于靖波, 向星居, 熊紅亮, 黃 湛, 趙學(xué)軍

(中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074)

0 引 言

自20世紀(jì)80年代起，一種基于發(fā)光氧猝滅效應(yīng)的表面壓力光學(xué)測量技術(shù)發(fā)展起來，這種技術(shù)被稱為壓力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint，PSP)測試技術(shù)。PSP的應(yīng)用從分析化學(xué)領(lǐng)域氧濃度測量轉(zhuǎn)變到空氣動(dòng)力學(xué)表面壓力測量，使壓力測量從傳統(tǒng)的逐點(diǎn)測量表面壓力轉(zhuǎn)為全域壓力測量。PSP技術(shù)不僅能提供模型表面高空間分辨率的壓力數(shù)據(jù)，還能作為一種流動(dòng)顯示手段，定性顯示流場壓力分布、激波位置和分離區(qū)大小。

通常說的PSP是指常規(guī)穩(wěn)態(tài)PSP技術(shù)，國內(nèi)外已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述2〗。快速響應(yīng)PSP是PSP技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將PSP的優(yōu)勢從空間分辨率延伸到時(shí)間分辨率，相對于傳統(tǒng)脈動(dòng)壓力測試需安裝大量昂貴脈動(dòng)壓力傳感器，快速響應(yīng)PSP技術(shù)在空間上能做到像素級別的監(jiān)測點(diǎn)，在時(shí)間上能得到kHz量級以上的脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)。快速響應(yīng)PSP技術(shù)提供了以非接觸方式和較小的成本完成對復(fù)雜氣動(dòng)模型進(jìn)行表面全域高空間分辨率和時(shí)間分辨率測量的獨(dú)特能力，能夠滿足工程生產(chǎn)中風(fēng)洞非定常試驗(yàn)和捕捉大面積壓力脈動(dòng)的需求。

目前，世界主要航空航天大國都開展了該領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，相當(dāng)部分的研究機(jī)構(gòu)已達(dá)到了工程實(shí)用水平[3-4]。國外對快速響應(yīng)PSP技術(shù)的研究取得了很好的成果，實(shí)驗(yàn)室條件下響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1μs量級。目前快速響應(yīng)PSP測試技術(shù)在美國空軍、NASA、普渡大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、日本空間宇航科學(xué)研究院(JAXA)、德國宇航研究中心(DLR)、法國宇航研究院(ONERA)等都取得了顯著的研究成果，快速響應(yīng)PSP技術(shù)工程應(yīng)用測量頻率達(dá)5kHz，可以連續(xù)捕捉從低速到高超聲速的非定常流動(dòng)現(xiàn)象。

國內(nèi)近年來也正在大力發(fā)展PSP技術(shù)，許多高校和科研機(jī)構(gòu)都做了大量研究工作。高校如上海交通大學(xué)在PSP快速測量、西北工業(yè)大學(xué)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子表面壓力測量、清華大學(xué)在燃?xì)廨啓C(jī)氣膜冷卻方面都有相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作開展。工業(yè)生產(chǎn)部門研究工作更突出、更面向滿足型號科研生產(chǎn)實(shí)際需求，中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院與中國科學(xué)院化學(xué)研究所合作,通過自主研發(fā)途徑建立了快速響應(yīng)PSP表面壓力測量技術(shù)，在常規(guī)高超聲速風(fēng)洞和1.2m量級亞跨超聲速風(fēng)洞進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院和中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心都先后引進(jìn)了美國ISSI公司的PSP測試設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上積極探索如何與風(fēng)洞結(jié)合、應(yīng)用和推廣，均完成了大量的研究工作。

大量公開發(fā)表文獻(xiàn)表明快速響應(yīng)PSP測試技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一定水平。近年來，研究內(nèi)容和方向也有逐步細(xì)化和深入的趨勢。本文綜述了當(dāng)前快速響應(yīng)PSP技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹了PSP的工作原理和多孔PSP的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理，列舉了目前普遍應(yīng)用的動(dòng)態(tài)標(biāo)定設(shè)備和常用測量方法，最后引用國內(nèi)外快速響應(yīng)PSP技術(shù)的典型應(yīng)用案例，展示了快速響應(yīng)PSP技術(shù)對非定常流動(dòng)測量的優(yōu)勢，并指出未來研究的發(fā)展方向、面臨的困難與挑戰(zhàn)。

1 PSP工作原理

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

PSP技術(shù)是利用壓敏涂料的光學(xué)特性測量物體表面的壓力分布，即將一種特殊的壓力敏感涂料覆蓋在模型表面上，通過測定受激輻射光強(qiáng)度場，可計(jì)算出相應(yīng)的壓力分布。主要光物理機(jī)理是探針分子的光致發(fā)光作用和氧猝滅效應(yīng)。其中，光致發(fā)光作用即以一定波長的激發(fā)光照射時(shí)，壓敏涂料受激輻射發(fā)出更長波長的光；氧猝滅過程是指激發(fā)態(tài)分子通過和氧組分相互作用而失活，因此涂層表面的空氣壓力與受激輻射光有關(guān)。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，利用模型表面氧組分壓力變化導(dǎo)致的涂料層中發(fā)光分子的猝滅效率不同，從而顯示模型表面流場的壓力變化。

常規(guī)的表面壓力測量是在待測物表面開孔安裝管路并連接到壓力傳感器上進(jìn)行，只能得到模型表面離散的測壓點(diǎn)數(shù)據(jù)。與常規(guī)的測壓孔方法相比PSP測壓有很大的優(yōu)勢。首先，PSP技術(shù)可以提供整個(gè)模型表面連續(xù)壓力分布且不會干擾流場，捕捉復(fù)雜流動(dòng)的詳細(xì)流動(dòng)特征，提供測壓孔無法提供的小尺寸模型和彎曲、薄翼面表面的壓力分布。其次，壓敏涂料測壓不需要制造帶許多測壓孔的模型，可以在測力試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行壓力分布測量，節(jié)省了大量的測壓模型設(shè)計(jì)、制造和風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用，尤其是對型號研制而言可以大大縮短風(fēng)洞試驗(yàn)周期，加快研制定型。此外，壓敏涂料試驗(yàn)得到壓力分布數(shù)據(jù)后，將壓力數(shù)據(jù)映射到模型的三維網(wǎng)格模型上，沿三維網(wǎng)格模型的表面壓力分布積分就可以得到模型上的氣動(dòng)力[5]。

基于發(fā)光分子機(jī)理獲取PSP的壓力數(shù)據(jù)主要方法包括光強(qiáng)法和壽命法?；诠鈴?qiáng)度變化的測量技術(shù)被稱為光強(qiáng)法。光強(qiáng)法最先由俄羅斯中央航空流體力學(xué)研究所(TsAGI)和美國華盛頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)提出[6-7]，是以可見光激發(fā)涂料為主的技術(shù)研究與應(yīng)用。光強(qiáng)法需持續(xù)照射并采集涂料發(fā)光強(qiáng)度，由于拍攝角度、拍攝距離的不同，以及光源、涂層厚度和發(fā)光探針濃度不同導(dǎo)致空間不均勻照射，得到的光強(qiáng)場不能直接轉(zhuǎn)化為壓力數(shù)據(jù)，而是需要得到已知的某個(gè)壓力條件下的參考圖像，通過2幅圖像的比值換算出當(dāng)前條件下的壓力值，其中的光強(qiáng)壓力換算關(guān)系式即Stern-Volmer公式[1]：

Iref/I=A+B(p/pref)(1)

這里p和pref分別表示試驗(yàn)壓力和參考壓力，I和Iref分別表示試驗(yàn)光強(qiáng)和參考光強(qiáng)。A和B是壓敏涂料的校準(zhǔn)系數(shù)，它們由壓敏涂料校準(zhǔn)曲線確定。通常用1個(gè)大氣壓下的光強(qiáng)表示參考光強(qiáng)Iref，1個(gè)大氣壓表示參考壓力pref。光強(qiáng)法需要強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的激發(fā)光源和科學(xué)級CCD/CMOS相機(jī)。

不同于光強(qiáng)法，壽命法[8]是以涂料對隨時(shí)間變化激發(fā)光的發(fā)光響應(yīng)為基礎(chǔ)的測量方法，涂料對隨時(shí)間變化激發(fā)光E(T)的發(fā)光響應(yīng)I可以用一階關(guān)系式描述：

dI/dt=-I/τ+E(T)(2)

其中τ為涂料的發(fā)光壽命。對于脈沖光，涂料的發(fā)光響應(yīng)為簡單的指數(shù)衰減：

I(t)=I0exp(-t/τ)(3)

