(57)【要約】次の段階を含む感圧性塗料を校正する方法が提供される。圧力と温度のある範囲の下で塗料を照射する段階と、各照射に続いて塗料により放出された光の強度を測定しそれにより減衰曲線を測定する段階と、減衰曲線のカーブフィッテングを実行して特性定数を決定する段階とである。これらの定数は次に減衰曲線のモデルを生成するために使用できて、該モデル減衰曲線のゲートされた領域上での強度の比について圧力と温度に関する多項式が計算できる。校正された塗料での圧力決定は塗料を照射しゲートされた領域の二つにわたり塗料により放出された光の強度を測定し、ゲートされた領域強度の比を判断し、最後にゲートされた領域強度の判断された比を用いて多項式から圧力及び／又は温度を決めることによって実行できる。
2005528985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感圧性塗料を校正する方法であって：  
（ａ）圧力と温度とのある範囲の下で、該感圧性塗料を照射する段階と；  
（ｂ）各照射に続いて、該感圧性塗料により放出された光の強度を測定し、それにより減衰曲線を測定する段階と；  
（ｃ）該減衰曲線の一般形式
【数１】
2005528985.tif 000010
とのカーブフィッテングを実行する段階であって、ここでｔは経過時間であり、ａ，ｂ，ｋpeak，ｋmin ，及びｋmax はカーブフィッテングによって決まるものである段階、とを含む方法。
【請求項２】
該感圧性塗料により放出された光の強度を照射前に測定して背景の強度値を与え、この背景強度値を段階（ｃ）のカーブフィッテングの実行前に該減衰曲線から減算する段階をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
段階（ｃ）における等式の簡略化した形式がカーブフィッテングの間に使用され、この式は  
【数２】
2005528985.tif 000011
であり、ここでI0 は測定されたピーク強度であり、ｖはカーブフィッテングにより決まるものであるとする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
該温度範囲は実質的に−２０℃ないし＋５０℃にわたるものである請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
該感圧性塗料は１０°Ｃステップで該温度範囲にわたりインクレメンタルに照射されるものである請求項４記載の方法。
【請求項６】
各温度及び圧力値において複数の減衰曲線が測定されて、該複数の減衰曲線がカーブフィッテングに先立って積分または平均化される請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
各温度及び圧力値において実質的に５００の減衰曲線が測定される請求項５記載の方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の方法は、ａ，ｂ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax ，またはｖ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax の決められた値から、圧力と温度についての範囲にわたり減衰曲線のモデルを生成する段階と；該モデル減衰曲線のゲートされた領域にわたる強度の比について圧力と温度に関する多項式を計算する段階とをさらに含んでいる方法。
【請求項９】
該モデル減衰曲線内部のゲートされた領域の位置が該減衰曲線のモデルに関係して決められる請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ゲートされた領域の第一の対が該モデル減衰曲線の急速に減衰する部分を占めるように決められ、またゲートされた領域の第二の対が該モデル減衰曲線のゆるやかに減衰する部分を占めるように決められる請求項９記載の方法。
【請求項１１】
異なる圧力と温度領域によって該モデル減衰曲線について代りのゲートされた領域の位置が決められ、それにより代りの多項式が形成される請求項９又は１０記載の方法。
【請求項１２】
三つの温度領域と一つの圧力領域とが使用される請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
（１）請求項８ないし請求項１２のいずれか1項記載により校正された感圧性塗料を照射する段階と；  
（２）該感圧性塗料により放出された光の強度をゲートされた領域の２つにわたる照射の後に測定する段階と；  
（３）該ゲートされた領域強度の比を決める段階と；  
（４）段階（３）で決められたゲートされた領域強度の比を用いて該多項式から圧力もしくは温度あるいはその両方を決める段階と、を含む圧力を決める方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法は、段階（１）の該照射に先立って、該感圧性塗料により放出された光の強度を測定し背景強度値を与え、かつ段階（３）において該ゲートされた領域の比を決めるのに先立って該ゲートされた領域の測定値から該背景強度値を減算する段階をさらに含む方法。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４記載の方法において、強度測定が行なわれて、校正の際に強度測定との比較が行なわれて、その結果が一致していなければ、新しい多項式が新しい強度測定値に関して計算される。
【請求項１６】
請求項１３ないし請求項１５のいずれか１項記載の方法において、段階（２）ではゲートされた領域の二対について放出された光が測定され、段階（３）ではゲートされた領域の両方の対の比が決められ、また段階（４）では、両方の決められた比を用いて決定が行なわれる。
【請求項１７】
請求項１６記載の方法であって、請求項１０に従属するときには、ゲートされた領域の第一の対が該減衰曲線の急速に減衰する部分を占め、かつゲートされた領域の第二の対が該減衰曲線のゆるやかに減衰する部分を占める方法。
【請求項１８】
