基于压敏涂料叠加寿命的周期性压力场测量系统及方法

1.本发明属于压敏涂料测量技术领域，具体涉及基于压敏涂料叠加寿命的周期性压力场测量系统及方法。


背景技术：

2.压力作为自动化控制的热工三参量(压力、温度、流量)之一，在测量与控制中占有非常重要的地位。测压的方式有很多，但每一种测压方式均需要对测量设备进行校准，以期获得测量数据，如电信号、光信号等与压力之间的函数关系以及测量系统如灵敏度等的特性。
3.基于计算机视觉与图像处理技术的光学压敏涂料测压技术(pressure sensitive paint，psp)，是非接触式流动显示技术的重要突破。与目前国内传统的点阵式测量技术相比，光学压敏测量技术能够弥补压力探针布孔、压力传感器等对模型的破坏和对流场的干扰以及传统方法数据传输方式的复杂性，并且该测量技术大幅度提升测量范围，具有无接触、连续测量、试验成本相对低廉、节约时间等优势，已经受到广大实验工作者的青睐。光学压敏测压技术的基本原理为：将压力敏感涂料均匀覆盖于被测模型表面，压力敏感涂料由光敏分子和可以透氧的基质组成。在受到特定波长的光激发时，涂料中的光敏分子由原本稳定的基态获得能量而跃迁到高能级的激发态。处于不稳定激发态的光敏分子，受到被测量表面扩散进来的氧分子碰撞，失去激发态的能量而失活回到基态，这种过程并不产生辐射光，从而导致发光强度降低，形成“氧猝灭”现象。氧分子浓度越大，即：在大气中可视为压力越大，氧的猝灭效应越强，涂料在一定波长的光光照下发出的光就越暗。因此，在光照射下，压力敏感涂料的发光强度即可反映被测模型表面所受的压力值。在光照射下拍摄被测模型表面的图像照片，通过对图像照片进行分析，可得到被测模型表面的压力分布。随着快响应光学压敏涂料(fast psp)的发展，这一技术从原有的稳态流场测量拓展到动态流场测量，特别是周期性流场。随着涂料的响应时间逐渐缩短，能够用于高频波动压力场的测量。
4.然而，现有技术中，快响应光学压敏涂料测压技术主要存在以下问题：
5.随着测量流场压力频率的逐渐增高，要求相机的曝光时间缩短才能满足高频压力场测量的需求。而当相机的曝光时间缩短时，会直接导致相机进光量的减少，从而导致相机拍摄得到的荧光图像的信噪比(snr)较低，降低了对压敏涂料压力校准的准确性，从而不利于得到高分辨率的压力测量结果；测量系统中滤光片主要作用是滤除光源发出的光，然而psp涂料激发程度较低，属于弱光技术，而滤光片的滤光效果有限，不能完全滤除光源光强，导致最终图像上既有psp涂料发光成分又有光源发光成分，后续图像处理技术及数据处理技术也无法消除这一影响，导致测量结果信噪比低下。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种信噪比高的基于压敏涂料叠加寿命的周期性压力场测量系统及方法。
7.本发明采用的技术方案为：一种基于压敏涂料叠加寿命的周期性压力场测量系统，包括测试件、脉冲光源、相机、同步器和计算机，所述测试件的测试面均匀喷涂有压力敏感涂料；所述脉冲光源正对测试件的测试面；所述脉冲光源与同步器相连；所述相机固定于脉冲光源的上方，相机的镜头对准测试件的测试面，使测试件的测试面完全落入相机的镜头内；所述相机分别与同步器和计算机相连。
8.按上述方案，所述相机为ccd相机。
9.按上述方案，所述脉冲光源相对于测试面居中布置。
10.本发明还提供了一种基于压敏涂料叠加寿命的周期性压力场测量方法，该方法包括以下步骤：
11.步骤一、提供如上所述压敏涂料周期性压力场测量系统的各组件；
12.步骤二、将压力敏感涂料均匀喷涂到测试件的测试面上；
