一种压力敏感涂料动态特性测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，具体涉及一种压力敏感涂料动态特性测量装置及测量方法。

背景技术

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。基于计算机视觉与图像处理技术的压力敏感涂料(Pressure SensitivePaint，PSP涂料)测压技术的研究，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，压力敏感涂料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，并且该测量技术可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，受到广大实验工作者的青睐。

压力敏感涂料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，也为旋转模型表面压力分布的测量提供了新思路。

随着涂料制备工艺的进步，PSP测量技术由稳态测量扩展到动态测量。压力敏感涂料动态特性是评估涂料适应流场动态范围的重要指标，是动态PSP测量的必要前提。目前有关涂料动态特性的测量装置主要有振荡射流器、激波管和声学驻波管。振荡射流器需要不仅高压气流连续供应，而且振荡器产生的脉动气流不是标准正弦波，压力稳定性难以保证。激波管的原理是不断压缩管内的空气，当气压足够大时，会冲破薄膜，使得压力波冲击PSP样片，根据PSP压力上升时间来估计涂料的响应时间，但是这种装置不能够测量连续变化压力的幅频特性和相频特性。声学驻波管弥补了激波管的不足可以产生连续正弦压力，但是由于驻波形成原理，产生相对低频的压力波需要延长声学驻波管长度(通常1m以上)，由扬声器产生的压力波经过长管到达管的另一端时，会有压力沿程损失，而且管壁的反射波会造成达到PSP表面的压力波包含部分倍频压力或者其他频率的压力。更为重要的是，声学驻波管仅能在基频的倍频测量，假设声学驻波管的基频是100Hz，声学驻波管发出100Hz，200Hz，300Hz…的压力波，测量的频率精度等于声学驻波管基频，不能够精确的捕捉到PSP涂料随压力频率幅值和相位特性。

因此，有必要设计一套压力敏感涂料动态特性测量装置，实现高频率精度的PSP幅频特性和相频特性测量。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种压力敏感涂料动态特性测量装置及测量方法。

本发明采用的技术方案为：一种压力敏感涂料动态特性测量装置，包括PSP样片、动态压力传感器、示波器、光源、光电倍增管、带通滤光片、扬声器、功率放大器和信号发生器；所述PSP样片的外表面喷涂有PSP涂料；所述动态压力传感器安装在PSP样片的中心，动态压力传感器的输出端与示波器的输入端相连；所述光源的发射端正对PSP样片的内表面；所述光电倍增管的检测端安装有带通滤光片，光电倍增管的输出端与示波器的输入端相连；所述扬声器正对PSP样片的外表面，扬声器、功率放大器和信号发生器依次相连。

按上述方案，所述PSP样片包括光学玻璃片，光学玻璃片的外表面喷涂有PSP涂料；所述光学玻璃片可透过PSP涂料和光源的发光。

按上述方案，所述光学玻璃片开设有中心孔，所述动态压力传感器安装在中心孔内，动态压力传感器的输出端自中心孔伸出，与示波器的输入端电连接。

按上述方案，所述光源为点激光光源。

按上述方案，光源发射光的波长与PSP涂料的激发波长一致。

按上述方案，所述带通滤光片仅允许PSP涂料发光波段通过，阻止环境光和光源发出的光进入光电倍增管。

按上述方案，所述光电倍增管的光探测频率范围覆盖PSP涂料的最大响应频率。

按上述方案，光电倍增管与动态压力传感器测得的信号通过示波器同步记录。

按上述方案，扬声器正对PSP样片的外表面，向PSP样片的外表面发送压力波，压力波范围覆盖PSP样片。

本发明还采用了一种压力敏感涂料动态特性测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、提供如上所述的测量装置；

步骤二、开启光源，光源发射的光透过光学玻璃片后照射PSP涂料上，使PSP涂料发光；

步骤三、开启信号发生器和扬声器，信号发生器发出较低频率Fref的正弦波电信号，经过功率放大器放大后，发送至扬声器，使其发出相同频率的压力波；

步骤四、光电倍增管采集波动的PSP涂料发光信号，动态压力传感器同步采集波动的PSP涂料压力信号，示波器测量PSP发光信号的幅值Iref和压力信号幅值Pref，并通过两个信号的波形，计算相位差Vref；

步骤五、以步长为1Hz调整信号发生器的频率，使扬声器发出频率为Fi的正弦压力波，调整功率放大器，使扬声器发出的压力幅值仍为Pref；示波器测量此时PSP涂料发光信号的幅值Ii和相位差Vi；

