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系統識別號 U0002-2508201010263100
中文論文名稱 壓感塗料應用高分子彈性翼膜之研究
英文論文名稱 Application of Pressure Sensitive Paint(PSP) on the Polymer Flexure Wing
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 辛宗訓
研究生英文姓名 Tzubg-Shiun Shin
學號 697370459
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-21
論文頁數 79頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-苗志銘
委員-黃智永
委員-洪健君
委員-蕭富元
中文關鍵字 壓力感測塗料  拍翼翼膜  氧淬滅 
英文關鍵字 Pressure sensor paint  Flapping-wing membrane  Oxygen Quenching 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究以量測拍翼式微飛行器翼膜表面之壓力變化為主要目標,所採用技術係透過壓力感測塗料之氧淬滅效應,以影像分析辨別表面螢光亮度變化進行表面壓力量測,期望獲得連續、準確的翼膜表面壓力分佈。
實驗基材為聚對二甲酸乙二醇酯(PET),選用Rudpp作為螢光高分子材料,並以RTV118為黏著劑,再加入TiO2做為光散射劑,經由氮氣噴流實驗,於噴流傾斜角5度,噴流高度/管徑為0.5,出口壓力4.5 Pa之壓力下進行螢光量測,其平均螢光亮度變化可達6%。
以壓力腔體量測壓力與螢光校正曲線,並結合14-bit高解析度相機擷取影像,分析於0.5大氣壓的壓力變化下,其螢光亮度變化為26%,最小壓力解析度為11.5 Pa,適合運用於微小壓力量測。
英文摘要 The purpose of the study is to measure the pressure distribution on flapping-wing surface. The authors applied the oxygen quenching by pressure sensitive paint measurement system and used image processing and analysis technology to measure fluorescence intensity change. Through expect continuous and accurate surface pressure distribution of wing membrane.
In my experiment, I adopted PET film as the base of work piece, and spun fluorescent polymers on the film. The fluorescent polymer is mixed with RTV118 and TiO2. In this polymer, RTV118 is as adhesive agent and TiO2 is as light scattering agent. I blew the spun work piece by jetting nitrogen with an inclined angle of 5 degree, or jet height / diameter (H / D) is 0.5. A pressure of 4.5 Pa nitrogen jet was applied, and then got an average fluorescence brightness of up to 6%.
