基于CCD和PMT的壓敏漆壓力測量系統(tǒng)設計

吳云峰

摘要在用CCD的壓敏漆檢測系統(tǒng)和基于PMT的壓敏漆熒光檢測設備的性能特點、工作原理的基礎上,結合目前的壓敏漆制造技術,本文提出了一套基于CCD的壓敏漆壓力測量系統(tǒng)設計方案。并通過試驗證明了設計方案的可行性。

關鍵詞壓敏漆 CCD 壓力測量 壓力分布

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A

壓敏技術為科學研究和工業(yè)生產中壓力的測定提供了一種靈敏、全面、廉價、無破壞的柔性檢測方法,在許多方面變革了傳統(tǒng)硬性檢測方法的思路和技術。自壓敏技術提出以來,技術得到不斷改進,有可能取代傳統(tǒng)的測壓方法。目前模型壓力測量中常用的壓力載荷模型造價高達上百萬美元,耗時半年以上;而且每次測壓前數(shù)百個測量通道的連接和泄露檢查需要大量人力和時間使得成本大增,生產效率下降,采用壓敏漆測壓技術就可以大大降低甚至取消對壓力儀表的需求,進而用壓敏漆模型取代壓力載荷模型。壓敏漆模型可以制作得更快更廉價并且容易修改和重新配置。

1 壓敏漆壓力測量系統(tǒng)中的兩種檢測儀器

1.1 基于CCD的壓敏熒光檢測器工作原理

基于CCD的壓敏熒光檢測器是對實驗板或者實驗模型進行壓力校準和壓力測量。CCD熒光檢測原理是熒光圖像,這種成像處理技術利用特殊波長的光來激發(fā)樣片上的熒光,其工作原理是LED燈所發(fā)射出來的光,經過均勻照明系統(tǒng)轉變成一束光強均勻的平行光,然后觸發(fā)濾光片,過濾掉其它波長的光,將檢測背景降低,斜角度射在壓敏漆實驗板上。壓敏漆實驗板片在單色光激發(fā)下所產生的熒光,由于濾光片受發(fā)射窄帶影響,經過攝像鏡頭攝取成像在CCD上。圖像信號被CCD攝像頭輸入到計算機中的圖像采集卡,將信號轉化為數(shù)字信號,然后計算機進行處理。激發(fā)波長下的圖像CCD每次只能讀取一個,針對不同配置的壓敏涂料,需要調整激發(fā)和發(fā)射干涉濾光片,再次讀取。

1.2 基于PMT的壓敏漆熒光檢測器原理

光源示意圖Fig.1 Light signal激發(fā)光源采用超高亮LED燈與單色儀組合發(fā)出單色光對樣品進行激發(fā)。LED發(fā)出的發(fā)散光通過聚焦透鏡聚焦后進入到單色儀的輸入端,通過控制單色儀的旋鈕改變單色儀輸出端輸出的單色光?；赑MT的壓敏漆熒光檢測器結構原理是激發(fā)光由激發(fā)光源發(fā)射出來,經過透鏡A先轉變成直徑較粗的光柱體,然后濾光片B在激發(fā)窄帶干涉下,其它波長的光被過濾掉,結果是大幅度降低檢測的背景光強,直接照射到實驗板上,壓敏涂料在激發(fā)光激發(fā)下產生的熒光,干涉濾光片組D由反射鏡C發(fā)射的熒光進入,導致發(fā)射熒光以外的光被濾除,再經過透鏡E聚焦在聚焦光闌F上,光電倍增管接收到光闌的光轉變成電信號,經過A/D轉換、濾波、放大等處理后傳輸至計算機中,即結束了對噴涂了壓敏材料實驗板的一部分進行了測量,對實驗板其他部分進行測試,二維掃描工件臺在計算機控制下,可以在整個實驗板上進行掃讀。由于采取了聚焦光路的方式,而且因為光欄孔的孔徑設計得較小,使壓敏漆實驗板表面所產生的熒光能由透鏡組聚焦通過光欄小孔,這樣可以大幅降低由于片基和灰塵產生的背景熒光。

2 應用軟件系統(tǒng)的技術特點

Windows NT環(huán)境,各站點分工明確,控制與數(shù)據(jù)傳輸方便快捷。采用面向對象的編程方法,菜單事件驅動,界面友好。根據(jù)模塊特點選用編程工具。從軟件的異動性和可維護性考慮,編程設計中使用面向對象的模塊化設計思想,用模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能,按照系統(tǒng)結構確定各個功能模塊之間的調用關系。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分別處理,把程序和數(shù)據(jù)分開,用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行管理。另外還提供了相應的容錯能力。

3 儀器實驗與結果

用噴涂了光學壓敏涂料和基底層涂料的二元翼模型在檢測試驗箱中進行模擬風洞光學測壓吹風試驗。實驗風速,模型攻角。為了方便進行比對兩種測壓結果,對18個測壓孔壓力的測量用電子掃描閥進行測量該模型表面,在光學測壓的同時也測量了模型四個點表面的溫度。

4 結束語

光學壓敏漆測壓試驗證明我們所做的壓敏涂料可以初步應用于跨聲速風洞的光學測壓試驗。該項目的優(yōu)點:可以避免在被測試的模型表面開出列測壓孔,被測模型原有的氣動特性不會受實驗室影響;測壓和測力試驗在使用統(tǒng)一模型時可以同時進行,使吹風試驗效率大幅提高;可不用專為壓力測量制造費用高昂的模型,可以節(jié)省出大筆的試驗經費;傳統(tǒng)的測壓方法得出的結果是間斷的點壓力,而光學測壓得出的結果是大范圍連續(xù)的表面壓力情況分布。針對表面壓力測量技術,光學壓敏涂料測壓法具有開創(chuàng)性的貢獻。

參考文獻

[1] 劉波,周強,靳軍等.壓力敏感涂料技術及其應用[J].航空動力學報,2006.4(2):225~233.

[2] 胡志軍,張慶豐,杜培明.一種灰度圖像基本處理方法及實現(xiàn)方案.儀器儀表用戶期刊,文件編號1671-1041(2006)03-01166-03.

[3] Engler KH,Hartmann K et al. Aerodynamic Assessment of an optrcal Pressure Measurement System(OPMS) by Lomparison with Conuentional pressure measurements in a High Speed Wind Tunel Rockvile,MD,USA:14th ICIASF Congress,1991.17~24.

[4] 聶立波,唐薰,余宏宇,胡在君,劉玉堂.光學壓敏涂料及其應用.維普資訊.

[5] 劉震宇,周艷明.基于CCD和小型單色儀的微型光纖光柵光譜儀.物理試驗,2008.28(1):14~18.