由于氧猝滅效應(yīng)，發(fā)光壽命和壓力也遵循Stern-Volmer公式：

τref/τ=A+B(p/pref)(4)

常用的基于壽命法的測量方法是在涂料發(fā)光響應(yīng)的指數(shù)衰減過程中選定2幅圖像采集：第一次采集為初始的幾微秒內(nèi)，發(fā)光強(qiáng)度變化很小；第二次采集由于發(fā)光特性呈指數(shù)衰減，能夠得到較大的變化量，從而得到壓力光強(qiáng)轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(IG2/IG1)ref/(IG2/IG1)=A+B(p/pref)(5)

壽命法的主要優(yōu)勢是能夠在一次激發(fā)過程中獲得2幅發(fā)光圖像信息，但需要脈沖LED或激光器作為激發(fā)光源，同時(shí)需要一部可選通的CCD相機(jī)，如粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry, PIV)技術(shù)中常用的跨幀CCD相機(jī)。壽命法要求PSP發(fā)光壽命遠(yuǎn)小于非定常流場最小特征時(shí)間尺度。壽命法的難點(diǎn)是對測量系統(tǒng)時(shí)序控制組件和精度要求高，同時(shí)需要保證CCD相機(jī)快速捕捉高質(zhì)量圖像。

1.2 PSP動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理

穩(wěn)態(tài)PSP的響應(yīng)時(shí)間在0.1s量級，而非定常流動(dòng)中要求PSP具有更快的響應(yīng)。PSP響應(yīng)快慢與其特有的2個(gè)時(shí)間尺度有關(guān)。其一是PSP的光致發(fā)光壽命，代表可以瞬時(shí)達(dá)到相應(yīng)壓力分辨率的固有物理時(shí)限，典型PSP發(fā)光壽命在1～50μs；另一個(gè)是氧分子在涂層中擴(kuò)散的時(shí)間，二者共同決定了快速響應(yīng)PSP的頻響特性。氧分子在均勻聚合物中擴(kuò)散的時(shí)間要遠(yuǎn)比光致發(fā)光壽命長。一直以來，研究快速響應(yīng)PSP的主要問題為提高擴(kuò)散率的時(shí)間尺度。假設(shè)均勻聚合物薄層零通量固壁條件，氧氣濃度可由一維擴(kuò)散方程來描述：

?[O2]/?t=Dm(?[O2]/?z2)(6)

其中Dm為涂層中氧氣質(zhì)量傳輸?shù)臄U(kuò)散率，t為時(shí)間，z為從模型壁面到聚合物涂層方向的坐標(biāo)。Carroll等人[9]通過求解擴(kuò)散方程給出了關(guān)于均勻PSP涂層中擴(kuò)散時(shí)間τdiff的典型平方律估算：

τdiff=h2/Dm(7)

其中h為涂層厚度?；谑?7)發(fā)現(xiàn)，縮短壓敏涂料的響應(yīng)時(shí)間需要降低涂料基質(zhì)層的厚度，從而縮短氧分子接觸壓敏涂料分子的距離，或增大壓敏涂料基質(zhì)層中壓敏涂料分子濃度從而提高氧分子接觸壓敏涂料分子的幾率，本質(zhì)上都是縮短了氧分子滲透基質(zhì)并接觸壓敏涂料分子的距離來縮短壓敏涂料的響應(yīng)時(shí)間。

Winslow等人[10-11]通過建模指出PSP對壓力下降的階躍過程響應(yīng)更快。Kameda[12]認(rèn)為在量級相近的情況下，響應(yīng)模型應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮PSP的發(fā)光體壽命和擴(kuò)散時(shí)間尺度。McMullen[13]從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了PSP的階躍響應(yīng)特性取決于壓力階躍的方向和幅值，并證實(shí)了同時(shí)考慮發(fā)光體壽命和擴(kuò)散時(shí)間尺度的響應(yīng)模型的準(zhǔn)確性。

除此之外，涂層厚度也會影響PSP的頻響特性。當(dāng)涂層厚度增加時(shí)，PSP光致發(fā)光信號強(qiáng)度增強(qiáng)，信噪比隨之增加，而涂料的頻響卻隨之降低。因此，存在一個(gè)最佳的涂層厚度以滿足頻響和信噪比要求。然而，實(shí)際操作過程中，壓敏涂層的噴涂厚度及基質(zhì)中熒光分子分布均勻性難以保證，不僅使得對涂料所發(fā)熒光的準(zhǔn)確測量變得很困難，而且易造成壓敏涂料響應(yīng)時(shí)間分布相差過大，影響到圖像的信噪比。Schairer[14]給出Dm在10-9m2/s量級和壓力脈動(dòng)頻率為100Hz時(shí)的最佳涂層厚度小于5μm，對于這樣薄的涂層，信噪比很低，使得對涂料光致發(fā)光的準(zhǔn)確測量非常困難?；跀U(kuò)散方程解法，Carroll等[9]估算了氧分子在一種典型的有機(jī)硅聚合物膠黏劑中的質(zhì)量擴(kuò)散率Dm，給出了9.9～40.2℃范圍內(nèi)，Dm=(1.23～1.88)×10-9m2/s，而純聚二甲基硅氧烷的Dm=3.55×10-9m2/s。對于擴(kuò)散率Dm在10-9m2/s量級和厚度10μm的聚合物涂層，其擴(kuò)散時(shí)間尺度為0.1s。因此，傳統(tǒng)聚合物PSP不適用于非定常狀態(tài)壓力測量。

1.3 多孔PSP動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理

當(dāng)前，縮短響應(yīng)時(shí)間的主流方向是通過尋找多孔、高溶解性或高親氧性基質(zhì)獲得較大的氧擴(kuò)散系數(shù)，利用對氧分子擴(kuò)散阻礙較小的多孔、疏松結(jié)構(gòu)的基質(zhì)，加快氧分子的擴(kuò)散過程，快速對發(fā)光壓敏涂料分子進(jìn)行猝滅，提高其擴(kuò)散系數(shù)，有效縮短壓敏涂料對壓力變化的響應(yīng)時(shí)間。多孔PSP有較大的孔面積，發(fā)光分子附在孔內(nèi)，氧分子可直接猝滅發(fā)射光而無需滲透進(jìn)入膠黏劑層，因此多孔PSP的響應(yīng)時(shí)間很短。由于增大了空氣與涂層接觸面積，多孔PSP擴(kuò)散時(shí)間可達(dá)到18～500μs，因此，多孔PSP更適合非定常流動(dòng)測量。

經(jīng)典的平方率估計(jì)算式并不適用于多孔PSP，Sakaue等人[15]測量給出313.1K條件下3種聚合物和300K條件下多孔陽極化鋁表面擴(kuò)散時(shí)間量程的冪律關(guān)系：對于GP179，τdiff∝h1.83；對于GP179/BaSO4，τdiff∝h1.07；對于PTMSP，τdiff∝h0.29；對于多孔陽極化鋁表面，τdiff∝h0.573。對于有機(jī)硅樹脂聚合物GP179，冪律指數(shù)接近于2，而多孔材料的冪律指數(shù)明顯小于2。

對于多孔PSP響應(yīng)機(jī)理，Liu[16]從現(xiàn)象學(xué)角度出發(fā)推導(dǎo)了多孔涂層的有效擴(kuò)散率和擴(kuò)散時(shí)間尺度表達(dá)式。由于高度纏繞的管狀孔長度不再與管狀孔在z方向上的線性長度尺寸成正比，引入管狀孔通道的分形維數(shù)dfr，多孔PSP涂層的擴(kuò)散時(shí)間尺度估算為τdiff∝h2-dfrDm-1npore-1rpore，其中npore為單位面積的微孔數(shù)，rpore為微孔的平均半徑。對于多孔PSP冪律關(guān)系中指數(shù)q小于2。Kameda等人[17]計(jì)算了陽極化鋁氣體滲透的有效擴(kuò)散系數(shù)，隨微孔的平均半徑而增加，10～100nm微孔直徑下的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff=3～15×10-6m2/s。Gregory和Sullivan[18]采用擴(kuò)散模型結(jié)合非線性Stern-Volmer方程來測量涂料的壓力階躍變化,通過微型射流振蕩器進(jìn)行試驗(yàn)，估算了快速FIB(fluoro-isopropyl-butly)聚合物壓敏涂料擴(kuò)散系數(shù)(Deff=6.33×10-10m2/s)和陶瓷聚合物壓敏涂料的擴(kuò)散系數(shù)(Deff=8.4×10-6m2/s)。