13.步骤三、将脉冲光源正对测试件的测试面,再将相机安装在脉冲光源的上方，使相机的镜头对准测试件的测试面；
14.步骤四、相机开启调制模式，将周期为t的压力场在时间上均匀分成n份，第i个时间段内压力场对应的相位为φi，各时间段内对应的相位分别为φ1、φ2…
φn；
15.步骤五、将所述压敏涂料周期性压力场测量系统放置在无光环境中实验，待实验压力场满足周期变化后，开始psp涂料的压力场测量；
16.步骤六、利用同步器调整脉冲光源，使其发出的脉冲宽度为tp,在相位φ1下的发光次数m；
17.步骤七、计算机通过同步器控制相机，使相机在脉冲光源发光tp时间后再拍摄图像；相机选择调制模式，设置调制模式次数为m次，相机单次曝光时间为t1，调制模式将m次psp涂料时间为t1的寿命发光强度累积，用计算机记录，输出图像i1；
18.步骤八、相机延迟设置，使相机在脉冲光源发光tp+t1时间后再开始曝光；相机选择调制模式，设置调制模式次数为m/2次，曝光时间为t2，调制模式将m次psp涂料时间为t2的寿命发光强度累积，用计算机记录，输出图像i2；
19.步骤九、计算机将图像i1和图像i2进行图像相同像素的灰度值相除，得到图像i1/i2，再根据psp涂料图像光强与压力校准公式，即可还原得到相位φ1的压力信息；
20.步骤十、根据压力场的周期性和相位的时空关系，采用同步器调整脉冲光源在其它相位发光，重复步骤六～九，即可得到一个周期内n个时刻的压力变化过程，实现压力的动态测量。
21.按上述方案，调制模式是指相机能够在曝光期间通过外触发信号多次控制相机感光芯片感光的起止时间，每次感光芯片接收到光子后转化为电信号累积在存储器中，待曝光时间结束后，累积的信号合并转化为图像的灰度值。
22.按上述方案，在步骤九中，图像光强与压力校准公式为其中a和b是校准系数，pref为参考压力，iref1和iref2分别为在参考压力下采用压敏涂料叠加寿命方法获得的两幅图像；校准系数的确定在校准舱内进行；通过反复调整压力p，获得一系列与a和b相关的一元等式，通过最小二乘法，最终确定a和b，压力信息即可通过该公式进行还原。
23.本发明的有益效果为：
24.本发明基于压敏涂料荧光寿命与压力的关系，通过频闪光源和低帧率ccd相机采集高频脉动压力下高信噪比的压力敏感涂料荧光图像对序列，根据寿命法测量原理获得全域的动态压力分布，可有效降低了系统误差；通过时序控制，避开了光源发光，相比于传统测量系统，不需要滤光片来滤除光源发光，拍摄图像中仅含有psp发光，从而提高了光学压敏涂料信噪比。
附图说明
25.图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
26.图2为本实施例中相机的控制时序示意图。
27.其中：1、相机；2、脉冲光源；3、同步器；4、psp涂料；5、测试件；6、计算机。
具体实施方式
28.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
29.如图1所示的一种基于压敏涂料叠加寿命的周期性压力场测量系统，包括测试件5、脉冲光源2、相机1、同步器3和计算机6，所述测试件5的测试面均匀喷涂有压力敏感涂料(以下简称psp涂料4)；所述脉冲光源2正对测试件5的测试面；所述脉冲光源2与同步器3相连；所述相机1固定于脉冲光源2的上方，相机1的镜头对准测试件5的测试面，使测试件5的测试面完全落入相机1的镜头内；所述相机1分别与同步器3和计算机6相连。
30.本实施例中，所述相机1为ccd相机；所述脉冲光源2正对测试件5的测试面，且相对于测试面居中布置。
