测量系统特性对压敏涂料校准影响的实验研究罗拉费琪
2022-06-27 18:06:31 蕃茄娱乐网
测量系统特性对压敏涂料校准影响的实验研究
光学压敏涂料测压技术是风洞试验中表面压力测量的一种新手段，具有表面全域无插入测量、对流场干扰小、空间分辨率高等特点。自２０世纪８０年代以来，ＰＳＰ测量技术不断发展、完善，已在流体动力学、空气动力学及航空航天等领域的研究中发挥着日益重要作用。文献［１］介绍了ＮＡＳＡ采用光学压敏测量技术进行了叶栅风洞和透平机叶片表面压力的测量，文献［２］介绍了德国应用该技术对飞机模型表面压力的测量。目前，欧、美、日等国已将光学压力测量技术广泛应用于各种气动实验测量［３?７］。自２０００年以来国内相关研究单位也相继启动了该测量技术的研究工作［８?９］。中国航空工业空气动力研究院已完成了ＰＳＰ技术在高速风洞中型号模型上的验证试验［１０］，西北工业大学完成了叶轮机械静子叶片的测量［１１］。压力校准实验是ＰＳＰ测压技术中重要的环节之一，所获校准曲线是决定测量结果精度的关键因素。本文以自行建立的光学压力测量校准系统和国产压敏涂料为基础［１２］，通过大量的校准实验和图像数据处理，研究了相机光圈和激发光强度对校准实验的影响，分析了影响压敏涂料特性的因素，并提出相应的解决方法与措施，为进一步开展光学压力测量技术的研究提供参考。
１ 测量系统
自行建立的压敏测量校准系统由激发光源、压力校准系统、图像采集系统和图像后处理软件构成［１３］，如图１所示。
图１ 压敏涂料测量系统示意图
激发光源系统是测量系统的核心部分，所发出的具有一定能量的紫外光用来激发涂料中的光敏分子使之产生能级的跃迁，从而发出不同于激发光波长的荧光。该激发光源由紫外光源和滤光器组成。所用紫外光源有２００Ｗ 和４００Ｗ 强弱两档功率，所发出的紫外光的波长范围为２００～７５０ｎｍ。所用涂料为中国科学院化学所研制的压敏涂料，该涂料最佳激发波长为３２０～３４０ｎｍ，所以在光源后加上了滤光器。压力校准系统用来提供１０ｋＰａ～４.５ ＭＰａ内的任意恒定压力。其基本形式为一个密封的压力舱，正面的有机玻璃用来透过激发光和荧光，背面有两个接口，一端接空压机或真空泵，另一端接压力表或真空表来显示压力。校准片为一方形金属块，先涂上白色环氧树脂底漆，再用喷枪涂上厚度为２０～４０μｍ 的压敏涂料，置于压力校准舱的中央。所用涂料属于芘类高分子有机物，在０～６０℃范围内光敏特性稳定，本次实验温度在此范围之内，所以校准舱的设计未考虑温度影响。
图像采集系统用来采集实验件在一定压力下受紫外光激发所发出的荧光图像。实验中所采用的图像采集器为一台１０位灰度的科学级ＣＣＤ相机，分辨率为１６００像素×１２００像素，通过自带软件可实现自动化采集，并将图片保存于计算机上。图片为ＴＩＦＦ格式，它具有扩展性、方便性、可改性等优点，方便后处理工作。但相机镜头背板、光圈等相机参数的设置均会对所采集荧光图像的亮度及拍摄角度有一定影响。采用专业的ＰＳＰ图像处理软件Ａｆｉｘ２对采集到的图像进行处理分析。该软件功能强大，可以对单张图像进行噪声剔除和光顺处理；也可以设定图像的显示范围以及伪彩色的显示；提取图中任意像素点的灰度值，以及该像素点周围多个像素点的平均灰度值；进行图像间基本的运算，修改灰度值；还可以完成由于相机视角变化引起的图像形变的复原等。
２ 实验原理与实验过程压敏涂料受到激发光的照射会根据所处环境压力发出不同强度的荧光，当环境压力变大时，涂料的氧猝灭效应增大，使涂料的发光强度减弱，这样一定压力就对应一定的荧光强度图像。测量系统与环境会对所采集的图像产生影响，为了建立更为准确的压力与荧光强度之间的关系，通常采用压力和光强的相对值来表示两者之间的相互关系，即用Ｓｔｅｒｎ?Ｖｏｌｍｅｒ关系式表示：
