基于压敏粒子光强测量的空间流体速度压力同步测量系统

技术领域

本发明涉及无机光学材料技术领域，尤其是涉及一种基于压敏粒子光强测量的空间流体速度压力同步测量系统及方法。

背景技术

目前在现有技术中，尚不存在可同时测量空间内流场的速度分布和压力分布的测量方法。

流场中物体表面压力的测量方法有始于20世纪80年代的光学压敏涂料测量技术。该技术将高分子化学、光学等多个学科的最新研究成果相结合，利用某种高分子化合物在特定波长光的照射下发生量子能量跃阶的“光致发光”效应和返回基态的“氧猝灭”现象，通过建立发光强度和流场压力的对应关系与计算机技术相结合从而实现表面连续压力场的无侵入式定量测量。而对流场中速度的非接触式测量主要有LDV和PIV等方式，其中，LDV技术基本原理就是利用运动粒子发出散射光的多普勒效应，也就是两束相干入射光在光腰处相交，产生干涉条纹，当粒子通过两光束交汇点时，产生和粒子速度成线性关系的多普勒信号，分辨率高，但是仅能测量单点速度。而PIV测量技术可测得全局的速度分布，PIV技术是在流场显视技术的基础上，利用图像处理技术发展起来的一种测量手段，其基本原理就是测量得到相隔很短时间间隔的前后两幅图像，然后利用相关技术获得流场速度分布。

随着空气动力学的发展，研究课题中的气动部件的结构及其流场也越发复杂，流场随时间变化的非定常特性日益突出，，对非定常流场深入认识已经成为当务之急，对于空间流场内部压力分布的研究日益增多，而在现有技术中并没有可以直接测量空间中流体压力分布的测量方法。本发明正是结合两种测量技术：光学压敏涂料测量技术和PIV，进而设计出一套方便直观的空间流体速度压力同步测量系统。

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而提供一种基于压敏粒子光强测量的空间流体速度压力同步测量系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于压敏粒子光强测量的空间流体速度压力同步测量系统，包括信号发射器、与信号发射器连接的脉冲激光发生器，以及与脉冲激光发生器相对设置并连接所述信号发射器的高速CCD相机、以及接受并处理高速CCD相机的数字图像信号的计算机，所述的脉冲激光发生器和高速CCD相机之间设有待测量流场，在待测量流场上连接设置用于对其均匀置入压敏粒子的粒子发生器，所述的高速CCD相机前端还安装有滤光镜。

优选的，所述的滤光镜用于过滤除去光谱中，除压敏粒子产生的信号光外的激发光源及环境光所在波段的光，仅留下信号光，使得信号光的强度变化更明显。滤光镜的选择条件为：当压敏染料为PtTFPP时，采用650nm/50nm的带通通滤光镜；当压敏染料为Ru(dpp)₃时，采用550nm的高通滤光镜。

优选的，所述的压敏粒子为表面吸附了压敏漆的中空SiO₂粒子。

更优选的，所述的中空SiO₂粒子的粒径为2-10μm。该粒子购置于Suzuki>

更优选的，所述的压敏粒子通过以下方法制备而成：首先，将压敏发光分子溶于二氯甲烷溶剂中，制备得到溶液；然后，将中空SiO₂粒子浸没于溶液中，超声波震荡处理，过滤，干燥，即可得到压敏粒子。

进一步更优选的，所述的压敏染料为PtTFPP或Ru(dpp)₃，且当压敏发光分子为PtTFPP时，压敏漆浓度为1-10mg/ml，当压敏发光分子为Ru(dpp)₃时，其溶液浓度为1-10mg/ml。Ru(dpp)₃购置于GFS>2粒子的在溶液中的含量为0.1-1g/mL；

超声波震荡处理的时间为10min。

采用上述同步测量系统的测量方法，包括以下步骤：

(1)在待测量流场中均匀植入压敏粒子；

(2)由信号发射器控制激光发射器发射出脉冲光源，使得待测量流场中的压敏粒子发出荧光信号，该荧光信号被滤光镜过滤后由高速CCD相机接收；

(3)高速CCD相机将接受的荧光信号转换成数字图像并传送至计算机，高速CCD相机设置成每次脉冲拍摄两张数字图像；

(4)由计算机将相邻两次脉冲所拍摄的数字图像上的压敏粒子点的位置变化转化为速度场分布，即得到待测量流场内每个压敏粒子点的速度；

(5)对比每次脉冲中的两张数字图像中的每个压敏粒子点的光强比，并通过光强比与压力关系的标准曲线，即可得到每个压敏粒子点的压力信息，进而得到待测量流场中的压力分布情况。