步骤六、反复执行步骤五，当幅值Ii下降至Iref一半时，对应的频率记作PSP涂料的截止频率；当幅值Ii接近0时，对应的频率记为PSP涂料的最大频率，相应频率的相位差为Vi-Vref。

本发明的有益效果为：本发明所述测量装置可产生任意频率的连续正弦压力波，频率精度不超过0.01Hz，光路不受遮挡，稳定性高，能够精确捕捉到PSP涂料的压力频率幅值和相位特性；所述测量装置结构简单，所需设备为常用仪器，无需定制；测量距离短，节省空间，减少了压力沿程损失。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的整体结构示意图。

其中：1、扬声器；2、PSP涂料；3、光学玻璃；4、光源；5、光电倍增管；6、带通滤光片；7、动态压力传感器；8、示波器；9、功率放大器；10、信号发生器。

具体实施方式

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。

如图1所示的一种压力敏感涂料动态特性测量装置，包括PSP样片、动态压力传感器7、示波器8、光源4、光电倍增管5、带通滤光片6、扬声器1、功率放大器9和信号发生器10；所述PSP样片的外表面喷涂有PSP涂料2；所述动态压力传感器7安装在PSP样片的中心，动态压力传感器7的输出端与示波器8的输入端相连；所述光源4的发射端正对PSP样片的内表面；所述光电倍增管5的检测端安装有带通滤光片6，光电倍增管5的输出端与示波器8的输入端相连；所述扬声器1正对PSP样片的外表面，扬声器1、功率放大器9和信号发生器10依次相连。

优选地，所述PSP样片包括光学玻璃3片，光学玻璃3片的外表面喷涂有PSP涂料2；所述光学玻璃3片可透过PSP涂料2和光源4的发光。

优选地，所述光学玻璃3片开设有中心孔，所述动态压力传感器7安装在中心孔内，动态压力传感器7的输出端自中心孔伸出，与示波器8的输入端电连接。

本发明中，所述动态压力传感器7用于检测PSP样片上PSP涂料2的动态压力。为了降低光路遮挡和测量误差，所述动态压力传感器7的头部尺寸尽可能小；为了覆盖PSP涂料2可能的最大响应频率，动态压力传感器7可检测的压力频率范围尽可能大。

优选地，所述光源4为点激光光源，光源4发射光的波长与PSP涂料2的激发波长一致，光功率稳定性要足够好。

优选地，所述带通滤光片6仅允许PSP涂料2发光波段通过，阻止环境光和光源4发出的光进入光电倍增管5。

优选地，所述光电倍增管5的光探测频率范围覆盖PSP涂料2的最大响应频率。

优选地，光电倍增管5与动态压力传感器7测得的信号通过示波器8同步记录。

优选地，扬声器1正对PSP样片的外表面(也即喷涂有PSP涂料2的一面)，向PSP样片的外表面发送压力波，压力波范围覆盖PSP样片。本发明中，为了降低压力波能力损失，PSP样片与扬声器1之间的距离尽可能小，可为5cm～10cm。

本发明中，所述信号发生器10产生正弦信号，正弦信号经功率放大器9放大，传输至扬声器1，使扬声器1发射特定频率的正弦压力波，扬声器1产生的压力幅值与频率尽可能高。

一种压力敏感涂料动态特性测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、提供如上所述测量装置，保证测量环境为黑环境，没有杂光；

步骤二、开启光源4，光源4发射的光透过光学玻璃3片后照射PSP涂料2上，使PSP涂料2发光；

步骤三、开启信号发生器10和扬声器1，信号发生器10发出参考频率Fref＝10Hz的正弦波电信号，经过功率放大器9放大后，发送至扬声器1，使其发出相同频率的压力波；

步骤四、光电倍增管5采集波动的PSP涂料2发光信号，动态压力传感器7同步采集波动的PSP涂料2压力信号，示波器8测量PSP发光信号的幅值Iref和压力信号幅值Pref，并通过两个信号的波形，计算相位差Vref；

步骤五、以步长为1Hz调整信号发生器10的频率，使扬声器1发出频率为Fi的正弦压力波，调整功率放大器9，使扬声器1发出的压力幅值仍为Pref；示波器8测量此时PSP涂料2发光信号的幅值Ii和相位差Vi；

步骤六、反复执行步骤五，当幅值Ii下降至Iref一半时，对应的频率记作PSP涂料2的截止频率；当幅值Ii接近0时，对应的频率记为PSP涂料2的最大频率，相应频率的相位差为Vi-Vref。

经测试，本发明所述测量装置可产生任意频率的连续正弦压力波，频率精度不超过0.01Hz。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。