請求項１３ないし請求項１７のいずれか１項記載の方法であって、請求項１１に従属するときには、該多項式を参照して決められた圧力もしくは温度あるいはその両方が圧力と温度の領域に対してチェックされて、使用された該多項式が決められた圧力と温度領域と対応していないときには、段階（２），（３）及び（４）が適切な代わりのゲートされた領域と適切な代りの多項式とを用いて繰返される方法。
【請求項１９】
請求項１３ないし請求項１８のいずれか1項記載の方法であって、風洞内に置かれている感圧性塗料でコーティングされたモデルを照射する段階を含む方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の方法において、該モデルの複数の部分から放出された光の強度が測定されて、各部分における圧力が決められる。
【請求項２１】
コンピュータに下記のことをさせるようにするプログラム命令を含んでいるコンピュータプログラム、  
感圧性塗料測定装置から減衰曲線の形式でデータを受領することと、  
【数３】
2005528985.tif 000012
の一般式に該減衰曲線のカーブフィッテングを実行すること、ここでｔは経過時間であり、ａ，ｂ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax はカーブフィッテングによって決められるものとする。
【請求項２２】
請求項２１記載のコンピュータプログラムは、該コンピュータが請求項２１にある等式の簡単化した形式である  
【数４】
2005528985.tif 000013
とのカーブフィッテングをさらに実行させ、ここでI0 は測定されたピーク強度であり、またｖは該カーブフィッテングの間に決められる。
【請求項２３】
請求項２１又は請求項２２記載のコンピュータプログラムは、さらに該コンピュータにａ，ｂ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax またはｖ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax の決められた値から減衰曲線のモデルを生成し、かつ該モデル減衰曲線のゲートされた領域の比について圧力と温度とに関係する多項式を計算させる。
【請求項２４】
請求項２３記載のコンピュータプログラムは、さらに該コンピュータに該減衰曲線のモデルに関してゲートされた領域の位置を決めさせる。
【請求項２５】
請求項２３又は請求項２４記載のコンピュータプログラムは、該コンピュータにさらに該ゲートされた領域からの測定値に対応しているデータを受領し、  
該ゲートされた領域から強度の比を決め、  
該多項式から圧力もしくは温度あるいはその両方を決めさせる。
【請求項２６】
請求項２１ないし請求項２５のいずれか１項記載のコンピュータプログラムをその上に有しているキャリヤ。
【請求項２７】
請求項２１ないし請求項２５のいずれか１項記載のコンピュータプログラムでプログラムされた場合のコンピュータ。
【請求項２８】
感圧性塗料を照射するための光源と、該感圧性塗料により放出された光を測定するための光検出器と、該光検出器から減衰曲線の形式でデータを受領するようにプログラムされた場合の請求項２７記載のコンピュータとを備えた感圧性塗料測定装置。
【請求項２９】
該光源がＮｄ−ＹＡＧレーザである請求項２８記載の装置。
【請求項３０】
該光検出器がアバランシェホトダイオードである請求項２８又は請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
該光検出器により与えられたデータをディジタル化するように動作可能なアナログ対デジタル変換器をさらに備える請求項２８ないし請求項３０のいずれか１項記載の装置。
【請求項３２】
請求項２８ないし請求項３１のいずれか１項記載の装置であって、請求項２５に従属するときに、さらにディスプレイを備え、また該コンピュータが決められた圧力もしくは温度あるいはその両方を示すように該ディスプレイにさせるようにプログラムされている装置。
【請求項３３】
さらに感圧性塗料を付けているモデルと風洞とを含む請求項２８ないし請求項３２のいずれか１項記載の装置。
【請求項３４】
添付図面の図１乃至図６のいずれかを参照して実質的に前述されたように感圧性塗料を校正する方法。
【請求項３５】
添付図面の図１乃至図６のいずれかを参照して実質的に前述されたように圧力を決める方法。
【請求項３６】
添付図面の図１乃至図６のいずれかを参照して実質的に前述されたようなコンピュータ。
【請求項３７】
添付図面の図１乃至図６のいずれかを参照して実質的に前述されたような感圧性塗料装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、感圧性塗料(pressure sensitive paint)に係り、この塗料は照射され(illuminated)て、そのルミネッセンス(luminescence)が測定されて、塗料の環境における圧力と温度とに関する情報を提供するために測定される。ルミネッセンスは蛍光(fluorescence)もしくは燐光(phosphorescence)を意味するものと解される。
【背景技術】
【０００２】
感圧性塗料はルミネッセンスを生ずる分子を含んでいて、それにより入射光が該分子内で電子をより高いエネルギーレベルにまで励起させる。この励起エネルギーはこの電子がいくつかの光子（photons）を放出することによってより低いエネルギーレベルに落下して戻ることにより解放される。このプロセスは酸素への露出によってクエンチ（quenched）されるが、酸素の存在が光放出を含んでいないエネルギー喪失についての代りの機構を与えることによる。感圧性塗料からの光の放出が酸素濃度に依存しているので、感圧性塗料は、流体内の酸素濃度を測定するために校正されてよいし、あるいは流体の酸素濃度が既知の場合には流体の局所的な圧力を測定するために校正されてよい。例えば感圧性塗料を用いるセンサシステムは血液とか地下水の分析や風洞（wind tunnel）試験で使用されてよい。
【０００３】
