CN115307807A - 无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统及其应用，测量系统包括标定箱以及位于标定箱内的：风洞(1)，用于提供测试用风压；模型(2)，用于负载压力敏感涂料；激发光源(3)，用于激发压力敏感涂料；高速相机(5)，用于采集发光图像，激发光源(3)和高速相机(5)位于模型(2)的上方；高速相机(5)和模型(2)之间设有光学滤镜(6)。该系统应用于测试压力敏感涂料在流场中的压力分布，具体包括以下步骤：制备并喷涂压力敏感涂料；标定样品；进行压力敏感涂料的压力分布测试。与现有技术相比，本发明消除了温度引起的测量误差，使得压力敏感涂料的测量过程不需要进行复杂的温度效应修正处理。

Description

无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统及其应用

技术领域

本发明涉及气动力学及流体力学测试技术领域，尤其涉及一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统及其应用。

背景技术

压力敏感涂料(PSP)是一种非接触式流场压力的光学测量技术。该技术利用一类压敏发光材料的“氧猝灭”效应，其光致发光过程会受到环境中氧分压的影响。基于该效应，即可建立PSP受到激发后的发射光强度与周围空气压力的定量关系。PSP技术与传统的流场测压技术如压力扫描阀、压力传感器等相比具有高空间分辨率、成本低、准备工作简单等诸多优势，目前已在国内外广泛应用于多种空气动力学实验中。

然而，PSP技术在应用于具有明显温度变化的模型表面压力测量，如跨音速/超音速风洞测量时，存在三个主要的挑战：

(1)PSP技术基于光致发光过程中的“氧猝灭”效应，并基于光强的变化来计算压力测量值。而大部分光致发光材料的发光光强都具有温度效应，其发光强度会随温度升高而降低，尤其对于压敏发光材料，其温度效应尤为突出，可达2％/℃。在跨音速/高音速风洞测量中，由于高速气流剧烈的气动加热效应，其模型表面的温度梯度可达40℃以上。常见的PSP的压力敏感性在0.4％/kPa-0.8％/kPa之间，因此在跨音速/超音速风洞中由于温度效应引起的压力测量误差高达100kPa以上。传统方法需要额外测量模型表面的温度分布来修正PSP的温度效应，通常采用温度敏感涂料(TSP)、或红外温度测量、或双组分压力敏感涂料的测量手段。但以上手段均需要额外布置实验设备和准备流程，严重影响实验效率，且都存在一定的缺陷，如TSP测量中无法保证TSP上的温度分布与PSP上的温度分布相同，红外温度测量受模型表面发射率的影响很大，双组分压力敏感漆则存在因光谱重叠和双相机空间位置误差引起的测量误差。

(2)在跨音速/超音速风洞测量中，由于配重振动形变等各方面考虑，对测试模型的材料有较高的要求。模型的气动外形也会随着研究内容的改变有不断的变化。因此，PSP应具有在不同形状不同材料模型上布置方便的能力。

(3)在跨音速/超音速风洞测量中模型表面的压力分布具有高度非定常的特性，压力脉动频率高达千赫兹级别。PSP的压力响应需要满足非定常测量的要求。同时高速的采集频率也对PSP的信号强度提出了很高的要求。

目前，国内外尚无能够同时解决上述三个问题的PSP涂料。US5965642A公开了一种稳态压力敏感涂料，采用氟化聚合物作为涂层材料，能够将压力敏感涂层的温度敏感性降低至0.4％/℃，提高压力测量的精度。然而，在跨音速/超音速风洞测量中仍会带来10kPa以上的温度误差，无法解决挑战1中描述的问题。此外，该专利提出的PSP为稳态PSP，涂层结构较为致密，仅能实现百赫兹级的动态响应，无法解决挑战3中描述的问题。

