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感圧塗料を用いた
物体表面圧力計測技術
国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
航空技術部門空力技術研究ユニット
満尾和徳
1
目次
■感圧塗料（Pressure-Snsitive Paint:PSP）計測について
・PSP計測の原理
・PSP
・計測装置（光学系）
・画像処理
■JAXA PSPの特徴
■新技術の特徴・従来技術との比較
■想定される用途
■実用化に向けた課題
■お問い合わせ先
2
従来技術
多点圧力センサを用いた風洞模型上の圧力分布計測
圧力孔
配管でセンサと結合
多点圧力センサ
・圧力点数が少ない。
・取り扱いが煩雑である。
3
新技術
ＰＳＰ計測技術（PSP：Pressure-Sensitive Paint ）
– 感圧塗料（Pressure-Sensitive Paint:PSP）は、酸素感応分子
センサを利用した表面圧力場計測【化学分野との融合技術】
– 詳細な圧力分布計測
– 衝撃波の位置など空力現象の可視化
Pressure
Temperature
ONERA M5 Model
4
PSP計測結果の一例
遷音速
超音速
低速
5
PSP計測の原理
PSPは感圧色素、酸素透過性ポリマ、溶媒を調合して作製し、模
型にスプレーガンを用いて塗装する。紫外線を照射すると発光し、
その発光をCCDカメラを用いて計測する。
PSPの発光と圧力の関係
PSP計測の光学系
LED 照明
CCD カメラ
励起
発光
明るい
圧力
低い
暗い
バンドパスフィルタ
発光
PSP coat
White undercoat
Model surface
発光強度を高めるため下地に白色塗料を
コーティングする。
高い
圧力と発光強度の関係
I ref
I run
P
= A+ B
Pref
I：PSP 発光、P：圧力
-6ref：無風時、run:通風時
※発光強度の比を取ることで塗り斑と、
照明の当たり方の影響をキャンセル
6
PSPの励起・発光スペクトル
PSPの発光原理図
PSPの発光と励起
1.2
Intensity, Arb.Unit
1.0
Excitation
Emission
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
300
400
500
600
Wavelength [nm]
700
800
7
PSP計測システム
PSP
感圧色素、ポリマー、
溶媒
計測装置
画像処理
照明（LED、Xe光源
など）、CCDカメラ、
バンドパスフィルタ、
画像取得ソフト
画像の演算、画像
位置合わせ、画像
フィルタ、圧力変換、
統計処理など
※カメラ、光源は既製品
カメラ感度はリニアリティが必要
※市販の科学技術計算ソフトウェアで
開発可能
8
PSP
感圧色素
酸素透過性ポリマ
PSPの写真
F
F
F
F
F
F
F
N
F
N
F
F
Pt
F
F
N
F
N
F
F
F
F
F
F
F
PtTFPP（Pt(II) meso-tetrakis
(pentafluorophenyl) Porphyrin）
poly(isobutyl-co-1,1,1,3,3,3hexafluoroisopropyl methacrylate)
溶媒：有機溶媒
9
PSP 塗装の様子
・スプレーを用いて塗装する。
・塗装環境の整備が必要。
※規模は塗装する模型の大きさによる。
10
PSP塗装されたサンプル基板の発光画像
機材
エアダスター
発光動画
会場では動画をご紹介します
酸素を排除する
→PSP発光が明るくなる。
※エアーダスターからガスが出ると酸素が減少
するためPSP発光が明るくなる。
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PSP計測装置の例
較正システムの概要（PSP特性評価装置）
CoolingWater Circulator
Excitation Light
Source
Shutter
Controller
Vacuum Chamber
較正システムの写真
Data
Acquisition
System
Camera Control Unit
ThermoController
Pressure Controller
Gas Cylinder
(dried air)
Vacuum Pump
※PSPの圧力、温度感度特性を調べる。
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風洞実験におけるPSP計測装置（光学系）
LED照明
Xe光源
励起照明
バンドパスフィ
ルタを取付け
たCCDカメラ
13
画像取得ソフトの機能
PSP発光画像
【操作】