1.4 快速響應(yīng)壓敏涂料

迄今為止，國外不同研究機(jī)構(gòu)研制了多種快速響應(yīng)PSP涂料，如薄層色譜板壓敏涂料，熱液涂料, 溶-凝膠體壓敏涂料, 陽極化鋁壓敏涂料, 陽極化鈦壓敏涂料, 聚合物/陶瓷壓敏涂料和多孔滲透壓敏涂料。應(yīng)用最廣泛的3種涂料為薄層色譜板，陽極化鋁和聚合物/陶瓷。

1.4.1薄層色譜板壓敏涂料(Thin-LayerChromatographyPSP,TLC-PSP)

薄層色譜板是化學(xué)領(lǐng)域薄層色譜中應(yīng)用的一種附有吸附劑層的薄板，常用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的分離過程。1993年美國華盛頓大學(xué)的Baron等人[19]首次采用商業(yè)硅膠薄層色譜板作為壓敏涂料的粘合基質(zhì)，并測量得到這種壓敏涂料的響應(yīng)時(shí)間小于25μs。TLC-PSP制備方便，但由于薄層色譜板易碎，且發(fā)光分子是通過分子間作用力吸附于基質(zhì)表面，所以TLC-PSP很難承受較大的氣動(dòng)載荷，僅限于應(yīng)用在簡單外形的模型表面[21-22]。TLC-PSP能夠有效縮短壓敏涂料的響應(yīng)時(shí)間，對多孔介質(zhì)材料的研究具有重大意義。

1.4.2陽極化鋁壓敏涂料(AnodizedAluminumPSP,AA-PSP)

1997年，普渡大學(xué)的Sullivan等[20]開發(fā)了另一種多孔壓敏涂料AA-PSP，由陽極氧化鋁層和發(fā)光體組成，不含聚合物凝結(jié)材料。通過電化學(xué)過程將被測模型表面陽極氧化形成疏松、多孔基質(zhì)，如圖1所示。基質(zhì)表面均勻分布大量10～100nm的微孔，發(fā)光體采用二氯化三釕([Ru(dpp)3]Cl2)，熒光分子直接吸附在多孔的鋁表面上形成AA-PSP。經(jīng)疏水處理后在陽極氧化鋁壓敏漆表面做硬脂酸涂層處理，這樣可以延遲其老化并降低其對溫度的敏感性。Sakaue和Gregory[21-23]都給出了AA-PSP的詳細(xì)制備過程，關(guān)鍵影響因素是浸泡溶液的極性、發(fā)光體濃度和陽極化時(shí)間。Zare等人[24]發(fā)現(xiàn)，AA-PSP的靜態(tài)特性受輻射光、壓力靈敏度和溫度依賴性的影響。AA-PSP的響應(yīng)時(shí)間尺度可以通過測量涂料發(fā)光壽命和對階躍壓力變化的響應(yīng)時(shí)間來衡量[25]，其中有機(jī)發(fā)光體的AA-PSP發(fā)光壽命在1ns量級，而金屬絡(luò)合物發(fā)光體的AA-PSP發(fā)光壽命在100ns量級。AA-PSP的制備要求被測模型表面必須是鋁或鋁鎂等輕質(zhì)金屬合金，且適合于被測量面積相對較小的模型，也可以用于彎曲的被測量曲面，基質(zhì)層的厚度可以通過陽極化的時(shí)間長短來控制。目前，在所有動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果中AA-PSP的頻響是最高的。

圖1 AA-PSP結(jié)構(gòu)示意圖及電鏡掃描結(jié)果[19]

Fig.1SchematicillustrationsandscanningelectronmicrographsofAA-PSP[19]

1.4.3聚合物/陶瓷壓敏涂料(Polymer/CeramicPSP,PC-PSP)

TLC-PSP和AA-PSP已經(jīng)大量用于非定常流動(dòng)測量中，但是這2種多孔PSP的基質(zhì)材料限制了它的應(yīng)用，因此導(dǎo)致了PC-PSP的發(fā)展。PC-PSP可以用于任意形狀和材料的模型，是由高濃度陶瓷顆粒和少量聚合物(比重約3.5%)構(gòu)成的混合物作為基質(zhì)材料的壓敏涂料。如圖2所示，其響應(yīng)時(shí)間隨混合基質(zhì)中的聚合物比例降低而減小，當(dāng)前國內(nèi)外所使用的PC-PSP的響應(yīng)時(shí)間均低于1ms。

圖2 PC-PSP結(jié)構(gòu)示意圖及電鏡掃描結(jié)果

Fig.2SchematicillustrationsandscanningelectronmicrographsofPC-PSP

1988年，美國華盛頓大學(xué)的Ponomarev等人[26]提出用聚合物/陶瓷混合成份以提升壓敏涂料的響應(yīng)頻率。1999年，Scroggin[27]首次使用氧化鋁(氧化鈦)顆?；旌仙倭康木酆衔飿?gòu)成PC-PSP的基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)PC-PSP的發(fā)光強(qiáng)度、壓力靈敏度、溫度依賴性和響應(yīng)時(shí)間受發(fā)光體、聚合物和陶瓷顆粒的影響。通過控制聚合物/顆粒占比，選用釕化合物為發(fā)光體的涂料發(fā)光強(qiáng)度能夠達(dá)到最優(yōu)，壓力靈敏度在(-0.21%～0.95%)/kPa之間，而溫度靈敏度取決于聚合物和多孔顆粒，在(-0.65%～1.35%)/K之間[28-29]。Scroggin和Juliano[30-31]發(fā)現(xiàn)基于鉑卟啉(PtTFPP)的壓敏涂料壓力靈敏度(-0.82%/kPa)明顯高于基于釕化合物的壓敏涂料(-0.2%/kPa)，同時(shí)，涂料的溫度靈敏度相似，發(fā)光壽命略長于釕化合物壓敏涂料。Sugimoto[32]對PC-PSP的頻響特性進(jìn)行了深入的研究發(fā)現(xiàn)，溫度對PC-PSP的響應(yīng)特性有一定影響，但一定涂層厚度范圍(20～300μm)內(nèi)其響應(yīng)特性變化不大，由此猜測發(fā)光體主要沉積在涂層上表面或涂層過厚導(dǎo)致僅上表面的發(fā)光體能被照射發(fā)光。Gregory等人[33]提供了PC-PSP的詳細(xì)制備過程，并可通過商業(yè)公司直接購買。2012年，Kameda等人[34]研發(fā)了一種和PC-PSP的類似的涂料，采用高離散納米量級的陶瓷顆粒而沒有加入聚合物,得到基于PtTFPP發(fā)光體的PSP的壓力靈敏度(-0.94%/kPa)和溫度靈敏度(-1.68%/K)與PC-PSP相近。

除多孔PSP外，高透氧聚合物基質(zhì)壓敏涂料也可以用于非定常測量[35-36]，如TMSP(聚乙烯[1-三甲硅基-1-丙炔])的氧滲透率是傳統(tǒng)硅樹脂和聚苯乙烯聚合物基質(zhì)的10～50倍[37]。尤其在低溫條件下， TMSP涂料能夠形成較大的無定形結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，保證較高的氧滲透率。發(fā)光體和TMSP基質(zhì)混入同一溶劑中，將混合物涂覆在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。TMSP壓敏涂料的響應(yīng)時(shí)間尺度在10ms量級。

2 動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置

Baron采用多孔氧化硅TLC平板作為膠黏劑測量得到TLC-PSP的響應(yīng)時(shí)間觀測值小于25μs,雖然這種脆性的PSP實(shí)際上不能用于風(fēng)洞測試，但Baron等的工作證明采用多孔介質(zhì)材料能夠有效縮短涂料的響應(yīng)時(shí)間?？焖夙憫?yīng)PSP的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法日趨成熟，能夠給出動(dòng)態(tài)響應(yīng)標(biāo)定系統(tǒng)固有測量范圍內(nèi)的最短響應(yīng)時(shí)間，有效驗(yàn)證涂料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，幫助指導(dǎo)涂料的研制選型。同時(shí)，由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑼苛吓浞?、制作工藝及噴涂工藝的區(qū)別，PSP的響應(yīng)時(shí)間略有差異，因此在試驗(yàn)前需要對快速響應(yīng)PSP進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)和響應(yīng)時(shí)間測量，以確定涂料的響應(yīng)頻率是否滿足試驗(yàn)需求。

