什么是温敏漆?


传统的测量技术获取模型表面温度分布是利用嵌入式热电偶与热电阻,这需要在模型结构,以及安装搭建上花费大量时间,以获取有限的空间分辨率数据。另一种方法是使用温度敏感漆(TSP)来测量表面温度,与传统方法相比,温敏漆的优势包括无干扰测量与高空间分辨率。使用TSP基于图像的测温法,是将涂料喷涂在模型表面,并用合适的光源照射,模型表面所发出的的荧光通过带长通滤光器的CCD相机记录。荧光与温度形成相应的函数关系,此时每个想像素点类似于一个热电偶。

TSP的光物理转换控制过程如下。将荧光粒子与聚合物粘合剂混合,通常是不透氧的聚合物。荧光粒子通过吸附光子被激发,根据激发情况,粒子有若干弛豫路径,与TSP相关的路径叫做热淬灭,一种无辐射衰变机理。这种钝化作用可导致生成一个系统,此系统中粒子的发光强度与粒子暴露处温度相关。为确定光强与温度的关系,我们放置一个TSP样片到校准室,记录一系列的温度和与之对应的发光强度。因为我们会稍后讨论此原因,每个强度根据校准室的强度做校准并绘制温度曲线。下图为使用TSP研究的Ru(byp)点校准图。

一个典型的TSP包含荧光粒子与可透氧聚合物粘合剂。温敏漆的基本原理是荧光粒子光强的灵敏度对其热力学环境。荧光粒子通过吸收光后处于激发状态,释放光子后失去活力,其温度的上升会增加粒子通过无辐射过程返回基态的可能性,这个过程叫做热淬灭。TSP表面温度可以通过测量其发射荧光的光强而得之。

TSP1

就此,我们具备了对环境温度敏感的荧光涂料,目标是使用这种涂料建立基于图像的温度测量系统。首先将涂料覆盖表面,用合适波长的光源激发,通过带有长通滤光的CCD相机记录表面图像。滤光器会将光从荧光粒子红移发射中区分出来。记录光强分布,根据之前确定的校准曲线将其转化为温度。

TSP2

然而光强并非温度的唯一变量。事实上喷涂表面的荧光光强还会根据激励光强、涂层厚度以及探针分布的变化而变化。如假设这些变量经过一段时间之后可以保持稳定,则通过在测量环境有风/无风状态下取得图像,两者比较去除变量。这种方法经常作为辐射法TSP的参考。

为确定光强与温度的关系,我们放置一个TSP样片到校准室,记录一系列的温度和与之对应的发光强度。因为我们会稍后讨论此原因,每个强度根据校准室的强度做校准并绘制温度曲线。下图为使用TSP研究的Ru(byp)点校准图。

TSP3

TSP最初的应用之一是探测边界层过渡。热质流向表面,因此表面温度与传热系数为函数关系。与层流边界层相比,湍流边界层的热传递系数要大得多,表面温度的显著增长是重要象征。下方影片显示表面温度发生5摄氏度的变化,试验在Prudue University,风速6马赫。一个小的过渡块位于流场视角的上游,注意高温的楔形区域位于过渡块后方。

run05

TSP空气动力学应用的另一个例子是热传递测量。例中音速欠膨胀喷射以某一攻角冲击平板平面,光源采用一对LM2-470LED阵列,相机为CCD,带570nm长通滤波。由电阻加热铝板产生热流。平板表面涂有薄层Mylar(0.1mm),TSP覆盖其上。平板加热后通过TSP取得图像并转换为温度。表面温度分布通过热传导模型可以转换为热传递。此例中使用了简单的一维模型传导。

TSP4

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