・CCDカメラの設定
・露光時間
・トリガ設定
・ゲイン
・簡易画像処理
・コンター調整
・加工画像の保存
など
14
データ処理法の基本
（１）マーカーによる位置ずれの補正
※Iref÷Irunの正確な計算のために補正する。
※カメラ画像から暗電流成分を差引く（ダーク減算）。
（２）発光強度比（Iratio= Iref÷Irun ）を計算
※無風時画像を通風時画像で割る。
Iref：無風時のPSP発光画像
Irun：通風時のPSP発光画像
（３）発光強度比⇒圧力画像へ変換
・圧力孔を参照：Insitu法
・PSP較正データ利用：Apriori法
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マーカーの位置情報を参照した画像補正
無風時
通風時
Wind-on
Wind-off
(yi, yi)
(Xi, Yi)
※両画像の位置ズレと変形量を補正する。
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PSP発光画像から発光強度比を演算
発光強度比画像（Iratio= Iref÷Irun ）
位置補正なし
位置補正あり
17
発光強度比⇒圧力画像へ変換
圧力分布
PSP発光強度比
圧力比
較正曲線
発光強度を圧力に変換する。
発光強度比
18
JAXA PSPの特徴①
圧力/温度感度特性
感圧特性
感温特性
1.2
1.0
1.30
0degC
10degC
20degC
30degC
40degC
50degC
60degC
1.20
0.6
1.00
0.4
0.90
0.2
0.80
0.0
0.0
60kPa
80kPa
100kPa
120kPa
1.10
I/Iref
Iref/I
0.8
5kPa
10kPa
20kPa
40kPa
0.2
0.4
0.6
P/Pref
0.8
1.0
1.2
0.70
0
10
20
30
40
Temperature, degC
50
*PtTFPP, Polymer:HFIPM
1
JAXA PSPの特徴②
温度感度が低い（→計測精度が高い）
番号
ポリマ
感圧色素
溶媒
発光ピーク
（nm）
温度感度
（%/℃）
劣化特性
○：しない
１
ポリスチレン
PtTFPP
トルエン
650
-1.3
○
２
HFIPM
PtTFPP
酢酸エチル
650
-0.4
○
３
IBM-co-TFEM
PtTFPP
トルエン
650
-0.8
○
４
シリコンゴム
Ru（dpp）３
ジクロロメタン 620
-1.1
△
低温度感度が最も低い。←本特許
※温度の影響を受けにくい。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 模型表面の圧力分布を高解像度に計測できる。
• PSPを塗装するだけで圧力分布計測が可能である。数
点の圧力孔のデータを参照することにより、計測精度を
高めることができる。
• 低コストで圧力計測が可能である。
• たとえば、肉厚の薄い部位やマイクロサイズの物体など
の圧力孔が設置できない場所の圧力分布を計測するこ
とができる。
• 計算格子にマッピングすることでCFDとの対比が容易で
ある。
20
想定される用途
• 航空、鉄道、自動車、スポーツ分野（リュージュ、スキー
ジャンプなど）などの風洞試験における圧力分布計測
• 燃料電池内部の酸素濃度分布の計測
• マイクロマシーンなどの微小物体表面の圧力分布計測
• 土壌中、大気/液体の酸素濃度分布計測
※企業、大学等の研究機関からPSPを利用したいとの要望が強い。
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実用化に向けた課題
実用化に向けた課題として、温度の影響が強い流れを
計測する場合、温度による計測誤差が含まれる。
温度の影響を補正するためには、感温塗料、赤外線カ
メラを用いた温度補正が必要である。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称
：温度感度を低減した感圧塗料および
感圧センサ
• 登録番号
：特許第 5544561号
• 出願人
：宇宙航空研究開発機構
• 発明者
：満尾和徳、小幡誠、矢野重信
※参考文献：満尾和徳、中北和之、栗田充、渡辺重哉：JAXA感圧塗料（PSP）
計測システムの研究開発（1） -概要編-、JAXA-RR-13-005、2014年2月.
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お問い合わせ先
宇宙航空研究開発機構
新事業促進部新事業課
e-mail [email protected]
24

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