值点与压力值点处校准样片的发光图像，以风洞试验时的当地大气压作为校准基准压力，按照Stern-Volmer关系式，采用最小二乘法拟合获得Stern-Volmer关系式系数Ai，完成压力敏感涂料静态校准,式中n为Stern-Volmer多项式的阶数，P为涂层表面压力，I为涂层表面光致发光强度，ref表示参考状态。

步骤i所述的压力敏感涂料温度敏感响应特性校准系统包括校准箱、压力调节子系统、温度调节子系统、压力和温度控制子系统、激发光源系统以及数字成像设备。所述的校准箱提供足够的空间放置压力敏感涂料校准样片，压力调节子系统实现校准箱内压力的调节，温度调节子系统实现校准箱内校准样片表面的温度调节，压力和温度控制子系统实现压力、温度数据信息的反馈与控制，激发光源系统提供波长为A的入射光，照射在压力敏感涂料校准样片表面，涂料发射波长为B的发射光，波长A<波长B，数字成像设备采集波长为B的发射光的信号，传输至计算机进行图像处理。校准方法以步骤d记录的模型表面温度为校准基准温度，根据风洞试验条件确定温度变化范围，在当地大气压环境下，采集不同温度值点处校准样片发光图像，用多项式函数描述压力敏感涂料温度敏感响应特性，采用最小二乘法拟合获得压力敏感涂料温度敏感响应函数，完成压力敏感涂料温度敏感响应特性校准,式中Ak为压力敏感涂料温度敏感响应函数系数，n为多项式函数的阶数，T为涂层表面压温度，I为涂层表面光致发光强度，ref表示参考状态。

步骤j包括以下步骤：

j1.背景图像减除，步骤e记录的吹风前的wind-off图像、步骤g记录的吹风后的wind-off图像扣除步骤c记录的背景图像；

j2.图像平均，将扣除背景图像后的步骤j1得到的吹风前后的wind-off图像进行平均运算，得到一幅吹风前的wind-off图像、一幅吹风后的wind-off图像；

j3.图像比运算，步骤j2获得的吹风后的wind-off图像与吹风前的wind-off图像进行比运算，获得发光强度比图像；

j4. 图像滤波，利用中值滤波空间域滤波方法对步骤j3获得的发光强度比图像进行滤波，获得图像滤波后的发光强度比图像；

j5.发光强度与温度分布转换，利用步骤i获得的压力敏感涂料温度敏感响应校准曲线，即涂料发光强度比与表面温度之间的函数关系，将步骤j4获得的发光强度比图像转换为二维的模型表面温度图像。

步骤k包括以下步骤：

k1. 背景图像减除，步骤f记录的吹风时的wind-on图像、步骤g记录的吹风后的wind-off图像扣除步骤c记录的背景图像；

k2. 图像平均，将扣除背景图像后的步骤k1得到的吹风时的wind-on图像与吹风后的wind-off图像进行平均运算，得到一幅吹风时的wind-on图像与一幅吹风后的wind-off图像；

k3. 标记点识别，确定步骤k2获得的一幅吹风时的wind-on图像与一幅吹风后的wind-off图像中标记点的序号与位置；

k4. 图像配准，根据k3获得的吹风时的wind-on图像与吹风后的wind-off图像中标记点的序号与位置，将wind-on图像配准映射到wind-off图像；

k5. 图像比运算，步骤k4获得的配准后的吹风后的吹风时的wind-on图像与吹风后的wind-off图像进行比运算，获得发光强度比图像；

k6. 图像滤波，利用中值滤波空间域滤波方法对步骤k5获得的发光强度比图像进行滤波，获得图像滤波后的发光强度比图像；

k7. 发光强度与压力分布转换，利用步骤h获得的压力敏感涂料静态校准曲线，即涂料发光强度比、表面温度与表面压力之间的函数关系，将步骤k6获得的发光强度比图像转换与步骤j得到的二维的模型表面温度图像转换为修正了涂料温度效应的二维表面压力分布；

k8.压力三维场重构，根据步骤k3获得的标记点二维坐标以及标记点在模型表面的三维坐标，获得二维图像到三维模型表面网格的映射关系，从而实现步骤k7获得的二维表面压力分布到三维模型表面网格的映射，最终获得三维空间压力场分布。