腎臓部及び地下水分析については、光ファイバの端が感圧性塗料でコーテングされ、また血液中に浸される。光パルスが光ファイバを通って送られて感圧性塗料を照射して、該塗料のルミネッセンスが測定されて血液または地下水の酸素濃度を求める。
【０００４】
風洞試験については、空気力学的構造（通常は建造物とかビークル（vehicle）のモデル(model）、航空機のモデルが明らかな例とされる）が感圧性塗料で塗装されて風洞内部で空気流の中に置かれる。こういったモデルはそこで光パルスで照射されて、感圧性塗料の結果として生じたルミネッセンスが測定される。酸素濃度は空気中では既知であり、固定されているので、このルミネッセンスは空気圧力の表示を与え、したがってモデル上での空気の流れを示すことになる。
【発明の開示】
【０００５】
しかしながら、感圧性塗料は克服しなければならない大きな問題があり、それは塗料のルミネッセンスが圧力と温度との両方に依存していることである。したがって、感圧性塗料の局所的な温度は、あいまいな圧力情報が得られることになるという条件の下では、これもまた既知でなければならない。
【０００６】
センサシステムで感圧性塗料を使用するものはＥＰ−Ａ−０，２５２，５７８に開示されている。この文書に記載されているセンサシステムはほぼ上記した方法を用いて血液中の酸素濃度測定するために使用されている。感圧性塗料は選ばれて、比較的長寿命の減衰レート（すなわち、励起状態からのルミネッセンスまたはクエンチングによるところの減衰のレート）をもつようにしている。ルミネッセンスのレートは時間とともに徐々に減小する。すなわち図１に示したように徐々に消滅する。感圧性塗料の減衰レートは二つの時間間隔にわたり光検出器（photodetector）により受けられた光の強度を積分することにより測定される。第一の間隔はルミネッセンスの消滅の間に測定され、また第二の間隔はベースライン(baseline)を与えるために曲線の末尾で測定される。ベースラインは光検出器におけるいずれもの暗電流(dark current)と周囲光(ambient light)が対応していて、積分された強度として消滅の間に測定されたものから減算される。酸素濃度は積分された強度を式に対して比較することにより求められるが、この式は感圧性塗料の温度を反映している係数を含んでいる。この式を解くためには温度の測定を必要とし、これが熱電対を用いて実行される。したがって、感圧性塗料でコーティングされている光ファイバに加えて、センサシステムはまた第二のセンサを備えていなければならず余計な支出と複雑さを伴うことになる。さらに、酸素濃度判断（determination）の精度は熱電対の精度に頼るものとなる。
【０００７】
温度依存性問題に対処する第二の方法はＥＰ−Ａ−０，４７２，２４３に開示されている。ここでは感圧性塗料はさらに第二の形式のルミネッセンスを生ずる分子であって温度にのみ依存するものを備えている。二つの形式のルミネッセンスを生ずる分子が選ばれて、それにより、両形式は僅かに異なる波長で光を放出し、それによりその強度が別個に測定できるとするのではあるが、実際にはいつもある程度の重なりが存在する。この重なりは検出器における不完全な光フィルタリングと一緒になって相互相関に導くことができる。原理的には、分子の第二の形式により与えられた温度情報によって圧力情報を第一の形式によって与えられた温度／圧力情報から抽出することができる。しかしながら、この方法は二つの形式の分子が互に相互作用をすることができるという生来的な不都合を受けると考えられている。例えば、一方の形式の分子により放出された光は他によって吸収されることができて、別なルミネッセンスと誤って提示されたルミネッセンス減衰曲線とに通じることとなる。さらに、ある種の温度のみに依存する塗料は酸素の一定濃度のトラップ作用(trapping)に依存している。しかしながらこれは酸素濃度が温度サイクルと塗料マトリックスでの透電率の変化とにより影響されるので達成が実際的ではない。
【０００８】
第一の特徴から、この発明は、感圧性塗料を校正する方法であって：  
（ａ）圧力と温度とのある範囲の下で、該感圧性塗料を照射する段階と；  
（ｂ）各照射に続いて、該感圧性塗料により放出された光の強度を測定し、それにより減衰曲線を測定する段階と；  
（ｃ）一般形式である  
【数５】
2005528985.tif 000003
【０００９】
と、該減衰曲線のカーブフィッテングする(curve fit)段階、ここでｔは経過時間であり、ａ，ｂ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax は該カーブフィッテングによって決まるものであるとする、とを含む方法にある。
【００１０】
特許請求の範囲及び対応する発明についてのステートメントの文脈中で用語「圧力（pressure）」というのは感圧性塗料により検知された酸素の圧力を意味するものであると意図しており、したがって局所的な空気圧力（例えば風洞の中の塗料をコーティングしたモデルについての場合がこれにあたる）と、また局所的な酸素濃度（例えば腎臓とか地下水の分析の場合がこれにあたる）との両方を含んでいる。
【００１１】
圧力と温度の範囲は複数の圧力と一つの温度、一つの圧力と複数の温度、あるいは複数の圧力と複数の温度を含むことができる。
【００１２】
減衰曲線が測定されるときには、連続して測定されてよく（例えば一連の点として測定されて、完全な減衰曲線が軌跡となるようにできる）か、あるいは選ばれた点または領域が減衰曲線に沿って測定されるかによる。
【００１３】
疑問を回避するために言うと、この発明の範囲は上記の等式と厳密にてらして解釈されるべきではない。この等式の均等の形式（equivalent forms）もまた特許請求の範囲内に入ることが意図されている。例えば上記等式を単に再配列することは選ばれた定数と変数との単なる代入になるように同等の式を生ずることになる。例えば、ｋmax は別の数量ｋpeak＋ｃ（ここでｃはすべての減衰曲線にわたり一定に保たれる定数）で置換えることができよう。
【００１４】