理想的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置應(yīng)該給出足夠高頻率下快速響應(yīng)PSP得到的壓力場信息，同時(shí)和標(biāo)準(zhǔn)測量值進(jìn)行比對，給出信號對應(yīng)頻率的幅值和相位遲滯信息。表1列舉了幾種常用標(biāo)定裝置的響應(yīng)時(shí)間尺度和壓力變化尺度。

表1 不同動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法對比[3]Table 1 Comparison of different dynamic calibration methods[3]

2.1 激波管

最常用的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置是激波管[36,38-39]，通過破膜技術(shù)在幾微秒內(nèi)形成激波，產(chǎn)生較快的壓力階躍變化，因此激波管是測試小于1μs響應(yīng)時(shí)間的快速PSP的理想裝置。圖3顯示了檢測PSP時(shí)間響應(yīng)的簡單激波管示意圖。驅(qū)動(dòng)與被動(dòng)試驗(yàn)段之間的鋁薄膜由于壓差而爆破，被動(dòng)段為1個(gè)大氣壓力。動(dòng)態(tài)壓力傳感器與安置于激波管壁的測壓孔相連接，用來測量動(dòng)態(tài)參照壓力。PSP覆蓋在可直接安裝于激波管壁的正方形鋁塊表面。參考壓力傳感器和PSP試件安置于鋁薄膜兩側(cè)，PSP的照射光源為波長532nm的激光。當(dāng)激波通過PSP測點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的光致發(fā)光信號通過高通濾光片(>570nm)后由光電倍增管采集，電壓信號由示波器顯示。由激光光斑尺寸d和激波速度u確定了可探測壓力上升時(shí)間的極限t=d/u(3～5μs)。若使用像增強(qiáng)高速CCD相機(jī)采集，則能夠得到激波通過PSP試件過程的全場發(fā)光圖像。

圖3 PSP激波管響應(yīng)時(shí)間測試示意圖

Fig.3SchematicillustrationsoftheshocktubefordeterminingthePSPtimeresponse

圖4給出了3種典型多孔介質(zhì)PSP在同一壓力階躍下的時(shí)間響應(yīng)比較，3種配方選擇了同一探針分子Ru(dpp)，多孔介質(zhì)分別為陽極化鋁、多孔氧化硅薄層色譜板、聚合物/陶瓷，得到AA-PSP和TLC-PSP響應(yīng)時(shí)間在10μs級，而PC-PSP的響應(yīng)時(shí)間在1ms量級。Kameda[34]通過激波管標(biāo)定了所研發(fā)的納米硅粒子PSP，發(fā)現(xiàn)其階躍響應(yīng)時(shí)間小于100μs。Fujii等人[40]在激波管中測量了AA-PSP響應(yīng)時(shí)間

在350ns量級，頻響高達(dá)1MHz。激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置的主要限制在于無法提供頻響數(shù)據(jù)的相位遲滯和振幅衰減信息。

圖4 多孔Ru類PSP時(shí)間響應(yīng)對比[40]

Fig.4ComparisonofthetimeresponseofporousRu(dpp)-basedPSP[40]

2.2 電磁閥壓力突升裝置

另一種簡單的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置為電磁閥式開關(guān)產(chǎn)生壓力容器內(nèi)部的壓力階躍[8,18,35-36,41-43]。圖5顯示了Asai等[35-36]測試PSP時(shí)間響應(yīng)的壓力突升裝置。該裝置具有1個(gè)與快開閥相通的用于測試的小

空腔，快開閥時(shí)間常數(shù)為幾百微秒。該裝置所用的試件為覆蓋了PSP的鋁制試樣。圖6顯示了以PtOEP為探針分子并以GP197、陽極化鋁和PTMSP為基底的部分PSP從真空到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力階躍條件下的時(shí)間響應(yīng)，同時(shí)給出了Kulite壓力傳感器同步測量的參考壓力信號。以GP197為基底的PSP響應(yīng)很慢，一般在0.1s量級，而以陽極化鋁和PTMSP為基底的PSP具有微秒級的時(shí)間響應(yīng)。

圖5 電磁閥壓力突變裝置示意圖

圖6 PSP在壓力階躍中的時(shí)間響應(yīng)[35]

Fig.6TimeresponseofPSPstoastepchangeinpressure(a)kulitesensor(reference), (b)GP197-PSP, (c)AA-PSP,and(d)poly(TMSP)-PSP[35]

2.3 駐波管

近年來，駐波管也被用于PSP的響應(yīng)時(shí)間測量,相比于其他動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法，駐波管能夠直接測量頻率的幅值衰減和相位遲滯[9,32,44-46]。在激波管和駐波管中進(jìn)行的AA-PSP響應(yīng)時(shí)間測量表明，AA-PSP厚度是響應(yīng)時(shí)間的主要影響因素。考慮陽極化鋁層厚度不確定度(10±1μm)的前提，AA-PSP一般在30～50μs內(nèi)完成壓力上升期的90%。不同發(fā)光體的AA-PSP動(dòng)態(tài)響應(yīng)有所不同，但溫度對AA-PSP的頻響影響較小。PC-PSP的響應(yīng)時(shí)間特性不同于AA-PSP，主要受聚合體成分的影響，當(dāng)組分中聚合體所占比例從2.6%提高到90%時(shí)，響應(yīng)時(shí)間由10μs增加到10s。因此用于非定常流動(dòng)測量的PC-PSP中聚合體所占比重接近3%。Sugimoto和McMullen對基于PtTFPP的PC-PSP分別在不同實(shí)驗(yàn)室中采用駐波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法進(jìn)行了對比試驗(yàn)[4]，幅值衰減3dB,頻率均在6kHz左右。

類似駐波管的測量方法還有Klein等人[47-48]提出的利用機(jī)械振動(dòng)器產(chǎn)生壓力變化。在三通閥內(nèi)用高強(qiáng)度持續(xù)光照射PSP，通過光電倍增管采集發(fā)光信號。沿共鳴管長度方向的壓力場分布是一維且始終隨時(shí)間變化的，同時(shí)用動(dòng)態(tài)傳感器作為對比基準(zhǔn)。共振頻率隨共鳴管長度和直徑而變化。

2.4 射流振蕩器

當(dāng)射流在兩側(cè)壁之間流動(dòng)時(shí), 由于元件幾何結(jié)構(gòu)的微小不對稱性及射流本身存在的紊亂，射流將發(fā)生偏轉(zhuǎn),并最終牢固附于一側(cè)壁面上的現(xiàn)象被稱為射流的Coanda效應(yīng)，也稱為附壁效應(yīng)。當(dāng)射流受到外部流體急速流入時(shí)，原有的力平衡被打破，射流由附于一側(cè)壁變?yōu)楦接诹硪粋?cè)壁。這種應(yīng)用附壁效應(yīng)和附壁射流切換的射流振蕩裝置常被用于檢測PSP的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。Gregory等人[49]利用射流振蕩器作為動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置來測量PSP的響應(yīng)時(shí)間，射流振蕩器的優(yōu)勢在于能夠提供頻域的相位和幅值信息。振蕩射流的頻率隨供給壓力提高而增加，相同壓力下振蕩器的尺寸越小，振蕩頻率越高，一般在10kHz量級，射流振蕩器能夠提供高頻和高動(dòng)態(tài)壓力變化。在流場內(nèi)放置參考壓力傳感器，與PSP得到的時(shí)變壓力響應(yīng)進(jìn)行對比，振蕩射流直接沖擊在PSP試件表面。

除此之外，Sakamura等人[50]應(yīng)用Gassegrain光學(xué)元件設(shè)計(jì)了一種脈沖射流裝置測量扁平空氣沖擊噴嘴所產(chǎn)生的周期性壓力波動(dòng),通過調(diào)制盤控制高動(dòng)態(tài)壓力源產(chǎn)生脈沖射流，受維度、狹縫數(shù)和調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)速度限制，測得的典型脈動(dòng)頻率在1.5kHz左右。Jordan等[51]用揚(yáng)聲器為振蕩壓力源進(jìn)行了溶膠-凝膠基的PSP動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)，并獲得了高達(dá)6kHz的頻率響應(yīng)。

3 試驗(yàn)測量方法

PSP測量系統(tǒng)主要包括照射光源、濾光器、光電探測器和數(shù)據(jù)采集處理等部分，基于不同的光分子機(jī)理、試驗(yàn)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析方法，在進(jìn)行快速響應(yīng)PSP試驗(yàn)時(shí)所采用的測量方法和系統(tǒng)各有不同。