本发明的提高压力敏感涂料测量精准度的方法利用了压力敏感涂料的温度敏感特性，基于同一次压力敏感涂料风洞试验采集到的原始图像数据，同时获得了模型表面的温度分布与温度修正后的表面压力分布。本发明的提高压力敏感涂料测量精准度的方法可以获得更为丰富的结果数据，具有成本低，精度高的优点，考虑了压力敏感涂料的温度效应影响，提高了压力敏感涂料测量结果的精准度。

附图说明

图1为本发明的提高压力敏感涂料测量精准度的方法的试验流程图；

图2为本发明的提高压力敏感涂料测量精准度的方法的图像后处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体说明本发明。

以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。

实施例

图1为本发明的提高压力敏感涂料测量精准度的方法的试验流程图；图2为本发明的提高压力敏感涂料测量精准度的方法的图像后处理流程图。

具体工作步骤如下：

a. 模型及校准样片表面喷涂和固化压力敏感涂料。

喷涂前，喷涂人员应仔细检查喷涂试件表面有无凹坑、毛刺或其他缺陷，采用800目以上的细砂纸打磨、抛光有缺陷区域，用腻子或原子灰封堵凹坑。处理完毕后，用丙酮将模型及试件表面清洗擦拭干净。之后喷涂美国ISSI公司SCR型底漆，厚度为20μm，喷涂完成后在90^oC下烘烤5个小时。烘烤完成后，喷涂美国 ISSI公司 FIB型面漆，厚度为20μm，喷涂完成后在65^oC下烘烤5个小时。

b. 风洞中安装试验模型，调试压力敏感涂料测量系统。

在风洞的支撑机构上安装试验模型。将压力敏感涂料测量系统的设备安装在风洞中，设备安装完成后，进行测控系统与试验设施预运转，检查测控系统和试验设施的可靠性。同时检验光路设计、模型安装等相关项目。

压力敏感涂料测量系统包括激发光源系统、数字成像设备和测控系统；所述的激发光源系统提供波长为A的入射光，照射在压力敏感涂料表面，涂料发射波长为B的发射光，波长A<波长B，数字成像设备采集发射光的信号，信号传输至计算机进行图像处理，测控系统用于完成激发光源系统、数字成像设备和风洞测控系统的通信与时序控制。

c. 采集背景图像。风洞试验前，关闭风洞环境光源以及压力敏感涂料激发光源，按照风洞试验模型状态要求，每个模型状态采集20幅以上的背景图像。

d. 风洞试验前，记录模型表面温度、当地大气压值。

e.采集吹风前的wind-off图像。打开压力敏感涂料激发光源系统，按照步骤c所述的风洞试验模型状态要求，每个模型状态采集20幅以上的吹风前的wind-off图像。

f. 采集吹风时的wind-on图像。打开压力敏感涂料激发光源系统，开始风洞试验，在风洞流场和模型表面温度稳定后，采用定攻角、定马赫数的方式，按照步骤c所述的风洞试验模型状态要求，每个模型状态采集20幅以上的吹风时的wind-on图像。

g. 采集吹风后的wind-off图像。风洞关车，排放风洞内余气，在风洞内气流稳定后，按照步骤c所述的风洞试验模型状态要求，每个模型状态采集20幅以上的吹风后wind-off图像。

h. 利用步骤a的校准样片进行压力敏感涂料静态校准，获得压力敏感涂料静态校准曲线。

压力敏感涂料静态校准系统主要由校准箱、压力调节子系统、温度调节子系统、压力和温度控制子系统、激发光源以及数字成像设备。安装调试压力敏感涂料静态校准系统后，根据试验条件预先确定模型表面的压力范围和温度范围，采取等间隔取值方式将压力范围和温度范围离散化，分别采集不同温度与压力值点处校准样片的发光图像，以风洞试验时当地大气压作为校准基准压力，完成涂料的温度与压力校准，按照Stern-Volmer关系式，采用最小二乘法拟合获得Stern-Volmer关系式系数，式中n为Stern-Volmer多项式的阶数，P为涂层表面压力，I为涂层表面光致发光强度，ref表示参考状态。本实施例采用二阶多项式函数拟合，即