优选的，步骤(2)中：脉冲光源的波长为400-550nm，脉冲宽度为1-500ns，脉冲周期为1-500ms；

步骤(3)中：高速CCD相机在每次脉冲拍摄的两张数字图像的间隔为200ns。

优选的，步骤(2)中：脉冲激光发射器的前端还设有光学透镜组，并使得脉冲激光发射器发出的激光经光学透镜组后呈平面片光。

本发明的粒子发生器可以采用高转速小型风扇，其可以设置在压敏粒子源与待测量流场之间并形成循环流动，从而使压敏粒子均匀置入待测量流场空间之中。

本发明的使用过程为：

在实际使用时，将粒子发生器与待测量流场的空间相连，开启粒子发生器，开启时间视流场空间大小而定。待压敏粒子充分均匀的植入到待测量流场空间之后，即通过高速CCD相机界面可看到数量稳定充足的粒子之后，隔绝外部光源，安装滤光镜，并开启高速CCD相机，连接信号发射器与激光发生器，信号发射器触发激光发生器的产生脉冲光源，脉冲宽度为1-500ns，脉冲周期为1-500ms。调节光路使得激光成片状，并适合待测试流场。连接信号发射器与高速CCD相机，并调节高速CCD相机的拍照模式为每次信号脉冲拍摄间隔200ns的两张图片。

运行流场，开始测试。通过PIV互相关算法将相邻两次激光脉冲所拍摄图像上粒子位置的变化转化为速度场分布，即可得到每个粒子点的速度。对比每次激光脉冲中的两张图像中每个粒子的光强比，并通过光强比与压力关系的标准曲线即可得到每个粒子点的压力信息。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)可同时测量空间中的压力与速度分布，尚无其他方法可以测量空间中(非表面)的压力分布；

2)采用非接触式测量方法在测量时不接触待测介质，不会干扰被测流场，因此能获取真实的流场信息。

附图说明

图1为本发明在一般流场装置下同步测量系统的结构示意图；

图2为本发明的光强比与压力关系的标准曲线的测试示意图；

图3为本发明在可调节稳压空间流场内的测量系统的结构示意图；

图4为压敏粒子的光强比-压力的标准曲线图；

图中，1-宿主计算机，2-粒子发生器，3-粒子源，4-滤光镜，5-高速CCD相机，6-脉冲激光发生器，7-一般流场装置，8-信号发射器，9-压敏粒子标本，10-压力控制箱，11-活塞筒，12-活塞。

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。

一种基于压敏粒子光强测量的空间流体速度压力同步测量系统，包括信号发射器8、与信号发射器8连接的脉冲激光发生器6，以及与脉冲激光发生器6相对设置并连接信号发射器的高速CCD相机5、以及接受并处理高速CCD相机5的数字图像信号的宿主计算机1，脉冲激光发生器6和高速CCD相机5之间设有待测量流场，在待测量流场上连接设置用于对其均匀置入压敏粒子的粒子发生器2，高速CCD相机5前端还安装有滤光镜4。

作为一种优选的实施方式，滤光镜4用于过滤除去光谱中，除压敏粒子产生的信号光外的激发光源及环境光所在波段的光。滤光镜4的选择条件为：当压敏发光分子为PtTFPP时，采用650nm/50nm的带通通滤光镜4；当压敏发光分子为Ru(dpp)₃时，采用550nm的高通滤光镜4。

作为一种优选的实施方式，压敏粒子为表面吸附了压敏漆的中空SiO₂粒子。更优选的，中空SiO₂粒子的粒径为2-10μm。该粒子购置于日本公司SUZUKI>

更优选的，压敏粒子通过以下方法制备而成：首先，将压敏发光分子溶于二氯甲烷溶剂中，制备得到溶液；然后，将中空SiO₂粒子浸没与溶液中(浓度控制为0.15g/mL)，超声波震荡处理10min，过滤，干燥(干燥条件为60℃下干燥10min)，即可得到压敏粒子。