選択的に、この方法はさらに該感圧性塗料により放出された光の強度を照射前に測定して背景の強度値を与えるようにし、またこの背景強度値を段階（ｃ）のカーブフィッテングの実行前に該減衰曲線から減算する段階を含んでもよい。このことが光検出器内での周囲の光もしくは何らかの暗電流が減算されることになり、照射に応答して感圧性塗料により放出された光だけを残すようにする。
【００１５】
好ましくは、段階（ｃ）における等式の簡略化した形式がカーブフィッテングの間に使用され、この式は  
【数６】
2005528985.tif 000004
【００１６】
であり、ここでI0 は測定されたピーク強度であり、ｖはカーブフィッテングにより決まるものである。
【００１７】
温度範囲として実質的に−２０℃ないし＋５０℃にわたるものを使用するのが有利であることが判明した。
【００１８】
選択的に、各温度及び圧力値において複数の減衰曲線が測定されて、該複数の減衰曲線がカーブフィッテングに先立って積分または平均される。よりよい統計がこれにより収集されることになり、これがある照射と次の照射との間の動作条件のいずれものゆらぎを除去することを助けている。現在の実施例では各温度及び圧力値において実質的に５００の減衰曲線が測定される。
【００１９】
選択的に、この発明は、さらに、次の段階を含んでもよい。すなわち、ａ，ｂ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax ，またはｖ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax の決められた値から、圧力と温度についての範囲にわたり減衰曲線のモデルを生成する段階と、該モデル減衰曲線のゲートされた領域にわたる強度の比について圧力と温度に関する多項式を計算する段階とを含んでいる。これは、今校正した感圧性塗料から圧力測定を採るのに使用するために用意されたデータを処理することの便利な方法である。便利な理由は、比較的簡単な多項式が、減衰曲線の全体のモデルよりもむしろ、参照のために記憶されることができることであり、ずっと大きなコンピュータメモリを必要としないことである。
【００２０】
好ましくは、該モデル減衰曲線内部のゲートされた領域の位置が該減衰曲線のモデルに関係して決められることである。
【００２１】
代って、ゲートされた領域の位置が予め決められていてもよい。選択的に、ゲートされた領域の第一の対が該モデル減衰曲線の急速に減衰する部分を占めるように決められ、またゲートされた領域の第二の対が該モデル減衰曲線のゆるやかに減衰する部分を占めるように決められる。さらに別な選択的な特徴は、異なる圧力と温度領域とによって該モデル減衰曲線について代りのゲートされた領域の位置が決めることであり、それにより代りの多項式が形成される。
【００２２】
このことはもっと高精度の校正と、圧力及び／又は温度測定が極端な圧力及び／又は温度でできるようにする。例えば、三つの温度領域と一つの圧力領域とが使用され、三つが低温、中温及び高温に対応してもよい。
【００２３】
第二の特徴から、この発明は次の段階を含む圧力を決める方法にある。該方法は、  
（１）上記により、校正された感圧性塗料を照射する段階と、  
（２）該感圧性塗料により放出された光の強度をゲートされた領域の２つにわたる照射の後に測定する段階と、  
（３）該ゲートされた領域強度の比を決める段階と、  
（４）段階（３）で決められたゲートされた領域強度の比を用いて該多項式から圧力もしくは温度あるいはその両方を決める段階とを含む。
【００２４】
このことが測定はゲートされた領域についてのみ必要とされ減衰曲線の全体についてではない点でデータ収集をより少くできるようにする。このことがデータを記憶するのに必要とされるコンピュータメモリの量を減らして、データ処理を促進させる。
【００２５】
好ましくはこの方法が、さらに段階（１）の該照射に先立って、該感圧性塗料により放出された光の強度を測定し背景強度値を与え、かつ段階（３）の該ゲートされた領域の比を決めるのに先立って該ゲートされた領域の測定値から背景強度値を減算する段階を含む。
【００２６】
選択的に、強度測定が行なわれて、校正の間になされた強度測定との比較が行なわれて、その結果が一致していなければ、新しい多項式が新しい強度測定に関して計算される。このことが、起りそうなことである実験設定での何らかの差異を補償できるようにし、その理由は、例えば圧力測定場所からは遠隔の位置で感圧性塗料が校正されたということである。例えば、感圧性塗料は、その製造の時点で校正されてよく、その後に第三に販売されて、自己の風洞トンネル試験施設で使用にあてられてもよい。
【００２７】
好ましくは、前記段階（２）ではゲートされた領域の二対について放出された光が測定され、段階（３）ではゲートされた領域の両方の対の比が決められ、また段階（４）では、両方の決められた比を用いて決定が行なわれる。これが精度での恩恵を与える。選択的に、ゲートされた領域の第一の対が決められて、減衰曲線の急速に減衰する部分を占め、かつゲートされた領域の第二の対が決められて、該減衰曲線のゆるやかに減衰する部分を占める。
【００２８】
選択的に、該多項式を参照して決められた圧力もしくは温度あるいはその両方が圧力と温度の領域に対してチェックされて、使用された該多項式が決められた圧力と温度領域と対応していないときには、段階（２）、（３）及び（４）が適切な代りのゲートされた領域位置と適切な代りの多項式とを用いて繰返される。
【００２９】
この発明の一つの応用は、風洞内に置かれている感圧性塗料でコーテングされたモデルを照射することを含む。好ましくは、該モデルの複数の部分から放出された光の強度が測定されて、各部分における圧力が決められることである。これがモデルの表面の圧力マップを編集できるようにする。
【００３０】
第三の特徴から、この発明はコンピュータに以下のことをさせるようにするプログラム命令を含んでいるコンピュータプログラムにある。つまり、  
感圧性塗料測定装置から減衰曲線の形式でデータを受領することと、  
一般式  
【数７】
2005528985.tif 000005
【００３１】