3.1 點(diǎn)測量方法

點(diǎn)測量方法利用激光器激發(fā)PSP，通過光電倍增管檢測發(fā)光信號。激光器能夠提供高強(qiáng)度的激發(fā)光，在模擬輸出信號數(shù)字化處理之前，標(biāo)準(zhǔn)的信噪比增強(qiáng)技術(shù)可提高測量精度。通過放大及帶寬限制濾波，然后使用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器將信號數(shù)字化，極大地改善信噪比，適合于壓力波動(dòng)幅值相對較小的情況，如噪聲測量中，平均壓力約105Pa，而壓力波動(dòng)在102Pa量級。這種方法的局限性在于測量區(qū)域較小，為了測量多點(diǎn)的壓力，需要采用多激光器/光電倍增管或激光掃描系統(tǒng)。當(dāng)光學(xué)采集受限，CCD相機(jī)系統(tǒng)難以使用時(shí)，可采用點(diǎn)測量方法進(jìn)行PSP測量。Nakakita通過點(diǎn)測量技術(shù)測量了機(jī)翼后緣的噪聲光譜[52-53]。

3.2 相位平均法

相位平均是最早用于獲取快速響應(yīng)PSP數(shù)據(jù)的方法[54-59]，不需要高幀頻的CCD相機(jī)就能進(jìn)行測量。通常采用麥克風(fēng)或壓電式傳感器獲得信號，通過相位鎖定被過濾分離的特征頻率，設(shè)定參考點(diǎn)調(diào)整遲滯得到一系列該相位下的PSP圖像，從而重建得到壓力時(shí)間關(guān)系曲線。相位法通過采集大量圖像進(jìn)行平均能夠減少噪聲，提高信噪比。理論上采集圖像數(shù)量沒有限制，實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)中由于試驗(yàn)成本以及長時(shí)間試驗(yàn)導(dǎo)致的溫度變化和涂料光降解限制了圖像采集數(shù)量。相位平均方法要求流場流動(dòng)特征必須是隨時(shí)間周期變化的，只能對穩(wěn)定、單一的頻率信號進(jìn)行相位鎖定，但許多情況無法提供參考信號且實(shí)際流動(dòng)中包含多種特征頻率。

3.3 高速圖像采集測量方法

高速圖像采集測量方法利用高速相機(jī)配合持續(xù)LED光照，實(shí)時(shí)拍攝獲得快速響應(yīng)PSP壓力脈動(dòng)變化。在過去幾十年里，高速相機(jī)的采集能力、制造成本和質(zhì)量都有了飛速發(fā)展， CMOS相機(jī)噪聲降低至CCD相機(jī)同等水平，全幀幅(兆像素量級)圖像采集頻率超過10kHz。同時(shí)，LED發(fā)光技術(shù)能夠?yàn)槠涮峁└邚?qiáng)度激發(fā)光，提高圖像信噪比，使其更適用于快速響應(yīng)PSP測量[48,53,60-70]?；诟咚賵D像采集測量方法的優(yōu)勢在于能夠給出實(shí)時(shí)瞬態(tài)的壓力變化，不要求流場流動(dòng)特征是周期變化的，能夠捕獲流場中任一時(shí)刻的壓力場，提供模型表面高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的壓力數(shù)據(jù)，通過頻譜分析、互相關(guān)算法、模態(tài)分析方法和聲束合成等數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)一步挖掘?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，幫助理解流場流動(dòng)特征。高速圖像采集測量方法的主要缺點(diǎn)是隨著采集頻率的提高，曝光時(shí)間縮短，采集圖像的光強(qiáng)降低，信噪比降低。

3.4 基于雙分量PSP的運(yùn)動(dòng)捕獲方法

在光強(qiáng)法中需要采集無風(fēng)參考圖像來消除光源不均勻照射影響，提取參考壓力信息，因此當(dāng)模型移動(dòng)、變形導(dǎo)致表面光強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光強(qiáng)法會產(chǎn)生顯著的誤差。Sakaue等人[71]提出一種針對運(yùn)動(dòng)模型捕獲表面壓力數(shù)據(jù)的雙分量PSP方法，由對氧組分敏感的發(fā)光體(活性探針)和對氧組分不敏感的發(fā)光體(參考探針)組成，活性探針和參考探針可用相同的激發(fā)光激發(fā)。在理想情況下，活性探針和參照發(fā)光探針的發(fā)射光譜之間沒有交迭，這2種組分發(fā)的光可進(jìn)行分離。令I(lǐng)λ1和Iλ2分別為活性探針和參考探針在發(fā)射波長處的發(fā)光強(qiáng)度，任一時(shí)刻下同時(shí)采集探針圖像和參照圖像，通過二者光強(qiáng)之間的比值Iλ1/Iλ2可以得到壓力光強(qiáng)換算關(guān)系。如圖7所示，雙分量PSP通過彩色相機(jī)紅色和綠色通道采集，分別獲得壓力信息和參考圖像信息。利用多孔材料能夠降低PSP的響應(yīng)時(shí)間，配合彩色高速相機(jī)可用于高速流場和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測量中的運(yùn)動(dòng)模型表面壓力捕獲。雙組分壓敏涂料最主要問題在于2種發(fā)光體信號間分離和交迭，導(dǎo)致熒光能量共振轉(zhuǎn)移，壓力靈敏度降低[72]。

3.5 單次激發(fā)壽命法

近年國外開展了大量基于單次激發(fā)壽命法的研究工作[31,56,73-78]。壽命法主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)部件壓力測量，現(xiàn)逐漸應(yīng)用于特定條件下瞬態(tài)壓力場數(shù)據(jù)采集。如圖8所示，為了保證參考信息和壓力信息照射光源一致性，單次激發(fā)壽命法一般在脈沖光源激發(fā)過程中，在t1～t2時(shí)間內(nèi)采集第一幅圖像作為參考圖像，延遲一定時(shí)間后，t3～t4內(nèi)采集第二幅圖像作為壓力測量圖像，通過強(qiáng)度比值消除照明誤差。與光強(qiáng)法相比，壽命法的最大優(yōu)勢在于光致發(fā)光壽命和壓力之間的關(guān)系不由激發(fā)光照射強(qiáng)度決定，因此壽命法不存在光強(qiáng)法測量中激發(fā)光照射不均勻等問題。單次激發(fā)壽命法通過使用脈沖激光器等高能激發(fā)光能夠得到較高的信噪比，激光器光源具有穩(wěn)定和遠(yuǎn)距離激發(fā)照射的優(yōu)點(diǎn)，適用于大尺寸風(fēng)洞設(shè)施。單次激發(fā)壽命法不需要進(jìn)行圖像平均，且參考圖像和壓力測量圖像是在同一幀脈沖激發(fā)光下得到的，能夠消除模型移動(dòng)帶來的影響。

圖7 針對運(yùn)動(dòng)捕獲的雙分量PSP系統(tǒng)示意圖[71]

圖8 單次激發(fā)壽命法

目前單次激發(fā)壽命法的主要問題是數(shù)據(jù)采集頻率受限于設(shè)備，通常在10Hz左右，遠(yuǎn)低于流場流動(dòng)特征主頻，雖然不需要相位平均，但需相關(guān)性重構(gòu)。Goss等人[81]認(rèn)為，試驗(yàn)過程中由于空間上PSP靈敏度差異還需要采集無風(fēng)參考圖像，高反射率的PC-PSP配合高能量激發(fā)光源能夠提供和PIV脈沖激光器頻率相當(dāng)?shù)臅r(shí)間序列壓力信息。

3.6 PSP顆粒法

單次激發(fā)壽命法中所使用的脈沖激光器和跨幀CCD相機(jī)與PIV中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相近，因此，最早由kimura等人[82]提出并開展了PSP顆粒法的研究工作。通過研制微米級粒徑的PSP示蹤粒子，采用脈沖激光器和跨幀相機(jī)，結(jié)合PSP和PIV實(shí)驗(yàn)原理，通過圖像比法和互相關(guān)算法，理論上能夠同時(shí)測量流場的壓力場和速度場信息。PSP顆粒法的研究重點(diǎn)在于多晶或球狀的微米級壓敏探針粒子的研制、對壓力響應(yīng)的標(biāo)定以及整套試驗(yàn)系統(tǒng)的時(shí)序控制和采集。該方法同樣適用于溫敏漆。

4 快速響應(yīng)PSP國內(nèi)外典型應(yīng)用

4.1 典型非定?；蛑芷谛粤鲌?/h3>

研究快速響應(yīng)PSP技術(shù)多起步于簡單的非定?；蛑芷谛粤鲃?dòng)，如微振蕩射流、平板圓柱/鈍舵和三角翼繞流等，這些經(jīng)典模型繞流的共同點(diǎn)是流場結(jié)構(gòu)簡單且具有非定常性或周期性，因此能夠很好地驗(yàn)證快速響應(yīng)PSP的動(dòng)態(tài)特性。