期刊《JOURNAL OF LUMINESCENCE》中发表的论文“A temperature-cancellationmethod of pressure-sensitive paint on porous anodic alumina using 1-Pyrenesulfonic acid”介绍了一种能够抵消温度效应的压敏涂料。该涂料基于阳极氧化铝涂层开发，利用单一发光材料的两个发光峰强度随温度的相反的变化趋势，实现了温度效应的抵消。其动态响应性能得到了提升，能实现千赫兹级的压力响应。但该涂料仅能应用于铝制模型表面，且制备时间长，过程复杂，无法解决上述挑战2中描述的问题。该涂料基于窄光谱波段(波段宽度小于40nm)内的抵消效应，其发光强度受到波段宽度的严重制约，无法解决挑战3中描述的问题。

期刊《JOURNAL OF LUMINESCENCE》中发表的论文“Suppression of thermalquenching in fast-responding pressure-sensitive paint by restricting latticerelaxation of luminescent molecules”介绍了一种无温度效应的压敏涂料。该压敏涂料基于分子自组装技术减小了分子豫驰，在阳极氧化铝薄膜上开发了在60℃以下无温度敏感性的涂层。该压敏涂料采用贴敷方式布置，没有对模型材料的要求，且能实现千赫兹级的压力响应。但阳极氧化铝薄膜是一种脆性易碎的材料，其仅能布置在平板模型上，无法解决挑战2中描述的问题，难以在复杂形状模型表面应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷的至少一种而提供一种无温度效应的快响应压力敏感涂料及其制备方法和应用，本发明引入负载有荧光分子的介孔材料，其中介孔结构和荧光分子之间形成的高温增溶特性，使得其具有负温度效应，能等量消除压敏发光材料的温度效应。并基于该涂料提出适用于跨音速/超音速模型表面压力测量的测量系统。

本发明构思为通过在PSP中引入具有负载有荧光分子的介孔材料，其本身具有高温增溶特性，通过调节荧光分子的浓度比例和浸染时间，改变高温增溶效果，实现不同的随温度升高强度增强的发光特性。再结合PSP随温度升高发光强度降低的发光特性，选用合适滤镜波段，合并两个信号，使其温度效应相互抵消，实现对PSP温度效应的抵消。本发明实现了宽光谱范围(波段宽度200nm)内的温度效应抵消效果，有效的提升了PSP的信号强度，且仅需一台相机进行测量，避免了红外温度测量受模型表面发射率的影响很大，双组分压力敏感漆则存在因光谱重叠和双相机空间位置误差引起的测量误差。。同时介孔材料的多孔结构又提高了压敏涂料中的氧气渗透速率，实现了压敏涂料对压力的快速响应。该涂料的布置方法采用喷涂法，能够应用于任意材料、任意形状的模型表面。因此，本发明与背景技术中所述的专利及文献在消除温度效应原理、制备方法、动态特性、信号强度等方面完全不同。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统，包括标定箱以及位于标定箱内的：

风洞，用于提供测试用风压；

模型，用于负载压力敏感涂料；

激发光源，用于激发压力敏感涂料；

高速相机，用于采集发光图像；

所述的激发光源和高速相机位于模型的上方。

进一步地，所述的高速相机和模型之间设有光学滤镜。

一种如上所述的无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统的应用，该系统应用于测试压力敏感涂料在流场中的压力分布，具体包括以下步骤：

制备并喷涂压力敏感涂料：制备无温度效应的快响应压力敏感涂料，并将压力敏感涂料喷涂于标定样品和/或模型表面；

标定样品：将喷涂有压力敏感涂料的标定样品固定于标定箱内，随后利用激发光源照射标定样品，并通过风洞调节标定箱内空气压力，使用高速相机采集不同压力下的发光图像，并记录发光强度变化的比值，最后再依据给定的压力拟合光强比值得到压力-光强比值的标定曲线；

进行压力敏感涂料的压力分布测试：将无温度效应的快响应压力敏感涂料喷涂在待测模型表面，并将模型放置于风洞流场中，利用激发光源激发涂层，使用高速相机采集不同压力下的发光图像，并记录发光强度变化，根据计算得到的光强比及压力-光强比的标定曲线，得到压力敏感涂料在待测流场中的被测表面的压力分布。