に、該減衰曲線のカーブフィッテングを実行することとであり、ここでｔは経過時間であり、ａ，ｂ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax はカーブフィッテングによって決められるものとする。
【００３２】
好ましくは、該コンピュータプログラムは、さらに該コンピュータが上記等式の簡単化した形式  
【数８】
2005528985.tif 000006
【００３３】
に対して、カーブフィッテングを実行するようにする。ここでI0 は測定されたピーク強度であり、またｖは該カーブフィッテングによって決められる。
【００３４】
選択的に、該コンピュータプログラムは、さらに該コンピュータがａ，ｂ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax またはｖ，ｋpeak，ｋmin 及びｋmax の決められた値から減衰曲線のモデルを生成し、かつ該モデル減衰曲線のゲートされた領域の比について圧力と温度とに関係する多項式を計算するようにさせる。好ましくは、該コンピュータプログラムは、さらに該コンピュータに該減衰曲線のモデルに関してゲートされた領域の位置を決めるようにさせる。代って該コンピュータプログラムはゲートされた領域について、固定された位置を指定してもよい。
【００３５】
選択的に、該コンピュータプログラムは、コンピュータにさらに該ゲートされた領域からの測定に対応しているデータを受領することと、  
該ゲートされた領域から強度の比を決めることと、  
該多項式から圧力もしくは温度あるいはその両方を決めること、とをさせるようにする。
【００３６】
本発明はまた上記のコンピュータプログラムをその上に有しているキャリヤ(carrier)にまで発展し、また、上記のいずれかのコンピュータプログラムでプログラムされた場合のコンピュータにまで発展する。
【００３７】
この発明はまた、感圧性塗料を照射するための光源と、該感圧性塗料により放出された光を測定するための光検出器と、該光検出器から減衰曲線の形式でデータを受領するようにプログラムされた場合の上述のコンピュータとを備えた感圧性塗料測定装置にまで発展する。好ましくは、該光源がＮｄ−ＹＡＧレーザであり、また選択的に、該光検出器がアバランシェホトダイオードである。選択的に、該装置はさらに該光検出器により与えられたデータをディジタル化するように動作可能なアナログ対デジタル変換器を備えている。
【００３８】
好ましくは、この装置が、さらにディスプレイを備え、また該コンピュータは該ディスプレイに決められた圧力もしくは温度あるいはその両方を示すようにプログラムされている。選択的に、該装置はさらに感圧性塗料を付けているモデルと風洞とを含んでいてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下この発明を添付の図面を参照して例としての目的に限って記述して行く。
【００４０】
この発明によるセンサシステムで得ることができるルミネッセンス減衰曲線１０が図１に再生されていて、光のフラッシュ（flash）によって照射されている間もしくは照射後に放出される光の強度を示している。図示のように、初期の急速な強度の増大（この上昇は瞬時的ではなく、その理由は使用された光源の応答時間にある）の後に、ルミネッセンス強度の消滅があって、これがほぼ指数関数的であるが、二つの区別できる部分を備えている。第一の部分は急速な消滅１２によって特徴付けられ、これが続いて、ベースライン１６に漸近的に一致し続け、基底線１６は使用された光検出器に存在する何らかの暗電流(dark current)と周囲光(ambient light)とに対応している。この減衰曲線１０の形状は温度と圧力との両方の変動に応答している。
【００４１】
ルミネッセンス減衰曲線１０の形状は次の等式によって満足するように表わされる。
【数９】
2005528985.tif 000007
【００４２】
ここでａとｂとは定数であり、ｔは経過時間であり、ｋは減衰レート（rate）である。減衰レートの連続分布を仮定することは第二の項がｋについて積分されることができるようにするので次のようになる。
【数１０】
2005528985.tif 000008
【００４３】
この式は、パラメータｖ、すなわちルミノフォア（luminophores）(塗料マトリックス中ではｋpeakのように減衰する)割合を使うように次のように書替えることができる。
【数１１】
2005528985.tif 000009
【００４４】
ここでＩ0 は測定されたピーク強度であり、ｋpeak，ｋmin 及びｋmax は特徴的な減衰レートであって、以下に詳細する。
【００４５】
上記等式を評価することは、光放出の物理的プロセスの考察と、それがどのように酸素クエンチングにより影響されるかについての考察を必要とする。モデル（model）上を通り過ぎて行く空気流内に存在する酸素はルミネッセンスを生じさせている(luminescing)分子すなわちルミノフォアからの光放出を停止させるように作用する。しかしながら、モデルの特定の領域のいずれかにおけるクエンチングの程度は塗料マトリックス内部のルミノフォアの局所的な環境に依存しており、その理由はこれがこのルミノフォアの酸素に対するアクセス可能性を決めることによる。塗料マトリックス内部にはルミノフォア（luminophores）の占拠について酸素に対するアクセス可能性の変化する程度をもつ可能とされるサイトがたくさん存在している。例えば、酸素分子が若干のルミノフォアサイトへ移動することは、極めて容易であるか、あるいは特別にむづかしいかのどちらかであり、また分子スケールで見ると、酸素の濃度は必ずしも均質でなくてよい。各種のサイトがあることは領域内でのクエンチングの程度に変動をもたらすことになる。酸素の存在は他のルミノフォアからの光放出を停止させ、その理由は代りの励起を解除するルートがクエンチングによってエネルギーを損失させることとなっていることによる。さらに、この代りのエネルギー損失機構は光放出ルートよりはもっとずっと早く進行するのであり、それによって影響されたサイトについての減衰レートを増大させている。（ここで減衰レートは光放出かクエンチングかのいずれかである減衰レートであることを想起されたい。）
