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压力敏感涂料（PSP）光学测压技术综述

摘要：压力敏感涂料压力测量技术起步于20世纪80年代，发展至今以趋于成熟。本文介绍了压力敏感涂料的特性，以及应用该涂料的PSP光学测压技术的原理、系统构成，分析了实验过程中需要注意的事项，消除误差的方法。
关键词：压力敏感涂料；压力测量；实验空气动力学

0.前言

压力敏感涂料（PressureSensitivePrint——PSP）是一种用于空气动力测量的无接触式压力测量技术。其主要原理是涂料中光敏分子受到照射激发后辐射出可见荧光或磷光，以及空气中的氧分子对受激光敏分子产生“氧猝灭”效应的特点，从而使荧光的强度或寿命随着表面压力的上升而下降，并且采用光学方法捕获空气流动中覆盖有涂料涂层的物体表面的图像，利用图像和图形处理手段计算得到该表面全域压力分布。
与传统的压力测量方式相比，该技术的优势在于：传感器与被测物体无接触、可应用于轻薄材料或者物体边缘；无需在模型表面打测压孔，所以不会破坏被测物体表面流场结构；获得的压力数据是连续而且大范围的；测压模型的制造较为简单，节省了测量成本和时间。
该技术从上世纪80年代开始发展，近十年来收到国内学者关注，现在已经在飞行器风洞实验中得到了应用，技术也已趋于成熟。

测量原理

PSP是由掺入光致发光微粒的粘合剂组成，其应用技术基于量子力学和光化学原理，利用了PSP受激后辐射出可见荧光和氧猝灭效应。氧猝灭效应是指，当处于基态的氧分子与处于激发态的荧光物质的分子碰撞时，氧分子会将荧光物质分子多余的能量夺过来使自己变成激发态，而荧光物质分子返回到基态且不发射任何光子。氧分子这种效应的群体作用使荧光物质发出的荧光减弱，故称为“猝灭效应”。涂料表面氧浓度越高，猝灭效应越强，荧光越弱。
测量具体原理是：将PSP喷涂到被测模型表面，用特定波长的激光照射，可激发出荧光。由于该荧光可被氧猝灭，而模型表面的压力上升将使氧浓度增加，所以PSP受激后辐射的荧光强度将随涂料表面的压力变化。该荧光强度场与氧浓度之间的关系可通过Stem-Volmer方程表示：
（1）
式中，I0为无淬灭剂存在时PSP被激发的荧光强度；I为有淬灭剂（氧）存在时PSP被激发的荧光强度：KSV为Stem-Volmer淬灭常数；Q为淬灭剂浓度。当在模型表面喷涂包含有荧光压力传感器并允许氧可穿透的PSP层时，它在合适的激发光照射下，荧光压力传感器可发出荧光。受激荧光压力传感器荧光猝灭速度正比于在PSP层中氧的渗透浓度和氧的扩散系数。按照亨利定理，在PSP层中的氧的分压正比于在它外层氧的偏压，即。也就是说，荧光压力传感器的荧光输出强度反比于在PSP化合物表面上方氧的偏压，可表示为：
（2）
式中，P为测量压力、P0为参考状态下的压力，、分别是与温度T有关的函数，反映了该涂料的温度效应。然后使用电荷耦器件（CCD）阵列数字摄像机作为传感器，拍摄记录待测表面的辐射荧光强度，就可以根据式（2）计算得出待测表面的空气压力。
另有基于荧光发光寿命的测量方法，其使用的表达式形式和式（2）比较接近，只是将发光强度I替换为发光延迟时间，在此表达式就不单独列出。

PSP光学测压系统构成

系统一般由涂有PSP涂料的实验物体、激励光源、图像采集系统、图像处理和控制部分等子系统组成，如图1所示。

图1PSP测量系统组成与涂层结构

压力敏感涂料（PSP）：是在一种可透氧的基质材料（粘合剂）中加入某种发光分子（发光体），具有光致发光和“氧猝灭”特性。根据测量的需要，压力敏感涂料的选择过程中主要应满足如下要求：
（1）对温度不敏感。不因风洞中温度的分布和变化而影响压力测量；
（2）粘合力强。不因吹风剪切力而使涂层剥落；
（3）机械、热力学和光学稳定性要好。涂料要在多次使用下有稳定的性能，涂料的光致漂白效应要小；
（4）涂料的均匀性及重复生产特性要好。易喷涂、清除，表面光洁；
（5）响应时间要短。涂料的响应时间受氧扩散，涂料层厚度等多种因素的影响；
（6）发光强度高。辐出光强若高则实验准确度也可以提高，使尘埃，油滴等引起的干扰发光成为小量；
（7）高的压力灵敏度。单位压力的变化有大的辐出光强输出。

激发光源：激发光源是实现压敏涂料光致发光的关键因素，需要根据涂料特性选择具有一定波长及能量的激发光源。主要考虑的因素有：
由于温度会影响PSP测得压力，所以光源发热量要低，没有热辐射，以防对叶片表面温度造成影响而导致测量误差。
为了不对图像采集造成干扰，不能含有和涂层发出的光相同的光谱。
单色性好，光谱窄，否则必须加以滤光装置使得输出光波长一定。
发光效率高。如果是采用基于发光强度的测量法，需要光源输出稳定。
如应用于内流场等狭窄空间内的压力测量，光源的体积大小、结构是否紧凑也应当纳入考虑范围。
根据测量方式的不同，可以选择连续