[发明专利]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

说明书

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。

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。