美國普渡大學(xué)的Sullivan等人[83]早在2001年就開展了基于振蕩射流的快速響應(yīng)PSP測量實(shí)驗(yàn)，對比了AA-PSP(響應(yīng)頻率12.2kHz)、TLC-PSP(響應(yīng)頻率為11.4kHz)和PC-PSP(響應(yīng)頻率為3.95kHz)3種典型涂料的測量結(jié)果，3種涂料均能捕捉到振蕩射流的壓力變化，其中，AA-PSP的壓力測量結(jié)果最為清晰，PC-PSP對壓力值最為敏感。Tomac和Gregory等人[84]也開展了相關(guān)測量，圖9給出了快速響應(yīng)PSP在微尺度振蕩射流中的典型應(yīng)用，將AA-PSP樣片置于微尺度射流振蕩器出口處，利用高壓氣體形成9.4kHz的高頻振蕩射流，狀態(tài)由a發(fā)展到c的時(shí)間為20μs，通過相位平均法得到了流場中射流振蕩的擺動(dòng)過程和位置。流場的整個(gè)測量區(qū)域?yàn)?mm×2mm，相對于傳統(tǒng)測壓方法能夠提供高空間分辨率的壓力場信息。2013年，F(xiàn)ujii[40]研究了2種不同形式的AA-PSP樣片，第一種涂料的孔徑為168μm，孔深2.2μm，響應(yīng)時(shí)間為0.36μs;第二種樣片的孔徑為20μm，孔深10.7μm，響應(yīng)時(shí)間為10.3μs。在激波管中進(jìn)行了圓柱擾流試驗(yàn)，通過對比發(fā)現(xiàn)第一種涂料能夠更好地顯示其響應(yīng)特性和流動(dòng)特征。

圖9 基于AA-PSP測量得到的高頻微尺度射流振蕩結(jié)果[84]

2015年，Crafton等人[85]在Ma=2平板橫向射流實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了快速響應(yīng)PSP測量以驗(yàn)證涂料，得到了7000 frames/s(1024 pixel×1024 pixel)和25 000 frames/s(512 pixel×512 pixel)2種動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)，從中能夠清晰地看到弓形激波隨時(shí)間不斷變化、振蕩的過程。選取其中來流、弓形激波、滯止區(qū)和波后4點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析，如圖10所示，頻譜中沒有明顯峰值。來流數(shù)據(jù)沒有劇烈的波動(dòng)，在250Hz以后聲壓級趨近105dB，而弓形激波和波后的聲壓級幅值僅相差5dB，在2kHz降低到和來流聲壓級相近，壓力脈動(dòng)較大區(qū)域位于滯止區(qū)。

圖10 平板橫向噴流特征點(diǎn)功率譜，噴孔直徑d=4.76mm，噴流壓力p=703kPa[85]

Fig.10Pressurefluctuationsandamplitudeofthepowerspectrumatthefourindicatedlocationsforthe4.76mm-diameterinjectorblockoperatingatpinj=703kPa[85]

國內(nèi)向星居等人[86]在定常PSP測壓試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，與中科院化學(xué)所合作，研究和發(fā)展了快速響應(yīng)PSP測試技術(shù)，針對多批次、多種涂料進(jìn)行了相關(guān)特性測試和實(shí)驗(yàn)研究，涂料的響應(yīng)時(shí)間由最初的300ms降低到0.2ms。如圖11所示，對平板圓柱進(jìn)行了PSP試驗(yàn)，得到了非定常連續(xù)壓力場數(shù)據(jù)和云圖，獲得了準(zhǔn)確的氣動(dòng)壓力分布圖及豐富的流場顯示圖像,具備了非定常流場測壓能力。

4.2 運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)機(jī)械表面壓力測量

相對于傳統(tǒng)的在模型表面鋪設(shè)測壓孔的方法，PSP的最大優(yōu)勢在于能夠解決常規(guī)測壓技術(shù)難于應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)物體和旋轉(zhuǎn)體部件表面壓力測量問題，如渦輪機(jī)械內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)葉片、直升機(jī)螺旋槳葉等。早在1995年，由Burns和Sullivan提出[87]用激光掃描系統(tǒng)分別對轉(zhuǎn)速3120和2360r/min的螺旋槳葉表面壓力分布進(jìn)行了測量；Mosharov等人[88]則利用CCD相機(jī)和脈沖光源系統(tǒng)，采用光強(qiáng)法測量獲得了旋轉(zhuǎn)螺旋槳葉表面壓力分布；同時(shí)期，Hubner等人[89]提出基于PSP壽命法對旋轉(zhuǎn)物體表面進(jìn)行測壓，介紹了通過CCD相機(jī)對PSP發(fā)射光衰減的時(shí)間函數(shù)來獲得旋轉(zhuǎn)表面壓力分布的方法。

圖11 圓柱繞流非定常壓力變化過程前20ms圖像，Ma=5，采集頻率250 frames/s

Fig.11Thefirst20msimageofunsteadypressurebehavioraroundthecylinder,f=250frames/s,Ma=5

當(dāng)前，采用單次激發(fā)壽命法結(jié)合PC-PSP測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械的表面壓力方法應(yīng)用最為廣泛，能夠在激光器一次激發(fā)過程中先后采集參考圖像和運(yùn)動(dòng)圖像。美國俄亥俄州大學(xué)在PSP非定常測量中做了很多卓有成效的工作，其中就包括Disotell等人[90]利用單次激發(fā)壽命法在低速風(fēng)洞中測量得到直升機(jī)前進(jìn)過程中不同方位角位置的機(jī)翼表面非定常壓力變化情況。風(fēng)洞來流速度45m/s,直升機(jī)機(jī)翼旋轉(zhuǎn)頻率82Hz，激發(fā)光源為脈沖Nd:YAG激光器，波長532nm，試驗(yàn)相機(jī)為PCO1600，采樣頻率6.6Hz。同時(shí)，獲得了模型表面的溫度分布，并據(jù)此對翼面的壓力進(jìn)行溫度補(bǔ)償和修正。圖12所示分別為經(jīng)過濾波和溫度校正后的前進(jìn)葉片和后退葉片表面壓力分布結(jié)果，很好地驗(yàn)證了基于單次激發(fā)壽命法測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械表面壓力分布的可行性。

圖12 直升機(jī)葉片前進(jìn)(a)和后退(b)表面壓力分布測量結(jié)果[90]

Fig.12Pressuredistributionsontheadvancingbladeandretreatingbladeofahelicopter[90]

渦輪機(jī)械內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)葉片相比于直升機(jī)螺旋槳葉來說，測量系統(tǒng)相近，但測量難度更大，環(huán)境也更惡劣。上海交通大學(xué)彭迪等人[91]利用單次激發(fā)壽命法的快速PSP和TSP技術(shù)測量了渦輪增壓壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片表面的壓力和溫度分布情況。激發(fā)光源采用波長532nm的脈沖Nd:YAG激光器，發(fā)光圖像通過雙曝光模式的CCD相機(jī)采集，壓敏漆和溫敏漆分別噴涂在不同葉片上，并在一次試驗(yàn)中同時(shí)獲得葉片表面的壓力場和溫度場。試驗(yàn)中所遇到的主要問題是高速旋轉(zhuǎn)葉片的運(yùn)動(dòng)模糊和溫度效應(yīng)，可以通過去卷積算法進(jìn)行模糊校正，利用TSP數(shù)據(jù)點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行溫度修正，最終得到不同轉(zhuǎn)速下葉片表面準(zhǔn)確的壓力數(shù)據(jù)。

圖13 PSP單次激發(fā)壽命法系統(tǒng)[91]

Fig.13Single-shotlifetimebasedsystemforPSPmeasurementsonturbochargercompressor[91]

圖14 葉片表面壓力分布, (a)n=20kr/min, (b)n=40kr/min, (c)n=60kr/min, (d)n=80kr/min[91]

Fig.14Bladepressurefieldsat(a)n=20kr/min, (b)n=40kr/min, (c)n=60kr/min, (d)n=80kr/min[91]

