壓力敏感塗料技術

壓力敏感塗料技術是指利用光學特性測量物體表面的壓力和溫度分布，即將一種特殊的壓力敏感塗料覆蓋在模型表面上，利用一定波長的光照射後，塗料能夠發射螢光，測定發射光強度場和溫度場，計算出相應的壓力分布的技術。

二十世紀後期，生物化學、光學、信息技術和圖形圖像處理技術等學科的重大進展，推動了一種概念全新的先進壓力測量技術，即壓力敏感塗料(Pressure Sensitive Paint，PSP)技術。這是無插人式表面全域壓力分布光學測量技術，以壓力敏感材料為塗料覆蓋於測量表面，以雷射或紫外線燈為激發光源，誘導塗料發出螢光或磷光，利用空氣介質中的氧分子對壓力敏感材料發光的“猝熄”作用，通過CCD相機(CCD camera)將實驗物體表面塗層螢光或磷光強度變化轉換為偽彩色圖像，套用計算機圖形處理技術獲取表面壓力分布狀況。其優點就在於可探測範圍廣、成本較低、準備時間短，較好地解決了傳統檢測技術引起的流場干擾問題，在航空航天、葉輪機械和汽車製造等領域具有極廣的套用前景。

基本介紹

• 中文名：壓力敏感塗料技術
• 外文名：Pressure Sensitive Paint technique
• 套用學科：空氣動力學
• 材料：特殊的壓力敏感塗料
• 作用：計算出相應的壓力分布
• 優點：探測範圍廣、成本較低、時間短

背景

二十世紀80年代之前，人們通過傳統的植人感測器或陣列感測器的方式進行飛行器、葉輪機械流場研究，存在著安裝困難、測量範圍有限、損害流面連續性，改變和干擾流場特性等缺點。二十世紀後期，生物化學、光學、信息技術和圖形圖像處理技術等學科的重大進展，推動了一種概念全新的先進壓力測量技術，即壓力敏感塗料(Pressure Sensitive Paint，PSP)技術。這是無插人式表面全域壓力分布光學測量技術，以壓力敏感材料為塗料覆蓋於測量表面，以雷射或紫外線燈為激發光源，誘導塗料發出螢光或磷光，利用空氣介質中的氧分子對壓力敏感材料發光的“猝熄”作用，通過CCD相機(CCD camera)將實驗物體表面塗層螢光或磷光強度變化轉換為偽彩色圖像，套用計算機圖形處理技術獲取表面壓力分布狀況。其優點就在於可探測範圍廣、成本較低、準備時間短，較好地解決了傳統檢測技術引起的流場干擾問題，在航空航天、葉輪機械和汽車製造等領域具有極廣的套用前景。

PSP技術基本原理

壓力敏感塗料(PSP)就是以壓力敏感材料分子為主體，選用易於氧分子滲透的膠合體為粘接劑，具有光致發光和氧“碎熄”特性的可牢固附著於實驗物體表面的混合物。作為塗料主體的PSP分子有磷光和螢光兩大類，其光致發光機理如圖所示。受到所需的電磁輻射或光照射後，經過一系列複雜過程才能使分子的電子能態回到基態。這種衰減過程一般可分為3種類型:(1)不向外輻射能量的衰減(b)即所吸收的能量以無規則熱運動形式傳向周圍介質，這種衰減廣泛存在於一電子能級較高的狀態如S1,S2和T,c(2)位於較高能級的分子通過化合價電子配對和分子振動弛豫降低能級(c);(3)向外輻射能量的衰減即通過發出螢光(d)或磷光(g)降低電子能級。對於第3種類型，當有外部分子滲透或擴散進人塗料時，通過碰撞傳遞能量，降低PSP分子發光強度，出現所謂的“猝熄"(e)現象。由圖可知，PSP分子發出螢光時所處的能態要比發出磷光時的能態高，這兩種光致發光現象不僅在於光譜特性的不同，而且反映在時間尺度、“猝熄”敏感度和溫度敏感度等特性的差異。一般而言，螢光材料的時間尺度為 ，而磷光材料的時間尺度為 ;磷光材料的“碎熄”效果比螢光材料的高，其壓力敏感度和溫度敏感度也高於螢光材料。

描述PSP分子光致發光過程的雅而隆斯基圖

PSP系統分為塗料套用、燈光和圖像獲取、圖像處理等子系統，有一套嚴格的操作程字。噴塗PSP之前在實驗模型表面覆蓋防氧滲透和擴散的底漆，噴塗後需保存於暗室內。由於溫度會影響氧分子在塗料中的滲透或擴散速度，從而彩響發光強度，理論上塗料工作溫度為常數的假定，不能滿足實際情況，需要引人溫度敏感塗料（Temperature Sensitive Paint,TSP）進行修正。另外，為獲得三維圖像，還需對對實驗模型表面進行標定，也可解決物體變形等問題，有助於改善圖像質量，提高解析度。

PSP技術發展狀況

早在1930年空氣中氧氣影響某些特殊物質發光強度的現象已被發現。1980年Peterson和Fitzgerald首次套用這種現象來檢測壓力，當時螢光類PSP的氧敏感度和滲透性都很差，實驗意義沒能得到應有的重視。