31.本发明中，脉冲光源2用于向测试件5的测试面发射光源；相机1用于拍摄图像；同步器3的作用是控制脉冲光源2的发光时序以及控制脉冲光源2的脉宽。计算机6用于控制相机1的参数并保存图像数据。
32.一种基于叠加寿命法的压敏涂料周期性压力场测量方法，包括以下步骤：
33.步骤一、提供如上所述压敏涂料周期性压力场测量系统的各组件。
34.步骤二、将压力敏感涂料均匀喷涂到测试件5的测试面上。
35.步骤三、将脉冲光源2正对测试件5的测试面，保证脉冲光源照射均匀；再将相机1安装在脉冲光源2的上方，使相机1的镜头对准测试件5的测试面。
36.步骤四、相机1开启调制模式，为了捕捉压力场的动态变化，将周期为t的压力场在时间上均匀分成n份，第i个时间段内压力场对应的相位为φi，各时间段内对应的相位分别为φ1、φ2…
φn。
37.本发明中，相机1的调制模式也即相机1能够在曝光期间通过外触发信号多次控制相机1感光芯片感光的起止时间，每次感光芯片接收到光子后转化为电信号累积在存储器中，待曝光时间结束后，累积的信号合并转化为图像的灰度值。
38.步骤五、将所述压敏涂料周期性压力场测量系统放置在无光环境中实验，待实验压力场满足周期变化后，开始psp涂料4的压力场测量，周期向压力场如图2所示。
39.本发明中，无光环境是指相机1分别在开关镜头盖拍摄图像，曝光时间为1分钟，当两幅图像的灰度相同时，则认为环境无光。
40.步骤六、利用同步器3调整脉冲光源2，使其发出的脉冲宽度为tp(约1ms，尽可能将psp涂料4激发到最强发光状态)，在相位φ1下的发光次数m。脉冲光源时序如图2所示。
41.本发明中，发光次数m的确定方法是：保证图像灰度接近相机满阱容量对应的灰度值时的发光次数；发光次数确定后，全部图像采集的发光次数保持不变。
42.步骤七、计算机6通过同步器3控制相机1，使相机1在脉冲光源2发光tp时间后再拍摄图像，保证相机1在没有滤光片的条件下屏蔽脉冲光源2发光；相机1选择调制模式(即相机1能够在曝光期间通过外触发信号多次控制感光芯片感光的起止时间，每次感光芯片接收到光子后转化为电信号累积在存储器中，待曝光时间结束后，累积的信号合并转化为图像的灰度值)，设置调制模式次数为m次，相机1单次曝光时间为t1，调制模式将m次psp涂料4时间为t1的寿命发光强度累积，用计算机6记录，并输出图像i1。相机1曝光时序i1如图2所示。
43.步骤八、相机1延迟设置，使相机1在脉冲光源2发光tp+t1时间后再开始曝光；相机1选择调制模式，设置调制模式次数为m次，曝光时间为t2，调制模式将m次psp涂料4时间为t2的寿命发光强度累积，用计算机6记录，并输出图像i2。相机1曝光时序i2如图2所示。
44.步骤九、计算机将图像i1和图像i2进行图像相同像素的灰度值相除，得到图像i1/i2，再根据psp涂料4图像光强与压力校准公式，即可还原得到相位φ1的压力信息。
45.本发明中，图像光强与压力校准公式为其中a和b是校准系数，pref为参考压力，iref1和iref2分别为在参考压力下采用压敏涂料叠加寿命方法获得的两幅图像。校准系数的确定在校准舱内进行；通过反复调整压力p，获得一系列与a和b相关的一元等式，通过最小二乘法，最终确定a和b，压力信息即可通过该公式进行还原。与pref均可实验测得。
46.步骤十、根据压力场的周期性和相位的时空关系，采用同步器3调整脉冲光源2在其它相位发光，重复步骤六～九，即可得到一个周期内n个时刻的压力变化过程，实现压力的动态测量。
47.本发明中，相机1单次曝光时间t1和t2均根据psp涂料4特性来确定。
48.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。