減衰レートにおける変更は、ポピュレーション分布（population distribution）によって表わすことができ、図２に示したポピュレーション分布は、簡単なものではあるが、正確な圧力決定を実現するのには適切なものであることがわかっている。すぐに明らかになるであろうが、このポピュレーション分布１８は最小減衰レート（ｋmin ）と最大減衰レート（ｋmax ）との間の均一なポピュレーション分布２０とｋpeakを中心としたスパイク（spike）２２の重畳されたものであると仮定する。ｋmin とｋmax とに対するｋpeakの位置は異なる塗料組成の間で変化する。ポピュレーション分布１８の物理的な解釈は次のようなものである。ｋpeakにおけるスパイクはサイトの割合を表わし、一般には開かれた妨害されていないサイトに対応し、極めて可能性のあるのがポリマのボイド（voids）である。均一な分布２０はルミノフォアと基材との間の親密な関係に起因して酸素のアクセスが妨げられているサイトのスペクトルに対応している。ｋmin の端での妨害されたサイトの場合については、トラップされた酸素は僅か存在しているか又は全く存在していないかであり、これが低い減衰レートを結果としてもたらしている。ｋmax 端では、妨害されたサイトがいずれもの酸素分子をトラップする(trap)傾向にあり、これが高い減衰レートをもたらすルミネッセンス分子に到達する。高い減衰レートのスペクトルは妨害の程度が可変であることの結果である。
【００４６】
図１のルミネッセンス減衰曲線１０の形状は上記した等式と物理的モデルとを参照していて説明することができる。減衰曲線１０の急速な消滅部分１２での初期のルミネッセンスは妨害されていないサイトからの光放出によって支配されている。即ち、ここではポピュレーション分布１８におけるｋpeakでのスパイク２２と、トラップされた酸素を有するサイトとが含まれている。これらのサイトは等式の第一項、v.exp（−ｋpeakｔ）と減衰のスペクトルの高速端とを生じさせている。ルミネッセンスの初期バーストが消滅するときは、酸素をトラップしない妨害されたサイトからのルミネッセンスが次第に支配的となって、曲線のゆるやかな消滅部分１４が形成されるようになる。上記説明のように、妨害されたサイトで酸素をトラップするところは光を放出しそうもなく、したがって、一部だけが減衰曲線１０に貢献する。
【００４７】
ポピュレーション分布１８は温度と圧力との両方の変化によって影響される。圧力の増加は気体溶解に係るヘンリーの法則により酸素のより大きな存在に導く。このことが今度はクエンチングの増加を生じさせて、その効果はポピュレーション分布１８がより大きな減衰レートへシフトすることである。理解されることであろうが圧力の減少は反対の効果を有する。したがって、圧力の変化はｋmax とｋmin とのシフトに導くが、均一なポピュレーション分布２０に関するスパイク２２の大きさと位置（ｋpeak）は同じままであって、これは圧力についてのすべての減衰レートの線形依存性が原因となっている。ここで温度依存性に眼を向けると、温度の増加はより大きな減衰レートに導き、我々が信じているところでは、ポリマ中のボイドのように、妨害されていないサイトへ妨害されたサイトが変換されることに導く。したがって、ｋmax ，ｋpeak，及びｋmin はより大きな減衰レートへシフトし、また、スパイク２２の大きさは均一な分布２０に対して増加する。後の方の効果はパラメータｖに反映され、これが上記の等式に現れていて、この「ｖ因子」は塗料マトリックスにおけるボイド（ｋpeakに貢献しているサイト）を占拠しているルミノフォアの割合となっている。理解されるように反対のことは温度の減少で見られる。
【００４８】
我々が認識したことは、ｖ因子は温度だけに依存するのであるから、それが単独で温度の判断に使用できるということである。実用上は、ｋmax はカーブフィッテング（curve fitting）からはうまく決められずｋpeakに関して固定されている。しかしながら、原理的には、圧力と温度とはカーブフィッテングと、ｋmin ，ｋpeakとｖの値を生成することから決めることができる。
【００４９】
センサシステム２４であって感圧性塗料と一緒に風洞試験で使用するためのものをこれからここで主として図３，図４ａ及び図６を参照して記述される。このセンサシステムは光源２６と、光検出器２８と、光源２６と光検出器２８とを制御するため、及び光検出器２８によって与えられた信号３２を集めて解析するためのプロセッサ３０と、情報を表示するためのモニタ３３とを備えている。例えばプロセッサ３０はパーソナルコンピュータであってこの発明を実施するように適切にプログラムされている。光源２６と光検出器２８とは航空機モデル３４の方を向いていて、このモデルは感圧性塗料でコーテングされている（図４ａに示されているように）。光源２６と、光検出器２８と、モデル３４とは風洞内部に置かれていて、動作中には、空気がモデル上を吹くようにされて、変化する圧力プロフィルを生成し、このプロフィルはモデル３４の空気力学的性能を反映するようにする。プロセッサ３０は風洞の外部に置かれていて、それにより、風洞の動作中に風洞にオペレータによってアクセスすることができる。
【００５０】
この実施例では、光源２６はＮｄ−ＹＡＧレーザであり、５３２ｎｍで動作する。しかしながら、数多くの他の代替物が存在していて、この代替物は光の明るい閃光を作るという要件に適合し、しかも、一般にｋＨｚレンジで高い繰返しレートで駆動されるようにできるものである。
【００５１】
この実施例の光検出器２８はアバランシェ(avalanche)ホトダイオード２８である。この形式のデバイスは光をモデルの小部分だけから集め、またそうであるから、モデルの表面のその部分の一次元プロフィルを提供する。二次元圧力プロフィルが必要とされるところでは、プロフィルは単に光源２６と、光検出器の視野とをモデル３４の表面をまたいで走査することによって得ることができ、それによってモデルの表面の異なる部分からの光を集めるようにする。
【００５２】
