壓力敏感涂料技術背景

二十世紀80年代之前，人們通過傳統(tǒng)的植人傳感器或陣列傳感器的方式進行飛行器、葉輪機械流場研究，存在著安裝困難、測量范圍有限、損害流面連續(xù)性，改變和干擾流場特性等缺點。二十世紀后期，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，即壓力敏感涂料(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，以壓力敏感材料為涂料覆蓋于測量表面，以激光或紫外線燈為激發(fā)光源，誘導涂料發(fā)出熒光或磷光，利用空氣介質(zhì)中的氧分子對壓力敏感材料發(fā)光的“猝熄”作用，通過CCD相機(CCD camera)將實驗物體表面涂層熒光或磷光強度變化轉換為偽彩色圖像，應用計算機圖形處理技術獲取表面壓力分布狀況。其優(yōu)點就在于可探測范圍廣、成本較低、準備時間短，較好地解決了傳統(tǒng)檢測技術引起的流場干擾問題，在航空航天、葉輪機械和汽車制造等領域具有極廣的應用前景。

壓力敏感涂料(PSP)就是以壓力敏感材料分子為主體，選用易于氧分子滲透的膠合體為粘接劑，具有光致發(fā)光和氧“碎熄”特性的可牢固附著于實驗物體表面的混合物。作為涂料主體的PSP分子有磷光和熒光兩大類，其光致發(fā)光機理如圖1所示。受到所需的電磁輻射或光照射后，經(jīng)過一系列復雜過程才能使分子的電子能態(tài)回到基態(tài)。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(guī)則熱運動形式傳向周圍介質(zhì)，這種衰減廣泛存在于一電子能級較高的狀態(tài)如S1,S2和T,c(2)位于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(fā)出熒光(d)或磷光(g)降低電子能級。對于第3種類型，當有外部分子滲透或擴散進人涂料時，通過碰撞傳遞能量，降低PSP分子發(fā)光強度，出現(xiàn)所謂的“猝熄"(e)現(xiàn)象。由圖1可知，PSP分子發(fā)出熒光時所處的能態(tài)要比發(fā)出磷光時的能態(tài)高，這兩種光致發(fā)光現(xiàn)象不僅在于光譜特性的不同，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，熒光材料的時間尺度為

PSP系統(tǒng)分為涂料應用、燈光和圖像獲取、圖像處理等子系統(tǒng)，有一套嚴格的操作程字。噴涂PSP之前在實驗模型表面覆蓋防氧滲透和擴散的底漆，噴涂后需保存于暗室內(nèi)。由于溫度會影響氧分子在涂料中的滲透或擴散速度，從而彩響發(fā)光強度，理論上涂料工作溫度為常數(shù)的假定，不能滿足實際情況，需要引人溫度敏感涂料（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，有助于改善圖像質(zhì)量，提高分辨率。

早在1930年空氣中氧氣影響某些特殊物質(zhì)發(fā)光強度的現(xiàn)象已被發(fā)現(xiàn)。1980年Peterson和Fitzgerald首次應用這種現(xiàn)象來檢測壓力，當時熒光類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(fā)了實用的PSP技術，并與意大利IN TECO公司聯(lián)合開發(fā)出商用PSP，之后，研究院專門成立了OPTROD公司，從事PSP的研發(fā)和應用，先后與美國、歐洲共同開展PSP技術應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、意大利宇航研究中心、瑞士的RUAG Aerospace都相繼開展了PSP及其應用的相關研究，意大利INTECO公司、意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應用。

生物化學、信息技術和圖像處理技術位于世界領先地位的美國在PsP技術上發(fā)展得十分成熟，應用成果也很豐富。二十世紀so年代后期，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)在美國率先應用PSP技術。之后，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(fā)和應用工作。美國軍方也十分重視PSP技術的應用，美空軍宇航試驗中心(Aerospace Testing Alliance)、阿諾德工程發(fā)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)也開展了應用研究。國家航空和宇宙航行局的埃姆斯研究中心專門從事軟件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(guī)應用研究，蘭利研究中心主要負責研究涂料化學性質(zhì)，開發(fā)涂料種類，越來越多的美國大學也參與到PSP及其應用技術的研究中，國內(nèi)合作和國際交流十分頻繁。美國重要發(fā)展研究計劃如“高循環(huán)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(fā)動機綜合技術((IHPTET)”等不同程度地應用了PSP技術。

在亞洲，日本、韓國和印度開展了PSP的開發(fā)和應用研究。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(zhì)量方面的研究，印度國家宇航實驗室引進德國DLR研究院的涂料和測量系統(tǒng)，利用其1. 2 m大型跨音速風洞對翼一身模型進行了實驗。

PSP技術是涉及生物化學、光學、信息技術多種學科的綜合性應用技術，已廣泛應用于航空航天、動力能源、汽車制造等領域。但應看到，該技術還存在著諸如對涂料和儀器設備性能要求高，校正過程復雜，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(fā)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(fā)展，其應用范圍和領域也將進一步得以拓展。

（1）涂料種類向多樣化、集成化和無機化方向發(fā)展。過去十年間，涂料從熒光類物質(zhì)發(fā)展到磷光類物質(zhì)，推動PSP技術從外流應用進入內(nèi)流應用，膠合劑從有機到無機，凝膠與溶膠的復合，提高了涂料性能。新型的雙發(fā)光體涂料(Biluminophor PSP)已進人應用階段，該涂料是將受激后發(fā)光強度隨時間變化相近的壓力敏感涂料和溫度敏感涂料的混合物，可省去常規(guī)涂料對溫度的校正過程，具有較清晰度和分辨率;為適應較大壓力和溫度梯度變化的實驗測量，兩種壓力/溫度適應范圍總體不同且局部相同的涂料混合物也已投人應用，其兼有這兩種涂料各自優(yōu)點，而適用范圍更廣;以陽極化金屬離子為膠合劑的涂料以其優(yōu)越的時間響應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，到隨后的依據(jù)涂料時間響應特性和表面發(fā)光強度辨別壓力分布，分辨準確性和精確程度明顯提高。隨著徐料應用范圍的不斷拓寬和研究內(nèi)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(fā)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(jīng)難于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應用，是人們現(xiàn)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技術的應用空間。PSP技術在葉輪機械的應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(xiàn)儀器設備的小型化，同時還要研究和發(fā)展有助于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(fā)展至對全部葉輪機械部件的實驗測量。

《電子學名詞》第一版

1993年，經(jīng)全國科學技術名詞審定委員會審定發(fā)布。