壓力敏感涂料技術(shù)PSP技術(shù)基本原理

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(shí)驗(yàn)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(jī)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(fù)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(yùn)動(dòng)形式傳向周圍介質(zhì)，這種衰減廣泛存在于一電子能級(jí)較高的狀態(tài)如S1,S2和T,c(2)位于較高能級(jí)的分子通過化合價(jià)電子配對(duì)和分子振動(dòng)弛豫降低能級(jí)(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(jí)。對(duì)于第3種類型，當(dāng)有外部分子滲透或擴(kuò)散進(jìn)人涂料時(shí)，通過碰撞傳遞能量，降低PSP分子發(fā)光強(qiáng)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(shí)所處的能態(tài)要比發(fā)出磷光時(shí)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(shí)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(shí)間尺度為

PSP系統(tǒng)分為涂料應(yīng)用、燈光和圖像獲取、圖像處理等子系統(tǒng)，有一套嚴(yán)格的操作程字。噴涂PSP之前在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻娓采w防氧滲透和擴(kuò)散的底漆，噴涂后需保存于暗室內(nèi)。由于溫度會(huì)影響氧分子在涂料中的滲透或擴(kuò)散速度，從而彩響發(fā)光強(qiáng)度，理論上涂料工作溫度為常數(shù)的假定，不能滿足實(shí)際情況，需要引人溫度敏感涂料（Temperature Sensitive Paint,TSP）進(jìn)行修正。另外，為獲得三維圖像，還需對(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻孢M(jìn)行標(biāo)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。

二十世紀(jì)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(jìn)行飛行器、葉輪機(jī)械流場(chǎng)研究，存在著安裝困難、測(cè)量范圍有限、損害流面連續(xù)性，改變和干擾流場(chǎng)特性等缺點(diǎn)。二十世紀(jì)后期，生物化學(xué)、光學(xué)、信息技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)等學(xué)科的重大進(jìn)展，推動(dòng)了一種概念全新的先進(jìn)壓力測(cè)量技術(shù)，即壓力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint，PSP)技術(shù)。這是無插人式表面全域壓力分布光學(xué)測(cè)量技術(shù)，以壓力敏感材料為涂料覆蓋于測(cè)量表面，以激光或紫外線燈為激發(fā)光源，誘導(dǎo)涂料發(fā)出熒光或磷光，利用空氣介質(zhì)中的氧分子對(duì)壓力敏感材料發(fā)光的“猝熄”作用，通過CCD相機(jī)(CCD camera)將實(shí)驗(yàn)物體表面涂層熒光或磷光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換為偽彩色圖像，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)獲取表面壓力分布狀況。其優(yōu)點(diǎn)就在于可探測(cè)范圍廣、成本較低、準(zhǔn)備時(shí)間短，較好地解決了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)引起的流場(chǎng)干擾問題，在航空航天、葉輪機(jī)械和汽車制造等領(lǐng)域具有極廣的應(yīng)用前景。

早在1930年空氣中氧氣影響某些特殊物質(zhì)發(fā)光強(qiáng)度的現(xiàn)象已被發(fā)現(xiàn)。1980年P(guān)eterson和Fitzgerald首次應(yīng)用這種現(xiàn)象來檢測(cè)壓力，當(dāng)時(shí)熒光類PSP的氧敏感度和滲透性都很差，實(shí)驗(yàn)意義沒能得到應(yīng)有的重視。

20世紀(jì)80年代中期，俄羅斯莫斯科中央空氣動(dòng)力學(xué)研究院(TsAGI)與莫斯科大學(xué)率先共同開發(fā)了實(shí)用的PSP技術(shù)，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(yīng)用，先后與美國(guó)、歐洲共同開展PSP技術(shù)應(yīng)用的合作研究和交流。歐洲的各研究機(jī)構(gòu)如德國(guó)的DLR研究院、法國(guó)的ONERA、英國(guó)的航空宇航委員會(huì)瑞典的O德技術(shù)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(yīng)用的相關(guān)研究，意大利INTECO公司、意大利那不勒斯第二大學(xué)、歐洲空中客車公司研究機(jī)構(gòu)也開展了這方面的研究和應(yīng)用。