對于快速響應(yīng)PSP技術(shù)和運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件，要準(zhǔn)確獲得旋轉(zhuǎn)部件表面非定常壓力分布必須要能夠同時(shí)獲得運(yùn)動(dòng)圖像和參考圖像信息。除單次激發(fā)壽命法外，基于運(yùn)動(dòng)捕獲的雙分量PSP方法也能夠測量運(yùn)動(dòng)物體表面壓力分布情況。Ishii等人[92]采用雙色PSP/TSP技術(shù)結(jié)合高速彩色相機(jī)測量自由飛行的彈頭表面壓力和溫度數(shù)據(jù)，彈頭飛行速度接近聲速。激發(fā)光源采用455nm的高強(qiáng)度藍(lán)色激光器，PSP和TSP的對應(yīng)高速相機(jī)采樣頻率分別為49和40kHz，由于發(fā)光強(qiáng)度差異，PSP和TSP的曝光時(shí)間分別為10和5μs。數(shù)據(jù)處理上利用雙分量PSP方法結(jié)合維納濾波和中值濾波方法來減小模型運(yùn)動(dòng)模糊和隨機(jī)噪聲的影響，最終實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)捕獲雙分量PSP的應(yīng)用。

圖15 AA-PSP模型表面的壓力分布(a)和溫度分布(b)[92]

Fig.15Pressuremap(a)andtemperaturemap(b)ofanAA-TSPmodel[92]

4.3 低速和高超聲速流場測量應(yīng)用

當(dāng)前大多數(shù)PSP測量應(yīng)用于亞、跨和超聲速流動(dòng)條件下，因?yàn)镻SP技術(shù)在Ma0.3～3范圍內(nèi)最為有效。尤其對于快速響應(yīng)PSP技術(shù)，當(dāng)測量超過這一范圍就會擴(kuò)大技術(shù)本身存在的問題。因此，快速響應(yīng)PSP技術(shù)的應(yīng)用范圍向低速和高超聲速兩極發(fā)展，面臨的主要問題即測試結(jié)果的信噪比和測量精度降低。

低速流動(dòng)條件下，壓力變化很小，測壓誤差主要來源于壓力靈敏度較低、溫度效應(yīng)、圖像失準(zhǔn)和CCD相機(jī)噪聲，因此低速流動(dòng)條件下降低測量誤差才能得到準(zhǔn)確的定量壓力值。Nakakita[53]利用AA-PSP結(jié)合高速圖像采集方法測量了二維NACA0012翼型機(jī)翼后緣的壓力波動(dòng)區(qū)域，流速U=28m/s，壓力波動(dòng)150Pa，波動(dòng)主頻920Hz，高速圖像采樣頻率10kHz。同時(shí)用激光掃描系統(tǒng)對模型表面進(jìn)行了非定常PSP壓力測量，給出了2種測量方法的壓力波動(dòng)區(qū)域和功率譜分布對比結(jié)果，如圖16所示，2種方法的測量結(jié)果基本一致。數(shù)據(jù)處理上采用了傅里葉變換和頻譜相減等方法來降低功率譜的噪聲和壓力波動(dòng)。

圖16 PSP測量結(jié)果功率譜(α=-1.5°，x/c=0，y/c=0.9)[53]

Fig.16ResultofthePSPpowerspectrum, (a)high-speedimaging, (b)pointmeasurement[53]

Nakakita[70]同樣在低速風(fēng)洞中測量了帶有典型周期性特征卡門渦運(yùn)動(dòng)的二維圓柱擾流試驗(yàn)，得到了圓柱上的壓力場、幅值和相位信息。分析吹風(fēng)前、吹風(fēng)過程中的頻譜圖，通過對應(yīng)相減的方式剔除背景噪聲影響，最終得到圓柱擾流流動(dòng)特征的頻譜圖。

彭迪等人[93]開發(fā)了一套針對低速流動(dòng)環(huán)境的脈動(dòng)壓力測量技術(shù)，使用PC-PSP在低速流動(dòng)下(流速小于20m/s)得到較好的測量結(jié)果，能夠測得50Pa量級的微小脈動(dòng)壓力。該測量技術(shù)使用連續(xù)UV-LED作為激發(fā)光源，并使用高速相機(jī)以1kHz以上的頻率連續(xù)采樣獲得模型表面脈動(dòng)壓力信息。如圖17～18，針對低速流動(dòng)壓力信號弱、信噪比低的問題，應(yīng)用基于本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition , POD)的數(shù)據(jù)處理算法，有效消除了相機(jī)噪聲的影響，從而獲得具有高空間分辨率，高精度的壓力脈動(dòng)信息。該測量技術(shù)在低速風(fēng)洞中的渦/平板干擾研究中得到成功應(yīng)用。

圖17 原瞬態(tài)壓力場圖像，采樣頻率1kHz[93]

Fig.17Instantaneouspressurefluctuations,1kHz[93]

圖18 基于POD方法重構(gòu)出的壓力場圖像，采樣頻率1kHz[93]

Fig.18InstantaneouspressurefluctuationsreconstructedfromselectedPODmodes,1kHz[93]

而高超聲速流動(dòng)條件下PSP應(yīng)用難度增大的原因在于高超聲速氣流的高焓將會引起模型表面溫度發(fā)生較大幅度的增加，從而使涂料的溫度效應(yīng)急劇增加，影響測量結(jié)果精度和信噪比。薄涂層要承受高溫高速來流的高摩擦力和沖刷，而且在較短時(shí)間內(nèi)對表面壓力產(chǎn)生快速反應(yīng)，尤其在參考壓力和測量壓力相差大于一定閾值情況下，要同時(shí)保證參考圖像有足夠的發(fā)光強(qiáng)度，吹風(fēng)圖像不會過度曝光。

Nakakita等[94]在日本JAXA激波風(fēng)洞中完成了Ma=10條件下壓縮拐角模型壓力分布測量，基于Ru(dpp)探針的AA-PSP響應(yīng)時(shí)間在30～100μs。激發(fā)照射光源采用高穩(wěn)定性的連續(xù)氖燈，輸出光波動(dòng)低于1%，圖像由14bit的ICCD相機(jī)采集，曝光時(shí)間20ms。對采集的圖像進(jìn)行均值濾波以降低光子散粒效應(yīng)噪聲和讀取噪聲，實(shí)現(xiàn)了模型表面壓力測量，所得PSP實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳感器數(shù)據(jù)吻合較好。

中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的向星居、于靖波等人[88]采用自主研發(fā)的PC-PSP和瞬態(tài)壓力測量系統(tǒng)，在高超聲速風(fēng)洞中對壓縮拐角模型開展了測壓試驗(yàn)。測量方法為高速圖像采集方法，試驗(yàn)Ma=5，采樣頻率2kHz。試驗(yàn)前進(jìn)行了紋影試驗(yàn)，通過PSP和紋影圖像綜合對比發(fā)現(xiàn)，PSP能夠準(zhǔn)確捕捉到激波位置和分離區(qū)域大小。壓縮拐角試驗(yàn)結(jié)果顯示，分離區(qū)的壓力升高，再附區(qū)的壓力急劇升高。隨著迎角增加，分離區(qū)縮小，再附激波線越來越前移，直到不再發(fā)生分離。圖19中給出了30°拐角、0°迎角工況下前1.5ms內(nèi)中心截面壓力數(shù)據(jù)和測壓孔數(shù)據(jù)對比結(jié)果。圖20為30°拐角和0°迎角下1.5ms內(nèi)中心線上對應(yīng)PSP和壓力孔數(shù)據(jù)對比。

圖19 壓縮拐角壓力分布云圖，30°拐角

Fig.19Pressuredistributiononthecompressioncornermodelattheangleof30°

圖20 前1.5ms中心線和對應(yīng)的壓力孔數(shù)據(jù)對比

4.4 工程應(yīng)用

一項(xiàng)測試技術(shù)發(fā)展的最終目的仍是在工程實(shí)際中得以應(yīng)用?？焖夙憫?yīng)PSP在應(yīng)用于大尺寸風(fēng)洞的飛行器表面動(dòng)態(tài)壓力和載荷測量中具有很大的優(yōu)勢，同時(shí)也存在一些問題。如大尺寸風(fēng)洞和模型遠(yuǎn)距離、大面積測量導(dǎo)致對測量光源強(qiáng)度、均勻性和測試系統(tǒng)布置等要求更高，隨著測量頻率的提高信噪比降低，以及模型振動(dòng)幅度大影響測量結(jié)果精度等問題。