プロセッサ３０はパーソナルコンピュータであり、センサシステム２４の制御のために使用される。プロセッサ３０は光源２６と光検出器２８との両方にリンクされていて、それによって、信号が光源に送られるようになり、また光検出器を両方向での交換が可能でにする。プロセッサ３０はアナログ対デジタル変換器（ＡＤＣ）を含んでいて、光検出器２８から測定値を受領する。したがって、プロセッサ３０は信号を光検出器２８に向けて送り、減衰曲線１０の測定を行い、次にアナログ信号３２を対応しているデジタル値に変換し、それにより、実効的に減衰曲線１０のデジタルサンプリングを実行する。
【００５３】
プロセッサ３０は次のようにセンサシステム２４の使用を調整する。ひとたび風洞内での動作条件が整うと、言い換えると風洞ファンが速度に到達すると、塗装されたモデル３４が位置について、オペレータがプロセッサ３０に指令を送ることができて、モデル３４からデータを捕捉する。この指令があると、またモデル３４が各データ収集実行の間に照射される前に、プロセッサ３０は信号３６をホトダイオード２８に向けて送り、多数の継続する時間スロット上で受取っている光をサンプルして、値をプロセッサ３０に向けてＡＤＣを介して送る。プロセッサ３０はそこでデジタル化したデータから単位時間当りの平均ベースライン値を計算する。したがって、ホトダイオード２８における暗電流と周囲光との測定値が得られて、これがモデル３４の照射後に採されたデータのベースライン減算として使用されるようにできる。ひとたび、ベースライン値が決められると、プロセッサ３０は信号３８を光源２６に向けて送り、それにより、光源２６はフラッシュ照射をベースラインデータサンプリング後マイクロ秒で生成し、同時に第一のシリーズの信号３６をホトダイオード２８に向けて送る。ホトダイオード２８に向けて送られた信号３６のシリーズへのゲート信号と、データサンプリングの開始と終了の時間間隔４０ａ，ｂとして動作する。各時間間隔４０ａ，ｂの間に、ホトダイオード２８が実行されて、間隔４０ａ，ｂにわたって、積分された光強度がサンプルされるようにする。各時間間隔４０ａ，ｂの終りでは、ホトダイオード２８により測定された値がプロセッサ３０にＡＤＣを経て送られて、後述のようにベースライン値の減算のようなデータ処理の対象となる前にＡＤＣではデジタイズが行なわれる。
【００５４】
さらに、上記の方法は連続して実行することができて、それにより、最後の時間間隔４０ｂからのデータが収集されたときに、プロセッサ３０が先ず新しいベースラインサンプリングと判断（determination）段階を生じさせて、その後に光源２６が第二の光フラッシュを生成するようにして、同じデータ収集ルーチンが上述のように実行できるようにする。このプロセスは望まれるだけ何回も繰返される。このようにして集められた余分のデータは統計を改良するために使用されてよく、言い換えると、多数の減衰曲線を平均化することによって圧力及び／又は温度を決めるために使用されたり、あるいは、高解像度(high-resolution)時間間隔が求められている場合に圧力及び／又は温度の継続する値を得るために使用されてよい。
【００５５】
センサシステム２４は動作されて、それにより、ホトダイオード２８は多数の短かくしかも継続するスナップショット上でのデータをサンプルして、図１の減衰曲線１０を示す一連のデータ点を生成するようにする。もし十分なデータ点がサンプルされると、減衰曲線１０がそこで標準的なカーブフィッテング技術を用いてフィッテングできるようにして、係数ｋmin ，ｋmax ，ｋpeak及びｖ因子を求めるようにする。しかしながら、ホトダイオード２８によって収集されたすべての減衰曲線１０についてのカーブフィッテングを実行することは非常に遅く、相関となる傾向にある。したがって、代りの方法が考案されて、図６を参照して記述して行く。
【００５６】
先ず、感圧性塗料のバッチ（batch）が圧力測定に使用できるようになる前に（図６に参照番号４２に示すように）校正されなければならない。このことは感圧性塗料の小さいサンプルを環境チャンバ（chamber）に入れて使用することにより実行され、ここではベースライン値がモデルを照射しかつ全体の減衰曲線１０を４４でアバランシェダイオード２８とともにサンプリングする前に決められる。言い換えると、照射の読取りは圧力と温度の代表的な範囲について、ルミネッセンスの消滅全体にわたりＡＤＣを経由して連続してサンプリングされる。この例では５００の減衰曲線１０は１６の条件の各々についてサンプルされ、これが温度範囲−２０℃〜＋５０℃の温度範囲についての１０°Ｃ段階に、二つの異なる空気流速度について（したがってモデル上での圧力について）対応がとれていることは段階４４に示す通りである。５００の曲線は平均されて各条件について平均減衰曲線を作るようにした。しかしながら、測定された減衰曲線の数と温度及び圧力条件の数とは必要に応じて自由に変えられてよい。
【００５７】
平均減衰曲線は４６においてフィッテングした曲線であり、ｋpeakを圧力と温度の関数として、ｋmin を圧力と温度の関数として、またｖを温度のみの関数として求めるようにしたものである。（ｋmax は、ｋpeakの値に対して固定でき、例えばｋmax ＝ｋpeak／０．６）。このことから、主（master）減衰曲線方程式（すなわちモデル）が４８で生成される。さらに、観念的な(notional)ゲート４０ａ，ｂがこの主減衰曲線方程式から見つけることができて、積分された光強度が計算されたこれらのゲートされた領域４０ａ，ｂの面積によって提示される。観念的なゲート４０ａ，ｂの二対が使用される。第一の対４０ａは急速な消滅部分１２を占拠し、したがって高減衰レートのサイト(sights)部分に対して感度をもち、また第二の対４０ｂは低速な消滅部分１４を占拠するので、図１に示したような低い減衰レートのサイトに感度をもつ。ゲートされた領域４０ａ，ｂの対の間の強度ＩＲ１，ＩＲ２の比がそこで計算される。この比は圧力と温度との関数（すなわち、ＩＲ１（Ｐ，Ｔ）とＩＲ２（Ｐ，Ｔ））となり、これらが圧力と温度で多項式として表現することができる。これらの多項式は５０で計算されて、プロセッサ内に記憶される。