进一步地，喷涂后将标定样品和/或模型放置在在通风橱中静置20-60min，待溶剂挥发完全，即完成喷涂。

进一步地，制备压力敏感涂料的具体步骤为：

向溶有聚合物的有机溶剂中加入具有氧猝灭效应的荧光分子，搅拌后，即得压敏涂料预制品；

向溶有荧光分子的有机溶剂中加入介孔材料，介孔材料浸染后，即得具有负温度效应的介孔发光材料；

将压敏涂料预制品和具有负温度效应的介孔发光材料混合，搅拌均匀后，即得无温度效应的快响应压力敏感涂料。

其中，引入了负载有荧光分子的介孔材料，其中介孔结构和荧光分子之间形成的高温增溶特性，使得其具有负温度效应，能等量消除压敏发光材料的温度效应。

进一步地，所述有机溶剂为二氯甲烷、甲苯、丙酮、四氢呋喃或氯仿中的至少一种。

进一步地，所述聚合物为硅橡胶、聚乙烯或聚苯乙烯中的至少一种；所述具有氧猝灭效应的荧光分子为PtTFPP或PtOEP中的至少一种；所述荧光分子为荧光素、香豆素或罗丹明类发光材料中的至少一种；所述介孔材料为介孔氧化铝、介孔氧化硅或介孔碳材料中的至少一种。

进一步地，所述的聚合物在有机溶剂中的质量浓度为0.01-0.1g/ml；所述聚合物和具有氧猝灭效应的荧光分子的质量比为(10-100):(0.1-10)。

进一步地，所述的荧光分子在有机溶剂中的质量浓度为0.1-100mg/ml；所述荧光分子和介孔材料的质量比为(0.1-100):(10-200)。

进一步地，所述浸染时间为20分钟-2天。此时，荧光分子已经浸染在介孔材料内部，形成了具有负温度效应的发光材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过引入介孔材料和荧光分子制备得到了具有负温度效应的发光材料，消除了压力敏感涂料的温度效应，从而消除了温度引起的误差，使得压力敏感涂料的测量过程不需要进行复杂的温度效应修正处理，也无需彩色相机或双相机等复杂测量设备。

(2)采用喷涂的布置方法使得消除温度效应的压力敏感涂料可以布置在任意材料和形状的模型上。

(3)实现了宽光谱范围(波段宽度200nm)内的温度效应抵消效果，有效的提升了消除温度效应的压敏涂料信号强度，且仅需一台相机进行测量。

附图说明

图1为实施例中的压力测量系统的结构示意图；

图2为实施例中压力敏感涂料的放大示意图；

图3为实施例中压力敏感涂料的发射光谱随温度变化示意图；

图4为实施例中压力敏感涂料的发射光谱随压力变化示意图；

图5为实施例中压力敏感涂料的相机压力标定示意图；

图6为实施例中无压力敏感涂料的相机温度标定示意图；

图7为实施例中压力敏感涂料的响应时间标定示意图；

图中标号所示：1-跨音速/超音速风洞，2-锥形体实验模型，3-UV-LED光源，4-激发光，5-高速相机，6-光学滤镜，7-发光信号，8-负温度系数发光材料，9-压敏发光材料，10-模型表面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例中采用的所有溶剂、试剂均从商业来源购买。

一种无温度效应的快响应压力敏感涂料的制备过程如下：

1.首先制备压敏涂料预制品，取适量有机溶剂(二氯甲烷、甲苯、丙酮等)，按比例0.01-0.1g/ml称取相应重量的固体聚合物颗粒(硅橡胶、聚乙烯、聚苯乙烯等)，放入有机溶剂中，随后按0.1-10mg/ml的比例分别加入具有氧猝灭效应的荧光分子(PtTFPP、PtOEP等)，使用磁力搅拌机搅拌24小时，即得到压敏涂料预制品。

2.其次制备具有负温度效应的介孔发光材料，取适量有机溶剂(四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷等)，按0.1-100mg/ml的比例加入荧光分子(荧光素、香豆素、罗丹明类发光材料)。随后按比例0.01-0.2g/ml称取相应重量的介孔材料(介孔氧化铝、介孔氧化硅、介孔碳材料等)，放入有机溶剂中浸染。

