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光學壓敏涂料（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅＰａｉｎｔ，ＰＳＰ）測壓技術是風洞試驗中表面壓力測量的一種新手段，具有表面全域無插入測量、對流場干擾小、空間分辨率高等特點。自２０世紀８０年代以來，ＰＳＰ測量技術不斷發展、完善，已在流體動力學、空氣動力學及航空航天等領域的研究中發揮著日益重要作用。文獻［１］介紹了ＮＡＳＡ采用光學壓敏測量技術進行了葉柵風洞和透平機葉片表面壓力的測量，文獻［２］介紹了德國應用該技術對飛機模型表面壓力的測量。目前，歐、美、日等國已將光學壓力測量技術廣泛應用于各種氣動實驗測量［３?７］。自２０００年以來國內相關研究單位也相繼啟動了該測量技術的研究工作［８?９］。中國航空工業空氣動力研究院已完成了ＰＳＰ技術在高速風洞中型號模型上的驗證試驗［１０］，西北工業大學完成了葉輪機械靜子葉片的測量［１１］。壓力校準實驗是ＰＳＰ測壓技術中重要的環節之一，所獲校準曲線是決定測量結果精度的關鍵因素。本文以自行建立的光學壓力測量校準系統和國產壓敏涂料為基礎［１２］，通過大量的校準實驗和圖像數據處理，研究了相機光圈和激發光強度對校準實驗的影響，分析了影響壓敏涂料特性的因素，并提出相應的解決方法與措施，為進一步開展光學壓力測量技術的研究提供參考。

１　測量系統

自行建立的壓敏測量校準系統由激發光源、壓力校準系統、圖像采集系統和圖像后處理軟件構成［１３］，如圖１所示。

圖１　壓敏涂料測量系統示意圖

激發光源系統是測量系統的核心部分，所發出的具有一定能量的紫外光用來激發涂料中的光敏分子使之產生能級的躍遷，從而發出不同于激發光波長的熒光。該激發光源由紫外光源和濾光器組成。所用紫外光源有２００Ｗ 和４００Ｗ 強弱兩檔功率，所發出的紫外光的波長范圍為２００～７５０ｎｍ。所用涂料為中國科學院化學所研制的壓敏涂料，該涂料最佳激發波長為３２０～３４０ｎｍ，所以在光源后加上了濾光器。壓力校準系統用來提供１０ｋＰａ～４.５ ＭＰａ內的任意恒定壓力。其基本形式為一個密封的壓力艙，正面的有機玻璃用來透過激發光和熒光，背面有兩個接口，一端接空壓機或真空泵，另一端接壓力表或真空表來顯示壓力。校準片為一方形金屬塊，先涂上白色環氧樹脂底漆，再用噴槍涂上厚度為２０～４０μｍ 的壓敏涂料，置于壓力校準艙的中央。所用涂料屬于芘類高分子有機物，在０～６０℃范圍內光敏特性穩定，本次實驗溫度在此范圍之內，所以校準艙的設計未考慮溫度影響。

圖像采集系統用來采集實驗件在一定壓力下受紫外光激發所發出的熒光圖像。實驗中所采用的圖像采集器為一臺１０位灰度的科學級ＣＣＤ相機，分辨率為１６００像素×１２００像素，通過自帶軟件可實現自動化采集，并將圖片保存于計算機上。圖片為ＴＩＦＦ格式，它具有擴展性、方便性、可改性等優點，方便后處理工作。但相機鏡頭背板、光圈等相機參數的設置均會對所采集熒光圖像的亮度及拍攝角度有一定影響。采用專業的ＰＳＰ圖像處理軟件Ａｆｉｘ２對采集到的圖像進行處理分析。該軟件功能強大，可以對單張圖像進行噪聲剔除和光順處理；也可以設定圖像的顯示范圍以及偽彩色的顯示；提取圖中任意像素點的灰度值，以及該像素點周圍多個像素點的平均灰度值；進行圖像間基本的運算，修改灰度值；還可以完成由于相機視角變化引起的圖像形變的復原等。

２　實驗原理與實驗過程

壓敏涂料受到激發光的照射會根據所處環境壓力發出不同強度的熒光，當環境壓力變大時，涂料的氧猝滅效應增大，使涂料的發光強度減弱，這樣一定壓力就對應一定的熒光強度圖像。測量系統與環境會對所采集的圖像產生影響，為了建立更為準確的壓力與熒光強度之間的關系，通常采用壓力和光強的相對值來表示兩者之間的相互關系，即用Ｓｔｅｒｎ?Ｖｏｌｍｅｒ關系式表示：