进一步更优选的，压敏染料为PtTFPP或Ru(dpp)₃，且当压敏染料为PtTFPP时，压敏漆浓度为1-10mg/ml，当压敏染料为Ru(dpp)₃时，压敏漆浓度为1-10mg/ml。Ru(dpp)₃购置于GFS>

实施例1

如图1所示，基于压敏粒子光强测量的空间流体速度压力同步测量系统，包括信号发射器8、与信号发射器8电连接的脉冲激光发生器(即400nm激光发生器)6、粒子源3、与粒子源3配合使用的粒子发生器2，以及图像处理单元，该图像处理单元包括滤光镜4、高速CCD相机5、与高速CCD相机5连接的计算机1；

其中，压敏粒子包括中空SiO₂粒子，中空SiO₂粒子表面吸附了压敏发光分子，并通过粒子发生器2分布到待测量空间内。

本实施例中，压敏粒子的大小为10μm，附着的压敏发光分子为PtTFPP。压敏粒子的制备方法为：首先将压敏发光分子溶于二氯甲烷溶剂中，再加入中空SiO₂粒子，然后通过超声波震荡使压敏发光分子吸附于中空SiO₂粒子上，抽滤蒸干即可。

其中使用二氯甲烷作为溶剂，制备的PtTFPP溶液浓度为2mg/ml。控制加入中空SiO₂粒子的浓度为0.15g/ml。实验温度为室温25℃左右。超声波震荡过程持续10分钟。用抽滤瓶抽滤混合溶液。干燥条件为60℃下干燥10分钟即得到压敏粒子。

在工作状态下，先由粒子发生器2将粒子源3中压敏粒子均匀植入待测量流场(即一般流场装置7)之中，信号发射器8控制脉冲激光发生器6发射出脉冲光源，在脉冲光源的作用下，空间流场中的压敏粒子上的压敏漆发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜4被高速CCD相机5接收，高速CCD相机5将荧光信号转换成数字图像并传送至计算机1。高速CCD相机5设置为每次激光脉冲拍摄两张间隔很小的图像。通过算法将相邻两次激光脉冲所拍摄图像上粒子位置的变化转化为速度场分布，即可得到每个粒子点的速度。对比每次激光脉冲中的两张图像中每个粒子的光强比，并通过光强比与压力关系的标准曲线即可得到每个粒子点的压力信息。

上述测量方法具体包括以下步骤：

(1)由粒子发生器2将粒子源3中的压敏粒子均匀植入待测量流场之中；

(2)信号发射器8控制脉冲激光发生器6发射出脉冲光源(脉冲宽度为200ns，脉冲周期为100ms)，在脉冲光源的作用下，空间流场中的压敏粒子上的压敏漆发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜4被高速CCD相机5接收；

(3)高速CCD相机5将荧光信号转换成数字图像并传送至宿主计算机1。高速CCD相机5设置为每次激光脉冲拍摄两张间隔很小的图像(具体可设置为间隔时间为200ns)；

(4)通过算法将相邻两次激光脉冲所拍摄图像上粒子位置的变化转化为速度场分布，即可得到每个粒子点的速度；

(5)对比每次激光脉冲中的两张图像中每个粒子的光强比，并通过光强比与压力关系的标准曲线即可得到每个粒子点的压力信息；

本实例中滤光镜4选择的是650nm/50nm的带通滤镜。

本实施例速度压力测量系统可用于一般空间流场中的压力速度分布。

实施例2

如图2所示，本发明压力标定系统，包括信号发射器8、与信号发射器8电连接的400nm激光发生器6、压敏粒子标本9和压力控制箱10，以及图像处理单元。该图像处理单元包括滤光镜4、高速CCD相机5、与高速CCD相机5连接的计算机1

首先将压敏发光分子溶于二氯甲烷溶剂中，再加入中空SiO₂粒子(控制浓度为0.15g/mL)，然后通过超声波震荡使压敏染发光子吸附于中空SiO₂粒子上，抽滤蒸干即可。