，式中P为涂层表面压力，I为涂层表面光致发光强度，ref表示参考状态，参考状态为步骤d测量的温度与大气压力状态。

i. 利用步骤a的校准样片进行压力敏感涂料温度敏感响应特性校准，获得压力敏感涂料温度敏感响应校准曲线。

利用压力敏感涂料的温度敏感特性，将压力敏感涂料看作温度敏感涂料，按照常规温度敏感涂料静态校准流程进行压力敏感涂料温度敏感响应特性校准：以吹风前模型表面温度为校准基准温度，根据试验条件预先确定模型表面温度范围，在当地大气压环境下，采集不同温度下的校准样片发光强度，完成涂料校准。

本实施例中，温度敏感涂料发光强度与温度之间的函数关系由二阶多项式函数进行描述，即，式中，I为涂层表面光致发光强度，T为模型表面温度， ref表示参考状态，参考状态为步骤d测量的温度与大气压力状态。

j.计算吹风后模型表面温度分布，步骤如下：

j1.背景图像减除，步骤e记录的吹风前的wind-off图像、步骤g记录的吹风后的wind-off图像扣除步骤c记录的背景图像；

j2.图像平均，将扣除背景图像后的步骤j1得到的吹风前后的wind-off图像进行平均运算，得到一幅吹风前的wind-off图像、一幅吹风后的wind-off图像；

j3.图像比运算，步骤j2获得的吹风后的wind-off图像与吹风前的wind-off图像进行比运算，获得发光强度比图像；

j4. 图像滤波，利用中值滤波空间域滤波方法对步骤j3获得的发光强度比图像进行滤波，获得图像滤波后的发光强度比图像；

j5.发光强度与温度分布转换，利用步骤i获得的压力敏感涂料温度敏感响应校准曲线，即涂料发光强度比与表面温度之间的函数关系，将步骤j4获得的发光强度比图像转换为二维的模型表面温度图像。

k. 计算吹风后模型表面压力分布,步骤如下：

k1. 背景图像减除，步骤f记录的吹风时的wind-on图像、步骤g记录的吹风后的wind-off图像扣除步骤c记录的背景图像；

k2. 图像平均，将扣除背景图像后的步骤k1得到的吹风时的wind-on图像与吹风后的wind-off图像进行平均运算，得到一幅吹风时的wind-on图像与一幅吹风后的wind-off图像；

k3. 标记点识别，确定步骤k2获得的一幅吹风时的wind-on图像与一幅吹风后的wind-off图像中标记点的序号与位置；

k4. 图像配准，根据k3获得的吹风时的wind-on图像与吹风后的wind-off图像中标记点的序号与位置，将wind-on图像配准映射到wind-off图像；

k5. 图像比运算，步骤k4获得的配准后的吹风后的吹风时的wind-on图像与吹风后的wind-off图像进行比运算，获得发光强度比图像；

k6. 图像滤波，利用中值滤波空间域滤波方法对步骤k5获得的发光强度比图像进行滤波，获得图像滤波后的发光强度比图像；

k7. 发光强度与压力分布转换，利用步骤h获得的压力敏感涂料静态校准曲线，即涂料发光强度比、表面温度与表面压力之间的函数关系，将步骤k6获得的发光强度比图像转换与步骤j得到的二维的模型表面温度图像转换为修正了涂料温度效应的二维表面压力分布；

k8.压力三维场重构，根据步骤k3获得的标记点二维坐标以及标记点在模型表面的三维坐标，获得二维图像到三维模型表面网格的映射关系，从而实现步骤k7获得的二维表面压力分布到三维模型表面网格的映射，最终获得三维空间压力场分布。