校準實驗時測量系統的布置如圖２所示。測量系統的布置應該綜合考慮光照角度、光照均勻度、圖像采集、拍攝角度、反光以及環境光線等的影響。要獲得較好的成像質量，理論上光源所發出的光應該垂直地照射到校準片表面；相機鏡頭平面應與實驗件表面平行，盡可能地減小成像變形。但由于相機和光源尺寸的限制，不可能完全做到以上要求，但應盡量接近；同時，放置相機時還應避開校準艙上有機玻璃對激發光的反射；為保證更好的實驗效果，實驗環境盡可能保持黑環境，以避免對實驗結果的光污染；實驗時首先開啟激發光源，等待半小時待激發光源穩定后再進行實驗，同時由于激發光源發熱量大，為了避免溫度升高對激光發光質量的影響，所以實驗中使用一臺鼓風機對激發光源降溫。

壓力校準的范圍應包含實際實驗測量時的所有壓力，因此進行較大壓力范圍校準實驗以獲取完整壓力范圍的壓敏涂料校準曲線，可以確保包含實際實驗的所有壓力變化，保證光學壓力測量的精度，同時也可對實驗所用壓敏涂料的壓力適用性及壓力敏感性進行檢測。校準實驗中，壓力的變化范圍為２７.４～２１７.４ｋＰａ，每隔１０ｋＰａ壓力變化一次；當壓力調節好后，應該等待壓力校準艙中的壓力穩定后再采集該組圖像。由于激發光強弱和相機光圈大小都會影響所采集熒光圖像的亮度，繼而會影響光學壓力測量的精度，所以本次校準實驗研究了激發光強度、相機光圈值對壓力校準曲線的影響。校準實驗分別在５個不同相機光圈值和兩個不同強度激發光下進行：５個光圈Ｆ 值分別為２.８、４.０、５.６、８.０和１１.０；兩個強度激發光源功率為２００Ｗ 與４００Ｗ。實驗中ＣＣＤ相機自身有暗電流的存在，會產生噪聲等影響［１４］，加之ＣＣＤ相機本身的輸入輸出是非線性關系，也會影響實驗結果。為了減小系統誤差，對每一工況下采集２０張圖像求平均值，每張圖像采集時間為０.２ｓ。圖像處理結果表明：在同一個壓力下的２０張圖像中，每張圖像的灰度值與平均值相差不過０.６％。

圖３給出的是以偽彩色顯示的一張實驗中采集的圖像。由圖可見，同一壓力下校準片壓敏涂料所發出的熒光強度并不完全一致，圖像上有強光區和弱光區，這是由于光照的均勻性、有機玻璃的透光與反光、涂料中光敏分子分布的不均勻性、實驗件的布置和相機等一些實驗條件的影響所致。為了消除同一壓力下發光不均勻的影響，首先對所采集的熒光圖像進行背景光和暗電流的剔除處理，隨后，以當地大氣狀態為參考，對采集的熒光圖像與參考狀態的熒光圖像進行了比運算，獲得處理結果圖像。圖４為以偽彩色顯示的處理后的圖像，由圖可見，經過比運算后光照的不均勻

影響已基本消除，獲得相對壓力下的熒光圖像。

應用軟件在處理結果圖像上取某一點周圍的２０個像素點灰度平均值即式（１）中的灰度比Ｉ０／Ｉ，用此時的壓力ｐ 比當地大氣壓得到式（１）中的ｐ／ｐ０，從而獲得該采樣點的一對值。對所有采樣點用最小二乘法擬合，即得到了光學壓敏涂料的校準曲線。根據對圖像的處理方法和式（１）可知，校準曲線為壓力相對值與光強相對值來表示，因此理論上測量系統的設置應該不會影響到校準曲線的結果，但經過本文大量的實驗發現，激發光和相機光圈是測試系統中影響校準曲線的主要因素。

３　實驗結果分析

３.１　激發光強度對校準的影響

圖５和圖６分別給出的是激發光源功率在２００Ｗ 和４００Ｗ 時典型壓力下所采集到的圖像，兩個實驗的相機光圈值Ｆ＝２.８。如圖５所示，所有壓力下壓敏涂料所發出的熒光的亮度均較暗，且圖像的熒光強度隨著壓力的變化有一定變化，但變化非常小。這主要是因為較弱的激發光強度不足以激發光敏分子的大能量躍遷，使得光敏分子所發的熒光也較弱。當光源強度增加到４００Ｗ時（見圖６），所采集到的同一壓力下的圖像與圖５相比亮度明顯增加，而且圖像亮度隨著壓力的增大而逐漸變弱，壓敏涂料所發熒光光強隨壓力的變化非常明顯。這正如壓敏涂料的特性，壓力越大，氧猝滅效應越強，從而熒光圖像就越暗。比較圖５和圖６得知，當激發光源的功率為４００ Ｗ時，壓敏涂料對壓力更為敏感。