Furthermore, for reaching feasible application of MAV, I made a pressure chamber to measure brightness under variable applied pressure. Images were recorded by a 14-bit camera and analyzed by software ImageJ. The input pressure of atmosphere was set from 1 to 1.5 atm, and then got the polymer average fluorescence intensity changes are up to 26%. From the analyzed data, the minimum pressure resolution is up to 11.5 Pa per gray value. And the fluorescence intensity is decreased with the increasing pressure as a parabola curve. Finally, the result show the fluorescent polymer is feasible to measure the pressure distribution on the flapping wing of MAV.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 III
英文摘要 IV
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究目的 2
1-3 文獻回顧 4
1-4 拍翼式微飛行器研究發展 13
1-5 研究方法與論文架構 15
第二章 發光原理與材料設備 17
2-1 發光原理 17
2-1-1 光致發光 17
2-1-2 氧淬滅 18
2-2 PSP結構 19
2-3 量測原理 20
2-3-1 螢光高分子材料 21
2-3-2 黏著劑 25
2-4 溶劑 26
2-4-1 光散射劑 26
2-4-2 基材 27
2-5 實驗設備 28
2-5-1 PSP試片製作設備 28
2-5-2 PSP數據量測設備 30
2-5-3 壓力校正腔體 32
2-6 影像分析軟體 33
2-6-1 螢光影像擷取 35
2-6-2 螢光影像堆疊處理 35
2-6-3 螢光影像分析 35
第三章 壓力感測塗料最佳化配製 37
3-1 黏著劑改良與螢光量測 37
3-1-1 明膠-PSP塗料調配 38
3-1-2 PDMS-PSP塗料調配 39
3-1-3 RTV118-PSP塗料調配 39
3-1-4 三種PSP試片製作與螢光影像擷取 40
3-1-5 改良黏著劑後之塗料螢光分析結果 42
3-2 不同膜厚塗料之螢光量測 43
3-2-1 膜厚螢光量測之塗料調配 44
3-2-2 膜厚螢光量測試片製作與螢光影像擷取 45
3-2-3 膜厚螢光量測螢光分析結果 45
3-3 光散射劑塗料改良與螢光量測 48
3-3-1 光散射劑塗料改良塗料調配 49
3-3-2 光散射劑塗料改良試片製作與螢光影像擷取 49
3-3-3 光散射劑塗料改良螢光分析結果 50
3-4 小結 52
第四章 壓力校正曲線與動態拍翼量測 53
4-1 壓力感測塗料濃度校正曲線量測 53
4-1-1 壓力感測塗料濃度調配 54
4-1-2 壓力感測塗料濃度試片製作 55
4-1-3 壓力感測塗料濃度螢光影像分析 56
4-2 影像量測設備改良 59
4-2-1 高濃度試片製作與螢光影像擷取 60
4-2-2 高解析度影像分析結果 60
4-2-3 拍翼式微飛行器翼表面壓力量測 62
4-3 小結 65
第五章 結論與未來展望 66
5-1 結論 66
5-2 未來展望 67
參考文獻 68
附錄A 壓力感測溶劑塗佈與表面改質之螢光量測 73
附錄B 方形壓力校正腔體設計圖 77
附錄C 圓形壓力校正腔體設計圖 79

圖目錄
圖1-1日本東京大學應用壓力感測器量測拍翼過程之壓力變化 2
圖1-2壓力感測塗料測試架構圖 3
圖1-3 兩種螢光薄膜: (a) PtTFPP/PDMS薄膜; (b) Rudpp/PDMS薄膜 5
圖1-4 PtTFPP/PDMS(Pair = 0.2 psi) 表面亮度與壓力分佈 6
圖1-5 Rudpp/PDMS(Pair = 0.2 psi) 表面亮度與壓力分佈 6
圖1-6影像處理過程: (a)風洞啟動前; (b)風洞啟動後; (c)螢光亮度比 7
圖1-7 低速流分析: (a)風速17m/s之影像; (b)翼弦與壓力曲線 8
圖1-8六種膜厚光衰減時間 9
圖1-9風洞啟動前與啟動後與模型溫度變化 9
圖1-10 模型於風洞內之影像: (a)風洞啟動過程; (b)風洞關閉後 10
圖1-11機翼表面溫度分佈 10
圖1-12尾翼量測分析: (a)溫度補償前; (b)溫度補償後 11
圖1-13 噴流實驗驗證 12
圖1-14淡江大學拍翼式微飛行器: (a)初航者; (b) Eagle II 14
圖1-15淡江大學拍翼式微飛行器: (a)金探子; (b)保麗龍機殼金探子 14
圖1-16論文架構圖 16