3.控制浸染时间为20分钟-2天。待达到浸染时间后，迅速取出有机溶剂中的介孔材料。此时，发光分子已经浸染在介孔材料内部，形成了具有负温度效应的发光材料。

4.将发光介孔材料取出后，迅速与压敏涂料预制品混合，搅拌均匀后，喷涂在待测模型表面。

5.喷涂后将模型放置在在通风橱中静置20-60分钟，待溶剂挥发完全，得到无温度效应的快响应压力敏感涂层。

本发明的使用过程为：

1、制备并喷涂无温度效应的快响应压力敏感涂料：按照上述制备步骤制备消除温度效应的快响应压力敏感涂料，并利用空气喷漆将涂料均匀喷涂于样品(用于标定)或模型表面；

2、标定样品：将喷涂无温度效应的快响应压力敏感涂料的样品固定于标定箱内，随后利用激发光源照射样品，并调节标定箱内空气压力，使用单相机采集不同压力下的发光图像，并发光强度变化的比值。最后再依据给定压力拟合光强比值得到压力-光强比值的标定曲线；

3、搭建压力测试系统：将无温度效应的快响应压力敏感涂料喷涂在待测模型表面，并将模型放置于流场中。利用激发光源激发涂层，使用单相机采集实验中的光强变化。根据计算得到的光强比及压力-光强比的标定曲线，得到待测流场中的被测表面的压力分布。

实施例

1.取适量二氯甲烷，按比例0.03g/ml称取相应重量的聚苯乙烯，放入有机溶剂中，随后按0.25mg/ml的比例分别加入PtTFPP，使用磁力搅拌机搅拌24小时，即得到压敏涂料预制品。

2.取适量二氯甲烷，按比例0.20g/ml加入介孔材料，随后按4mg/ml加入3-(2'-苯并噻唑基)-7-二乙基氨基香豆素荧光分子，并开始计时。

3.计时12h后取出溶液中的介孔材料，并与压敏涂料预制品混合。

4.使用喷枪将混合后的溶液喷涂在实验模型表面，喷涂过后将模型放置在在通风橱中静置20min，待溶剂挥发完全，得到消除温度效应的快响应压力敏感涂料。

5.将配置好的涂料均匀喷涂于一个直径10mm的铝片表面，铝片厚度为0.5mm。将铝片置于标定箱内，逐渐改变标定箱内的空气压力与温度，利用激发光源激发涂层。使用光谱仪记录温度压力变化过程中的光谱变化，之后计算得出温度效应消除的光谱区间，得到相应的滤镜配置。

6.使用步骤4中得到的相应滤镜配置，加装在相机上，重复上一步骤中的标定过程得到相机的压力温度标定曲线，验证消除温度效应的效果。

7.按图1搭建压力测量系统、压力测量系统包括：风洞1，用于提供测试用风压；模型2，用于负载无温度效应的快响应压力敏感涂料；UV LED光源3，用于激发压力敏感涂料；高速相机5，用于采集发光图像或光强；光学滤镜6，所述UV LED光源3位于模型2的斜上方，光学滤镜6位于模型2的上方，高速相机5位于光学滤镜6的上方。压力敏感涂料受到激发后，发光信号经配置好的滤光片分别进入高速相机。

8.将配置好的涂料均匀喷涂于锥形体模型2表面，在风洞1开启前，打开UV LED光源3，采集参考发光强度图像。开启风洞1后，使用高速相机5连续采集发光信号。得到光强比数据后，无需温度修正，根据步骤5中得到的相机标定曲线，即可得到压力分布。