德國宇航中心是最早一批獨(dú)立開展PSP測試技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)之一，近20年來發(fā)展了包括PSP、TSP和快速響應(yīng)PSP在內(nèi)的多種測試技術(shù)，其應(yīng)用涵蓋翼型、飛行器、旋轉(zhuǎn)機(jī)械及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道領(lǐng)域。Gardner等人[95]在DNW-TWG風(fēng)洞應(yīng)用快速響應(yīng)PSP技術(shù)測量了OA209翼型表面壓力分布以研究三維非定常分離問題。PSP的采樣頻率為367Hz，溫度靈敏度約-800Pa/℃，壓力數(shù)據(jù)處理方法則同時(shí)考慮了原位標(biāo)定方法和預(yù)先標(biāo)定方法。研究表明在Ma0.3條件下，機(jī)翼中部的非定常分離傳播更快，形成弓形分離渦結(jié)構(gòu)，而Ma0.5條件下并未觀察到非定常分離。相比于傳統(tǒng)傳感器測量方法，PSP能夠有效觀測到復(fù)雜三維流動(dòng)中流動(dòng)控制方法的效果。

美國在PSP技術(shù)上的發(fā)展比較全面，包括NASA、美國空軍、波音和各大學(xué)紛紛開展了研究，從涂料的研發(fā)和性能的標(biāo)定、改進(jìn)工作，到測量方法和系統(tǒng)不確定度分析，目前已實(shí)現(xiàn)PSP測量系統(tǒng)的商業(yè)化發(fā)展。Watkins等人[96]對集中旋轉(zhuǎn)葉片PSP表面壓力分布測量試驗(yàn)和方法進(jìn)行了綜述，并在2011 年應(yīng)用單次激發(fā)壽命法于NASA蘭利研究中心4.4m×6.6m 亞聲速風(fēng)洞完成了PSP旋翼試驗(yàn)，對比分析了參考溫度數(shù)據(jù)的預(yù)先標(biāo)定方法和參考傳感器數(shù)據(jù)的原位標(biāo)定方法所得壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。經(jīng)原位標(biāo)定后PSP 與壓力傳感器結(jié)果差異在10%以內(nèi)，如圖21所示。

圖21 不同標(biāo)定方法葉片表面壓力和傳感器對比情況[96]

Fig.21ComparisonofPSPdatacalibratedusingtheaprioricalibration, (a)withanassumedtemperatureandthehybridcalibration(b)usingthepressuretransducers[96]

國內(nèi)于靖波等人[97]在1.2m風(fēng)洞就彈/舵模型上表面壓力分布進(jìn)行了PSP風(fēng)洞試驗(yàn)。舵面測量區(qū)域?yàn)?cm×2cm，采用快速響應(yīng)PSP補(bǔ)充試驗(yàn)，采樣頻率2kHz。如圖22所示，PSP試驗(yàn)結(jié)果能夠幫助驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，通過PSP試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證和對比，能夠有效地幫助設(shè)計(jì)人員確保數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。彈身測點(diǎn)的PSP和Kulite的數(shù)據(jù)結(jié)果平均壓力差異在5%以內(nèi)，脈動(dòng)壓力均方根值均在同一量級。圖23給出了Ma=1條件下舵前緣某測點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)隨迎角變化對比結(jié)果,圖24給出了彈身某測點(diǎn)PSP和Kulite無量綱功率譜對比結(jié)果?？梢钥闯觯糠謮好羝岬臏y試結(jié)果和Kulite的測試結(jié)果吻合很好，能夠有效地檢測是否存在由激波誘導(dǎo)的分離或分離和再附引發(fā)的大幅值、中低頻壓力脈動(dòng)。當(dāng)前應(yīng)用的主要限制在于PSP的采樣頻率遠(yuǎn)低于Kulite傳感器，很難測量由湍流導(dǎo)致的高頻壓力脈動(dòng)。

圖22 尾舵數(shù)值模擬(a)和PSP(b)結(jié)果對比圖(Ma=1.0，α=0°)

Fig.22ComparisonofnumericalsolutionresultandPSPresultontherudder,Ma=1.0，α=0°

圖23 舵前緣某測點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)隨迎角變化對比，Ma=1.0，α= 0°，-6°，-12°

Fig.23Comparisonofthepressuredataatdifferentanglesofattackontherudder,Ma=1.0，α=0°, -6°, -12°

圖24 彈身某測點(diǎn)PSP和Kulite無量綱功率譜對比，Ma=0.8，α= 0°

Fig.24ComparisonofthePSPandtheKulitetransducerspectrumonthemissilebody,Ma=0.8，α=0°

5 總結(jié)和展望

過去30年來，隨著涂料制作工藝不斷改進(jìn)，試驗(yàn)測試設(shè)備發(fā)展，配合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法，快速響應(yīng)PSP作為一種非定常表面壓力測量手段能夠提供模型表面高時(shí)間分辨率和高空間分辨率的壓力數(shù)據(jù)，已成功應(yīng)用于解決一系列復(fù)雜空氣動(dòng)力學(xué)問題中，包括激波管、低/超/高超聲速風(fēng)洞非定常流場、微型高頻振蕩射流、運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)部件、聲學(xué)共鳴管、跨聲速顫振試驗(yàn)和激波/邊界層干擾等。本文綜述了快速響應(yīng)PSP近年來的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了多孔PSP、標(biāo)定方法、測量方法和應(yīng)用案例，并在此基礎(chǔ)上提出3點(diǎn)總結(jié)和展望：

(1) 快速響應(yīng)PSP技術(shù)的關(guān)鍵是基質(zhì)材料和壓敏探針分子，從傳統(tǒng)基質(zhì)材料發(fā)展到薄層聚合體、多孔涂層和多發(fā)光體等形式，目的都是降低快速響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)保證涂料壓力靈敏度，降低涂料溫度靈敏度。今后，多元發(fā)光體(敏感探針、參考探針和溫度探針)、新的介質(zhì)構(gòu)型和成膜工藝仍有待開發(fā)，尤其在涂料性能固化和涂層產(chǎn)品化上，還需進(jìn)一步的研究；

(2) 當(dāng)前，測量方法以相位平均法、高速圖像采集方法和單次激發(fā)壽命法為主。Fang等人[57]針對半球頂模型對比分析了3種方法的測量精度和信噪比，每種測量方法都有其固有的優(yōu)點(diǎn)和不足，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)測量條件、試驗(yàn)工況和設(shè)備進(jìn)行擇優(yōu)選取。另一方面，PSP技術(shù)能和其他技術(shù)結(jié)合衍生出新的測量方法，獲取更全面更綜合的測量結(jié)果，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度?；赑SP和PIV技術(shù)的PSP顆粒法能夠同時(shí)獲取空間壓力場和速度場信息。雙分量PSP和單相機(jī)變形測量技術(shù)能夠相互補(bǔ)充，利用變形測量來修正圖像表面壓力，利用雙分量PSP配合彩色相機(jī)雙通道采集的方式可以獲取2幅相關(guān)圖像；

(3) PSP技術(shù)相對于傳統(tǒng)測壓傳感器有其固有的局限性，如溫度效應(yīng)影響、低靈敏度和低信噪比等。針對這些問題還需要提出更多行之有效的補(bǔ)償校正和數(shù)據(jù)分析挖掘方法。目前，解決溫度效應(yīng)的一般方法是通過獲取表面的溫度分布信息或利用相近溫度特性的參考探針來補(bǔ)償溫度帶來的影響；而數(shù)據(jù)處理上多采用濾波、小波分析和模態(tài)分解重構(gòu)等方法結(jié)合圖像配準(zhǔn)和去模糊來提高信噪比，工程應(yīng)用中常直接采用原位標(biāo)定方法。近年來，利用深度學(xué)習(xí)思想建立、模擬人腦的機(jī)制能夠更高效地解釋PSP實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖像，增強(qiáng)數(shù)據(jù)辨識和圖像修復(fù)能力，通過增信降噪提供準(zhǔn)確有效的信息。同時(shí)，國內(nèi)尚缺少專用于PSP等非接觸測量技術(shù)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞，PSP試驗(yàn)布置、可行性和試驗(yàn)效率受到影響，制約了PSP技術(shù)的推廣應(yīng)用。

總的來說，PSP技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)成為空氣動(dòng)力學(xué)研究中一項(xiàng)獨(dú)具特色的非接觸光學(xué)測量手段。其應(yīng)用逐漸從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)轉(zhuǎn)向工程實(shí)際應(yīng)用，從簡單周期性流場到復(fù)雜、高溫的動(dòng)態(tài)流場和旋轉(zhuǎn)機(jī)械問題，再到目前發(fā)展的有遮擋條件下的內(nèi)流場測量和自由飛試驗(yàn)中，今后還將會拓展至真實(shí)飛行環(huán)境和實(shí)際飛行試驗(yàn)中去，成為空氣動(dòng)力學(xué)研究中重要的測量方法和研究手段。