圖６　激發光源４００Ｗ 時的熒光圖像

圖７是不同光圈值下采用兩種激發光時得到的校準曲線。如圖７所示，壓比都隨著灰度比的增大而增大，且激發光源強度為４００Ｗ 時得到的校準曲線更為陡峭，采樣點分布也更規律，滿足式（１），這表明當激發光源的功率為４００Ｗ 時，所發出的激發光對壓敏涂料有更好的激發性，涂料所發的熒光強度對環境壓力更為敏感。而激發光源２００Ｗ 時采樣點分布散亂，式（１）已不能反映采樣點的分布規律。更為明顯的是，當Ｆ＝２.８（見圖７（ａ））時，激發光功率為２００Ｗ 時的校準曲線達到一個峰值后壓比隨著灰度比開始下降，很顯然，在此范圍內所得到的光強?壓力校準曲線并不單調，若應用于實際壓力測量時會導致錯誤的測量結果。

圖７　不同激發光時的校準曲線

對光學壓敏涂料測量技術和測量原理分析可知，當激發光太弱時，涂料中光敏分子的外層電子不易受到激發產生能級的躍遷發出熒光，即使發出微弱的熒光也會被少量的氧猝滅，以致當環境壓力變化時，灰度變化不明顯，加之此時圖像的信噪比較小，導致采樣點分布不規律。因此，在組建光學壓力測量系統時，應注意對激發光源強度的選擇。

３.２　光圈對校準的影響

從圖７中還可發現，相機光圈值的設置也會對校準曲線有一定的影響。因此，本文還開展了光圈對校準曲線影響的研究。即在光源為４００Ｗ 時，做了５組光圈下的實驗。由于篇幅所限并結合圖６（Ｆ＝２.８），在此給出光圈值分別為５.６（見圖８）和１１.０（見圖９）兩種光圈時的所采集的熒光圖像。由圖看出，同一光圈下，隨著環境壓力的增大，熒光圖像逐漸變暗，這與圖６的趨勢一致。綜合比較光圈值分別為２.８，５.６和１１.０時所采集的熒光圖像，光圈值越大所采集的熒光圖像越暗，隨壓力的變化也較弱。這表明相機光圈的設置對所采集的熒光圖像的熒光強度有一定影響，這主要因為當光圈值增大時，進入相機感光件上的光變少，因此所得圖像越暗。

圖１０給出的是激發光源為４００Ｗ 時不同光圈值的校準曲線。圖中，在每一個光圈值下根據測量采樣點所得到的校準線在本文環境壓力范圍內呈單調性，光強隨著壓力的增大而增大。在負壓（ｐ／ｐ０＜１.０）時，校準曲線的斜率較大；到了正壓（ｐ／ｐ０＞１.０）時，校準曲線斜率逐漸減小。這是因為在一定的光強下，當壓力逐漸增大，圖像變暗，信噪比減小，導致在高壓區時的曲線斜率減小。另外，觀察圖１０中的所有曲線發現，Ｆ＝２.８和Ｆ＝４.０時的校準曲線很接近，但隨著光圈值的增大，校準曲線的斜率也隨之變大，且相鄰曲線間的差距也越來越大，體現在校準曲線上的壓敏特性更為明顯。根據式（１），壓敏涂料的校準曲線是反映壓比與光強比的關系，所得到的校準曲線與所采集圖像的亮暗無關。這是因為光圈變大時，透過鏡頭的光量會減少，圖像較暗，但是微弱的干擾光就不能進入到相機感光器件，致使圖像的信噪比增大，即采集到較單一的熒光圖像，所以其擬合的校準曲線斜率較大。

４　結　論

光學壓力測量技術是一種新型的測壓技術，具有高空間分辨率、對流場無干擾等優點。本文對國產壓敏涂料開展了大量的校準實驗，著重研究了激發光強、ＣＣＤ相機光圈值在壓敏感涂料校準中的影響。實驗結果表明：

（１）經過比運算可以消除系統和光照不均勻對壓敏涂料發光的影響。

（２）激發光需具有一定強度，激發光的強度要足以使涂料中的光敏分子產生能級的躍遷產生。

（３）相機的光圈值越大，所得到的圖像信噪比越大，獲得的壓敏涂料校準曲線斜率越大。

為了進一步考察圖像采集系統的對壓敏涂料標定曲線的影響，在以后的研究中將采用光電倍增管作為圖像采集系統來取代ＣＣＤ相機。

致　謝

中國科學院化學研究所高分子物理化學國家重點實驗室的金熹高研究員和陳柳生研究員無償地提供了本文研究所用的壓敏涂料，對本文實驗結果進行了啟發式探討，在此表示衷心感謝。