校准实验时测量系统的布置如图２所示。测量系统的布置应该综合考虑光照角度、光照均匀度、图像采集、拍摄角度、反光以及环境光线等的影响。要获得较好的成像质量，理论上光源所发出的光应该垂直地照射到校准片表面；相机镜头平面应与实验件表面平行，尽可能地减小成像变形。但由于相机和光源尺寸的限制，不可能完全做到以上要求，但应尽量接近；同时，放置相机时还应避开校准舱上有机玻璃对激发光的反射；为保证更好的实验效果，实验环境尽可能保持黑环境，以避免对实验结果的光污染；实验时首先开启激发光源，等待半小时待激发光源稳定后再进行实验，同时由于激发光源发热量大，为了避免温度升高对激光发光质量的影响，所以实验中使用一台鼓风机对激发光源降温。
压力校准的范围应包含实际实验测量时的所有压力，因此进行较大压力范围校准实验以获取完整压力范围的压敏涂料校准曲线，可以确保包含实际实验的所有压力变化，保证光学压力测量的精度，同时也可对实验所用压敏涂料的压力适用性及压力敏感性进行检测。校准实验中，压力的变化范围为２７.４～２１７.４ｋＰａ，每隔１０ｋＰａ压力变化一次；当压力调节好后，应该等待压力校准舱中的压力稳定后再采集该组图像。由于激发光强弱和相机光圈大小都会影响所采集荧光图像的亮度，继而会影响光学压力测量的精度，所以本次校准实验研究了激发光强度、相机光圈值对压力校准曲线的影响。校准实验分别在５个不同相机光圈值和两个不同强度激发光下进行：５个光圈Ｆ 值分别为２.８、４.０、５.６、８.０和１１.０；两个强度激发光源功率为２００Ｗ 与４００Ｗ。实验中ＣＣＤ相机自身有暗电流的存在，会产生噪声等影响［１４］，加之ＣＣＤ相机本身的输入输出是非线性关系，也会影响实验结果。为了减小系统误差，对每一工况下采集２０张图像求平均值，每张图像采集时间为０.２ｓ。图像处理结果表明：在同一个压力下的２０张图像中，每张图像的灰度值与平均值相差不过０.６％。
图３给出的是以伪彩色显示的一张实验中采集的图像。由图可见，同一压力下校准片压敏涂料所发出的荧光强度并不完全一致，图像上有强光区和弱光区，这是由于光照的均匀性、有机玻璃的透光与反光、涂料中光敏分子分布的不均匀性、实验件的布置和相机等一些实验条件的影响所致。为了消除同一压力下发光不均匀的影响，首先对所采集的荧光图像进行背景光和暗电流的剔除处理，随后，以当地大气状态为参考，对采集的荧光图像与参考状态的荧光图像进行了比运算，获得处理结果图像。图４为以伪彩色显示的处理后的图像，由图可见，经过比运算后光照的不均匀
影响已基本消除，获得相对压力下的荧光图像。
应用软件在处理结果图像上取某一点周围的２０个像素点灰度平均值即式中的灰度比Ｉ０／Ｉ，用此时的压力ｐ 比当地大气压得到式中的ｐ／ｐ０，从而获得该采样点的一对值。对所有采样点用最小二乘法拟合，即得到了光学压敏涂料的校准曲线。根据对图像的处理方法和式可知，校准曲线为压力相对值与光强相对值来表示，因此理论上测量系统的设置应该不会影响到校准曲线的结果，但经过本文大量的实验发现，激发光和相机光圈是测试系统中影响校准曲线的主要因素。
３ 实验结果分析
３.１ 激发光强度对校准的影响
图５和图６分别给出的是激发光源功率在２００Ｗ 和４００Ｗ 时典型压力下所采集到的图像，两个实验的相机光圈值Ｆ＝２.８。如图５所示，所有压力下压敏涂料所发出的荧光的亮度均较暗，且图像的荧光强度随着压力的变化有一定变化，但变化非常小。这主要是因为较弱的激发光强度不足以激发光敏分子的大能量跃迁，使得光敏分子所发的荧光也较弱。当光源强度增加到４００Ｗ时，所采集到的同一压力下的图像与图５相比亮度明显增加，而且图像亮度随着压力的增大而逐渐变弱，压敏涂料所发荧光光强随压力的变化非常明显。这正如压敏涂料的特性，压力越大，氧猝灭效应越强，从而荧光图像就越暗。比较图５和图６得知，当激发光源的功率为４００ Ｗ时，压敏涂料对压力更为敏感。