生物化學(xué)、信息技術(shù)和圖像處理技術(shù)位于世界領(lǐng)先地位的美國(guó)在PsP技術(shù)上發(fā)展得十分成熟，應(yīng)用成果也很豐富。二十世紀(jì)so年代后期，美國(guó)國(guó)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(xué)(UW)在美國(guó)率先應(yīng)用PSP技術(shù)。之后，其他研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)如賴實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)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(xué)(Purdue University)、佛羅里達(dá)大學(xué)(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(shù)的研發(fā)和應(yīng)用工作。美國(guó)軍方也十分重視PSP技術(shù)的應(yīng)用，美空軍宇航試驗(yàn)中心(Aerospace Testing Alliance)、阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)和空軍實(shí)驗(yàn)研究室(Air Force Research Laboratory)以及美海軍研究生學(xué)院(Naval Postgraduate School)也開展了應(yīng)用研究。國(guó)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(xiàng)開展PSP壽命期成像及其非常規(guī)應(yīng)用研究，蘭利研究中心主要負(fù)責(zé)研究涂料化學(xué)性質(zhì)，開發(fā)涂料種類，越來越多的美國(guó)大學(xué)也參與到PSP及其應(yīng)用技術(shù)的研究中，國(guó)內(nèi)合作和國(guó)際交流十分頻繁。美國(guó)重要發(fā)展研究計(jì)劃如“高循環(huán)疲勞(HCF )",“高速民用運(yùn)輸機(jī)( HSCT)"}“先進(jìn)亞音速技術(shù)(AST)”和“高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)綜合技術(shù)((IHPTET)”等不同程度地應(yīng)用了PSP技術(shù)。

在亞洲，日本、韓國(guó)和印度開展了PSP的開發(fā)和應(yīng)用研究。日本國(guó)家宇航實(shí)驗(yàn)室、空間與宇航研究院和東京大學(xué)的研究成果引人注目。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)高等學(xué)院進(jìn)行了提高全域壓力圖像質(zhì)量方面的研究，印度國(guó)家宇航實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)德國(guó)DLR研究院的涂料和測(cè)量系統(tǒng)，利用其1. 2 m大型跨音速風(fēng)洞對(duì)翼一身模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

PSP技術(shù)是涉及生物化學(xué)、光學(xué)、信息技術(shù)多種學(xué)科的綜合性應(yīng)用技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、動(dòng)力能源、汽車制造等領(lǐng)域。但應(yīng)看到，該技術(shù)還存在著諸如對(duì)涂料和儀器設(shè)備性能要求高，校正過程復(fù)雜，圖像捕獲與處理要求高等不足。也應(yīng)看到，隨著基礎(chǔ)學(xué)科的不斷發(fā)展和學(xué)科間不斷的交融匯合，該技術(shù)也將不斷地吸收新的成份向前發(fā)展，其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也將進(jìn)一步得以拓展。

（1）涂料種類向多樣化、集成化和無機(jī)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(dòng)PSP技術(shù)從外流應(yīng)用進(jìn)入內(nèi)流應(yīng)用，膠合劑從有機(jī)到無機(jī)，凝膠與溶膠的復(fù)合，提高了涂料性能。新型的雙發(fā)光體涂料(Biluminophor PSP)已進(jìn)人應(yīng)用階段，該涂料是將受激后發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)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(duì)溫度的校正過程，具有較清晰度和分辨率;為適應(yīng)較大壓力和溫度梯度變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，兩種壓力/溫度適應(yīng)范圍總體不同且局部相同的涂料混合物也已投人應(yīng)用，其兼有這兩種涂料各自優(yōu)點(diǎn)，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(shí)間響應(yīng)特性越來越受到關(guān)注和重視。

（2）多種手段和技術(shù)的綜合運(yùn)用已成為最佳而有效的解決方案。PSP技術(shù)由最初的光學(xué)強(qiáng)度分辨實(shí)驗(yàn)表面全域壓力分布，到隨后的依據(jù)涂料時(shí)間響應(yīng)特性和表面發(fā)光強(qiáng)度辨別壓力分布，分辨準(zhǔn)確性和精確程度明顯提高。隨著徐料應(yīng)用范圍的不斷拓寬和研究?jī)?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(dòng)PSP技術(shù)呈多樣化發(fā)展。從實(shí)驗(yàn)的角度來看，單一的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)和手段具有其固有的缺陷，已經(jīng)難于滿足人類對(duì)研究領(lǐng)域的好奇心。為此，多種測(cè)量技術(shù)和測(cè)量手段的綜合應(yīng)用，是人們現(xiàn)在和未來探究未知領(lǐng)域，檢驗(yàn)科學(xué)理論的試金石。 （3）儀器設(shè)備小型化，輔助設(shè)備多樣化將拓展PSP技術(shù)的應(yīng)用空間。PSP技術(shù)在葉輪機(jī)械的應(yīng)用主要是結(jié)構(gòu)和空間方面的困難帶來的。為解決這種困難，要實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的小型化，同時(shí)還要研究和發(fā)展有助于開展實(shí)驗(yàn)研究的輔助設(shè)備如光纖傳導(dǎo)設(shè)備、顯微設(shè)備等，使得該技術(shù)從對(duì)靜子和I級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)展至對(duì)全部葉輪機(jī)械部件的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

《電子學(xué)名詞》第一版

1993年，經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。