20世紀80年代中期，俄羅斯莫斯科中央空氣動力學研究院(TsAGI)與莫斯科大學率先共同開發了實用的PSP技術，並與義大利IN TECO公司聯合開發出商用PSP，之後，研究院專門成立了OPTROD公司，從事PSP的研發和套用，先後與美國、歐洲共同開展PSP技術套用的合作研究和交流。歐洲的各研究機構如德國的DLR研究院、法國的ONERA、英國的航空宇航委員會瑞典的O德技術研究院、義大利宇航研究中心、瑞士的RUAG Aerospace都相繼開展了PSP及其套用的相關研究，義大利INTECO公司、義大利那不勒斯第二大學、歐洲空中客車公司研究機構也開展了這方面的研究和套用。

生物化學、信息技術和圖像處理技術位於世界領先地位的美國在PsP技術上發展得十分成熟，套用成果也很豐富。二十世紀so年代後期，美國國家航空和宇宙航行局的埃姆斯研究中心(ARC,NASA)與華盛頓大學(UW)在美國率先套用PSP技術。之後，其他研究機構和大學如賴實驗室、美國國家航空和宇宙航行局的劉易斯研究中心〔LeRC , NASA )、蘭利研究中心(LaRC,NASA)、格倫研究中心(GRC,NASA)和拍杜大學(Purdue University)、佛羅里達大學(University of Florida)以及麥道公司(McDonnellDouglas Aerospace )、洛克希德馬T公司(Lockheed Martin Aerospace ) , ISSI公司(InnovativeScientific Solutions,Inc.)等相繼開展了PSP技術的研發和套用工作。美國軍方也十分重視PSP技術的套用，美空軍宇航試驗中心(Aerospace Testing Alliance)、阿諾德工程發展中心(AEDC)和空軍實驗研究室(Air Force Research Laboratory)以及美海軍研究生學院(Naval Postgraduate School)也開展了套用研究。目前，國家航空和宇宙航行局的埃姆斯研究中心專門從事軟體和雙氧敏感分子研究，格倫研究中心專項開展PSP壽命期成像及其非常規套用研究，蘭利研究中心主要負責研究塗料化學性質，開發塗料種類，越來越多的美國大學也參與到PSP及其套用技術的研究中，國內合作和國際交流十分頻繁。美國重要發展研究計畫如“高循環疲勞(HCF )",“高速民用運輸機( HSCT)"}“先進亞音速技術(AST)”和“高性能渦輪發動機綜合技術((IHPTET)”等不同程度地套用了PSP技術。

在亞洲，日本、韓國和印度開展了PSP的開發和套用研究。日本國家宇航實驗室、空間與宇航研究院和東京大學的研究成果引人注目。韓國科學技術高等學院進行了提高全域壓力圖像質量方面的研究，印度國家宇航實驗室引進德國DLR研究院的塗料和測量系統，利用其1. 2 m大型跨音速風洞對翼一身模型進行了實驗。

未來展望

PSP技術是涉及生物化學、光學、信息技術多種學科的綜合性套用技術，已廣泛套用於航空航天、動力能源、汽車製造等領域。但應看到，該技術還存在著諸如對塗料和儀器設備性能要求高，校正過程複雜，圖像捕獲與處理要求高等不足。也應看到，隨著基礎學科的不斷發展和學科間不斷的交融匯合，該技術也將不斷地吸收新的成份向前發展，其套用範圍和領域也將進一步得以拓展。

（1）塗料種類向多樣化、集成化和無機化方向發展。過去十年間，塗料從螢光類物質發展到磷光類物質，推動PSP技術從外流套用進入內流套用，膠合劑從有機到無機，凝膠與溶膠的複合，提高了塗料性能。目前，新型的雙發光體塗料(Biluminophor PSP)已進人套用階段，該塗料是將受激後發光強度隨時間變化相近的壓力敏感塗料和溫度敏感塗料的混合物，可省去常規塗料對溫度的校正過程，具有較清晰度和解析度;為適應較大壓力和溫度梯度變化的實驗測量，兩種壓力/溫度適應範圍總體不同且局部相同的塗料混合物也已投人套用，其兼有這兩種塗料各自優點，而適用範圍更廣;以陽極化金屬離子為膠合劑的塗料以其優越的時間回響特性越來越受到關注和重視。

（2）多種手段和技術的綜合運用已成為最佳而有效的解決方案。PSP技術由最初的光學強度分辨實驗表面全域壓力分布，到隨後的依據塗料時間回響特性和表面發光強度辨別壓力分布，分辨準確性和精確程度明顯提高。隨著徐料套用範圍的不斷拓寬和研究內容的多樣化，各種有效的方法和手段不斷地被吸收和整合，推動PSP技術呈多樣化發展。從實驗的角度來看，單一的實驗測量技術和手段具有其固有的缺陷，已經難於滿足人類對研究領域的好奇心。為此，多種測量技術和測量手段的綜合套用，是人們現在和未來探究未知領域，檢驗科學理論的試金石。 （3）儀器設備小型化，輔助設備多樣化將拓展PSP技術的套用空間。目前，PSP技術在葉輪機械的套用主要是結構和空間方面的困難帶來的。為解決這種困難，要實現儀器設備的小型化，同時還要研究和發展有助於開展實驗研究的輔助設備如光纖傳導設備、顯微設備等，使得該技術從對靜子和I級轉子葉片的實驗測量發展至對全部葉輪機械部件的實驗測量。