其中使用二氯甲烷作为溶剂，分别制备PtTFPP浓度为2mg/ml和Ru(dpp)₃浓度为1mg/ml的溶液。在每种溶液中分别加入两种大小的粒子(其中较大的粒子的直径为10μm，较小的粒子的直径为2μm)。实验温度为室温25℃左右。超声波震荡过程持续10分钟。用抽滤瓶抽滤混合溶液。干燥条件为60℃下干燥10分钟即得到压敏粒子。

本实施例中，PtTFPP粒子对应的滤镜为650nm/50nm滤镜，Ru(dpp)₃粒子对应的滤镜为550nm的高通滤镜。

在工作状态下，先讲压敏粒子标本9放入压力控制箱10之中，信号发射器8控制脉冲激光发生器6发射出脉冲光源，在脉冲光源的作用下，压力控制箱10中的压敏粒子标本9上的压敏漆发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜4被高速CCD相机5接收，高速CCD相机5将荧光信号转换成数字图像并传送至宿主计算机1。高速CCD相机5设置为每次激光脉冲拍摄两张间隔很小的图像。通过算法求出相邻两次激光脉冲所拍摄图像中的深度平均比值，即是光强比值。最终可得出光强比值与压力的关系。即为图4所示的求得的不同粒径、不同压敏漆的压敏粒子的光强比值与压力的标准曲线图。

实施例3

如图3所示的本发明在可调节稳压空间流场测量系统结构示意图，测量系统包括信号发射器8、与信号发射器8电连接的脉冲激光发生器6、粒子源3、与粒子源3配合使用的粒子发生器2，以及图像处理单元，该图像处理单元包括滤光镜4、高速CCD相机5、与高速CCD相机5连接的计算机1与控制压力的活塞12和活塞套11。

本实施例中，压敏粒子的大小为2μm，附着的压敏发光分子为PtTFPP。

本实施例中，通过控制活塞调节稳压空间流场中的压力。

在工作状态下，先由粒子发生器2将粒子源3中的压敏粒子均匀植入稳压流场之中，信号发射器8控制脉冲激光发生器6发射出脉冲光源，在脉冲光源的作用下，空间流场中的压敏粒子上的压敏发光分子发出荧光信号，该荧光信号通过滤光镜4被高速CCD相机5接收，高速CCD相机5将荧光信号转换成数字图像并传送至宿主计算机1。高速CCD相机5设置为每次激光脉冲拍摄两张间隔很小的图像。通过算法对比每次脉冲时所拍摄的两张图像中每个粒子点的深度比即光强比，并平均。随后调节压力继续前面步骤，同样可得到光强比与压力的标准曲线图。可用于修正图4。

实施例4

与实施例1相比，除了压敏粒子的大小为2μm，附着的压敏漆为Ru(dpp)₃，对应的滤光镜4为550nm的高通滤光镜外，其余均相同。

实施例5

与实施例1相比，除了制备压敏漆时的浓度为1mg/mL，其余均一样。

实施例6

与实施例1相比，除了制备压敏漆时的浓度为10mg/mL，其余均一样。

实施例7

与实施例4相比，除了制备压敏漆时的浓度为10mg/mL，其余均一样。

实施例8

与实施例4相比，除了制备压敏漆时的浓度为1mg/mL，其余均一样。

实施例9

与实施例1相比，除了中空SiO₂离子在压敏漆中的浓度为0.1g/mL外，其余均一样。

实施例10

与实施例1相比，除了中空SiO₂离子在压敏漆中的浓度为1g/mL外，其余均一样。

实施例11

与实施例1相比，除了测量方法中，脉冲激光发生器6发出的脉冲光源的波长为400nm，脉冲宽度为500ns，脉冲周期为1ms，其余均一样。

实施例12

与实施例1相比，除了测量方法中，脉冲激光发生器6发出的脉冲光源的波长为532nm，脉冲宽度为10ns，脉冲周期为500ms，其余均一样。

实施例13

与实施例1相比，除了测量方法中，脉冲激光发生器6发出的脉冲光源的波长为470nm，脉冲宽度为200ns，脉冲周期为200ms，其余均一样。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。