本实施例通过在PSP中引入具有负载有荧光分子的介孔材料，其本身具有高温增溶特性，通过调节荧光分子的浓度比例和浸染时间，改变高温增溶效果，实现不同的随温度升高强度增强的发光特性。再结合PSP随温度升高发光强度降低的发光特性，选用合适滤镜波段，合并两个信号，使其温度效应相互抵消，实现对PSP温度效应的抵消。同时实现了宽光谱范围(波段宽度200nm)内的温度效应抵消效果，有效的提升了PSP的信号强度，且仅需一台相机进行测量。同时介孔材料的多孔结构又提高了压敏涂料中的氧气渗透速率，实现了压敏涂料对压力的快速响应。该涂料的布置方法采用喷涂法，能够应用于任意材料、任意形状的模型表面。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统，其特征在于，包括标定箱以及位于标定箱内的：

风洞(1)，用于提供测试用风压；

模型(2)，用于负载压力敏感涂料；

激发光源(3)，用于激发压力敏感涂料；

高速相机(5)，用于采集发光图像；

所述的激发光源(3)和高速相机(5)位于模型(2)的上方。

2.根据权利要求1所述的一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统，其特征在于，所述的高速相机(5)和模型(2)之间设有光学滤镜(6)。

3.一种如权利要求1或2所述的无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统的应用，其特征在于，该系统应用于测试压力敏感涂料在流场中的压力分布，具体包括以下步骤：

制备并喷涂压力敏感涂料：制备无温度效应的快响应压力敏感涂料，并将压力敏感涂料喷涂于标定样品和/或模型(2)表面；

标定样品：将喷涂有压力敏感涂料的标定样品固定于标定箱内，随后利用激发光源(3)照射标定样品，并通过风洞(1)调节标定箱内空气压力，使用高速相机(5)采集不同压力下的发光图像，并记录发光强度变化的比值，最后再依据给定的压力拟合光强比值得到压力-光强比值的标定曲线；

进行压力敏感涂料的压力分布测试：将无温度效应的快响应压力敏感涂料喷涂在待测模型(2)表面，并将模型(2)放置于风洞(1)流场中，利用激发光源(3)激发涂层，使用高速相机(5)采集不同压力下的发光图像，并记录发光强度变化，根据计算得到的光强比及压力-光强比的标定曲线，得到压力敏感涂料在待测流场中的被测表面的压力分布。

4.根据权利要求3所述的一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统的应用，其特征在于，喷涂后将标定样品和/或模型(2)放置在在通风橱中静置20-60min，待溶剂挥发完全，即完成喷涂。

5.根据权利要求3所述的一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统的应用，其特征在于，制备压力敏感涂料的具体步骤为：

向溶有聚合物的有机溶剂中加入具有氧猝灭效应的荧光分子，搅拌后，即得压敏涂料预制品；

向溶有荧光分子的有机溶剂中加入介孔材料，介孔材料浸染后，即得具有负温度效应的介孔发光材料；

将压敏涂料预制品和具有负温度效应的介孔发光材料混合，搅拌均匀后，即得无温度效应的快响应压力敏感涂料。

6.根据权利要求5所述的一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统的应用，其特征在于，所述有机溶剂为二氯甲烷、甲苯、丙酮、四氢呋喃或氯仿中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统的应用，其特征在于，所述聚合物为硅橡胶、聚乙烯或聚苯乙烯中的至少一种；所述具有氧猝灭效应的荧光分子为PtTFPP或PtOEP中的至少一种；所述荧光分子为荧光素、香豆素或罗丹明类发光材料中的至少一种；所述介孔材料为介孔氧化铝、介孔氧化硅或介孔碳材料中的至少一种。

8.根据权利要求5所述的一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统的应用，其特征在于，所述的聚合物在有机溶剂中的质量浓度为0.01-0.1g/ml；所述聚合物和具有氧猝灭效应的荧光分子的质量比为(10-100):(0.1-10)。

9.根据权利要求5所述的一种无温度效应的快响应压力敏感涂料测试用压力测量系统的应用，其特征在于，所述的荧光分子在有机溶剂中的质量浓度为0.1-100mg/ml；所述荧光分子和介孔材料的质量比为(0.1-100):(10-200)。

10.根据权利要求5所述的一种无温度效应的快响应压力敏感涂料压力测量系统的应用，其特征在于，所述浸染时间为20分钟-2天。

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