圖2-1 Jablonski能階示意圖 17
圖2-2 壓力感測塗料原理示意圖 19
圖2-3 PSP結構模型 20
圖2-4各種釕錯合物(ruthenium(II) α-diimine)化學結構 22
圖2-5各種鉑卟啉(Platinum porphyrins)化學結構 22
圖2-6 Rudpp化學結構 24
圖2-7 Rudpp吸收與螢光光譜 24
圖2-8 Rudpp溫度壓力校正曲線 25
圖2-9黏著劑材料: (a) RTV118; (b) PDMS; (c)聚苯乙烯 25
圖2-10 本研究使用光散射劑: (a)矽膠顆粒(silica gel); (b)二氧化鈦(TiO2) 27
圖2-11聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET) 27
圖2-12 PET表面結構: (a)粗糙面; (b)平滑面 28
圖2-13微量天秤 28
圖2-14超音波震盪機 29
圖2-15旋轉塗佈機 29
圖2-16反應離子蝕刻機 30
圖2-17 LED藍光矩陣模組 30
圖2-18電源供應器 31
圖2-19流量計 31
圖2-20 Canon SX1 IS相機 31
圖2-21 PSP測試與量測平台 32
圖2-22 加壓腔體Solidworks 2D示意圖: (a)前蓋; (b)底座 33
圖2-23 壓力校正腔體實體圖: (a)前視角圖; (b)等視角圖 33
圖2-24 ImageJ操作介面 34
圖2-25堆疊螢光影像 36
圖2-26選定ImageJ分析堆疊螢光影像範圍 36
圖3-3明膠-PSP塗料 38
圖3-3 PDMS-PSP塗料 39
圖3-4 RTV118-PSP塗料 40
圖3-5明膠-PSP試片 41
圖3-6 PDMS-PSP試片 41
圖3-7 RTV118-PSP試片 41
圖3-8明膠-PSP試片螢光亮度變化 42
圖3-9 PDMS-PSP試片螢光亮度變化 43
圖3-10 RTV118-PSP試片螢光亮度變化 43
圖3-11膜厚量測用PSP塗料 44
圖3-12轉速1,000 PSP試片螢光亮度變化 46
圖3-13轉速2,000 PSP試片螢光亮度變化 46
圖3-14轉速3,000 PSP試片螢光亮度變化 47
圖3-15轉速4,000 PSP試片螢光亮度變化 47
圖3-16轉速5,000 PSP試片螢光亮度變化 48
圖3-17不同光散射劑PSP試片: (a)2g TiO2; (b) 1g silica gel + 1g TiO2 49
圖3-18不同光散射劑PSP試片表面螢光變化: (a)TiO2+silica gel; (b)TiO2 50
圖3-19 混合TiO2與silica gel之PSP試片螢光亮度變化 51
圖3-20混合TiO2 之PSP試片螢光亮度變化 51
圖4-1不同濃度PSP塗料: (a)4mg; (b)6mg; (c)8mg; (d)10mg 54
圖4-2 壓力校正曲線設備架設圖 55
圖4-4濃度塗料影像量測範圍(濃度10mg/25ml於壓力98.1 kPa下) 57
圖4-5濃度10mg/25ml壓力校正曲線(原始影像分析) 57
圖4-6校正曲線分析(a)純PET試片無塗料範圍; (b)影像分析範圍 59
圖4-7四種不同濃度壓力校正曲線 59
圖4-9 濃度50mg壓力校正曲線 62
圖4-10拍翼機翼表面量測實驗架構圖 63
圖4-11拍翼機翼表面量測實驗設備架設 63
圖4-12 動態分析: (a)原始未拍動前之影像Iref; (b)拍動過程之影像I 64
圖4-13 拍翼式微飛行器翼表面壓力變化 64
圖A-1 PSP試劑(無黏著劑) 73
圖A-2 PSP塗佈後的PET試片 75
圖A-3堆疊影像部份影像分析 (a)加壓前 (b)加壓後 75
圖A-4 加壓後螢光強度比Iref/I變化 76
圖B-1方形壓力校正腔體等視角圖 77
圖B-2方形壓力校正腔體前視角圖 77
圖B-3方形壓力校正腔體俯視角圖 78
圖B-4方形壓力校正腔體右側視角圖 78
圖C-1圓形壓力校正腔體等視角圖 79
圖C-2圓形壓力校正腔體前視角圖 79

表目錄
表1-1壓力感測塗料與傳統壓力感測器之比較 4
表1-2 各文獻中所使用之設備與壓力量測範圍及最小壓力解析度 13
表1-3淡江微飛行器研發團隊之拍翼飛行器發展沿革 15
表2-1常用螢光材料特性 23
表3-1 壓力感測塗料最佳化調配與螢光亮度變化 52

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論文使用權限
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