图６ 激发光源４００Ｗ 时的荧光图像
图７是不同光圈值下采用两种激发光时得到的校准曲线。如图７所示，压比都随着灰度比的增大而增大，且激发光源强度为４００Ｗ 时得到的校准曲线更为陡峭，采样点分布也更规律，满足式，这表明当激发光源的功率为４００Ｗ 时，所发出的激发光对压敏涂料有更好的激发性，涂料所发的荧光强度对环境压力更为敏感。而激发光源２００Ｗ 时采样点分布散乱，式已不能反映采样点的分布规律。更为明显的是，当Ｆ＝２.８）时，激发光功率为２００Ｗ 时的校准曲线达到一个峰值后压比随着灰度比开始下降，很显然，在此范围内所得到的光强?压力校准曲线并不单调，若应用于实际压力测量时会导致错误的测量结果。
图７ 不同激发光时的校准曲线
对光学压敏涂料测量技术和测量原理分析可知，当激发光太弱时，涂料中光敏分子的外层电子不易受到激发产生能级的跃迁发出荧光，即使发出微弱的荧光也会被少量的氧猝灭，以致当环境压力变化时，灰度变化不明显，加之此时图像的信噪比较小，导致采样点分布不规律。因此，在组建光学压力测量系统时，应注意对激发光源强度的选择。
３.２ 光圈对校准的影响
从图７中还可发现，相机光圈值的设置也会对校准曲线有一定的影响。因此，本文还开展了光圈对校准曲线影响的研究。即在光源为４００Ｗ 时，做了５组光圈下的实验。由于篇幅所限并结合图６，在此给出光圈值分别为５.６和１１.０两种光圈时的所采集的荧光图像。由图看出，同一光圈下，随着环境压力的增大，荧光图像逐渐变暗，这与图６的趋势一致。综合比较光圈值分别为２.８，５.６和１１.０时所采集的荧光图像，光圈值越大所采集的荧光图像越暗，随压力的变化也较弱。这表明相机光圈的设置对所采集的荧光图像的荧光强度有一定影响，这主要因为当光圈值增大时，进入相机感光件上的光变少，因此所得图像越暗。
图１０给出的是激发光源为４００Ｗ 时不同光圈值的校准曲线。图中，在每一个光圈值下根据测量采样点所得到的校准线在本文环境压力范围内呈单调性，光强随着压力的增大而增大。在负压时，校准曲线的斜率较大；到了正压时，校准曲线斜率逐渐减小。这是因为在一定的光强下，当压力逐渐增大，图像变暗，信噪比减小，导致在高压区时的曲线斜率减小。另外，观察图１０中的所有曲线发现，Ｆ＝２.８和Ｆ＝４.０时的校准曲线很接近，但随着光圈值的增大，校准曲线的斜率也随之变大，且相邻曲线间的差距也越来越大，体现在校准曲线上的压敏特性更为明显。根据式，压敏涂料的校准曲线是反映压比与光强比的关系，所得到的校准曲线与所采集图像的亮暗无关。这是因为光圈变大时，透过镜头的光量会减少，图像较暗，但是微弱的干扰光就不能进入到相机感光器件，致使图像的信噪比增大，即采集到较单一的荧光图像，所以其拟合的校准曲线斜率较大。
４ 结 论
光学压力测量技术是一种新型的测压技术，具有高空间分辨率、对流场无干扰等优点。本文对国产压敏涂料开展了大量的校准实验，着重研究了激发光强、ＣＣＤ相机光圈值在压敏感涂料校准中的影响。实验结果表明：
经过比运算可以消除系统和光照不均匀对压敏涂料发光的影响。
激发光需具有一定强度，激发光的强度要足以使涂料中的光敏分子产生能级的跃迁产生。
相机的光圈值越大，所得到的图像信噪比越大，获得的压敏涂料校准曲线斜率越大。
为了进一步考察图像采集系统的对压敏涂料标定曲线的影响，在以后的研究中将采用光电倍增管作为图像采集系统来取代ＣＣＤ相机。
致 谢
中国科学院化学研究所高分子物理化学国家重点实验室的金熹高研究员和陈柳生研究员无偿地提供了本文研究所用的压敏涂料，对本文实验结果进行了启发式探讨，在此表示衷心感谢。