【００５８】
上記の方法については確信をもつことができるのであって、その理由はカーブフィッテング減衰曲線が各種の減衰レート（ｋmin ，ｋmax 及びｋpeak）の定温度における圧力に対する直線関係が見事であることを示していること及び圧力ゼロへの外挿が非常に類似したものであって、発光性減衰率（radiative decay rate）に対応していることが理由にあげられる。代表的なグラフが図５に示されている。これだけでなく、減衰レートについての圧力と温度との完全な依存性が得られたときにも、このことが温度と圧力とについて解かれることになる表現について十分な差異をもつものとなっている。本質的に温度に対する異なる感度である、ＩＲ１（Ｐ，Ｔ）とＩＲ２（Ｐ，Ｔ）とが圧力と温度とについて解くことができる。このことは、転じて観ると、温度に対してｋmin ，ｋpeak，ｋmax とが異なる感度をもつことに起因していることである。
【００５９】
感圧性塗料がすでに校正されていて、しかも多項式が決まっているところでは、多項式は単にプロセッサ３０から読取られるのでよいし、これが５２に示されている。
【００６０】
ゲートされた領域４０ａ，ｂに関する多項式が知れている場合には、センサシステム２４は素早くしかも効率的なやり方で動作されることが今やできる。動作状態となっている風洞の中に塗装されたモデル３４が置かれた場合（５４に示されるように）には、素早いデータサンプリング段階が５６で実行されて校正プロセス４２の間に採られたデータがチェックされる。６０では、５６で得られた結果が４２で得られたものと比較されて、一致しているかどうかを見る。一致していれば、データ収集は正常として進行できる。一致していないとすると、校正データが６１で再度フィッテングされて、多項式が再度計算されることが段階４６，４８，５０によって行なわれる。データ収集はそこで新しい多項式を用いて進行する。
【００６１】
６２では、プロセッサ３０が使用されて、上述のベースライン平均化プロセスが実行され、次に５６において光源からの初期照射フラッシュを生成し、また一連の信号を生成してホトダイオード２８に向けて送り、各ゲート４０ａ，ｂの始めと終りをマーク付けするようにし、その間にホトダイオード２８が受けた光強度を積分することになる。ゲート４０ａ，ｂは所定のゲート４０ａ，ｂと整合していなければならず、これらの所定のゲートについては多項式が計算されている。同期がどんな減衰曲線１０についてもｔ＝０としてピーク強度５８を設定することにより達成される。第一のゲート４０ａ，ｂはｔ＝０の後、少くとも２００ｎｓで開始するように設定されている。これはホトダイオード２８の応答時間に起因することと、急速に変る信号に対するホトダイオードの非線形応答によるものとである。もちろん他の位置をｔ＝０と設定することは可能であるが、第一のゲートに対する遅延も追随して変更されなければならない。
【００６２】
６２において、データが四つの指定された、ゲートされた領域４０ａ，ｂについてホトダイオード２８によりサンプルされたときには、６４においてプロセッサ３０はゲートされた領域４０ａの急速に減衰する対についてとゲートされた領域４０ａのゆるやかに減衰する対についてとの強度比を計算することができる。６６にて示されるように多項式の対がそこで解くことができて、含まれている二つの未知量すなわち圧力と温度とを求めることができる。
【００６３】
６７において、この段階で、圧力と温度との求めた値がしきい値に対してチェックされる。これらの値がしきい値よりも上か下かであるときには、データ収集段階６２，６４が繰返されるが、これは異なるゲート位置に対してである。その理由は高圧では、減衰レートが酸素の増加した濃度に起因して増し、一層クエンチングされることになり、それによって減衰曲線がより速い消滅を示すことにある。この場合にはゲートされた領域はｔ＝０に近いところをとることが好都合である。逆に、減衰曲線１０はもっとゆるやかな消滅を低圧力に対して示し、それによってゲートされた領域はｔ＝０から間隔をもっととり、その分離が増すことが都合よく、そうでないと減衰曲線１０のゆるやかな消滅部分１４を占拠していると想像されるゲートされた領域４０ｂが代って急速な消滅部分１２を占拠することになる。この実施例では、三組のゲート位置が使用されて（またすべての領域比ＩＲ１とＩＲ２とが三つの場合に５０においてで計算される）通常状態、低圧力、及び高圧力とに対応するようにしている。もちろん、この段階はこの発明の範囲を逸脱しないで省略されてよいし、ゲート位置の組の数は必要に応じて変更されてよい。
【００６４】
圧力と温度とが決められて、６６における第一の場合か、６９における第二の、高精度データ収縮ルーチンを介する場合かのいずれかで、ホトダイオード２８が眺めていたモデルの表面上の領域での圧力が見付けられる。前述のように、ホトダイオード２８はモデル３４の表面をまたいで走査できるようにされていて、二次元の圧力マップを構築できる。６８に示すように圧力値はそこでモニタ３３などでいろいろなやり方で表示できる。例えばカラー表示、グレイスケール表示が圧力値に指定できて、圧力地図もしくはモデルの表面の表示あるいはマップを作るようにして、モデルの表面の提示をまたいだ一連のアイソバー（isobars）として提示することもできる。一例が図４ｂに示されているが、これは圧力値がグレイスケールを用いて示されている。
【００６５】
当業者にとっては上記実施形態に対する変形が添付の特許請求の範囲に規定された発明の範囲から逸脱することなく、明らかに可能であろう。
【００６６】
例えば、上記実施例では風洞試験でセンサシステム２４の使用を述べたが、これは血液とか地下水とかの分析での使用に直ちに適用することができる。こういった代りの適用では、光ファイバの終端が感圧性塗料でコーテングされて、光源２６と光検出器２８とに光カップラを経て接続されて、光源２６からの光が光ファイバを通って送ることができるように、また塗料によって放出された光が光検出器２８に戻ることができるようにされている。光ファイバの塗装でコーテングした端はそこで血液とか地下水のサンプル内に置かれて、上記したようにこの方法が実行される。すぐに明らかなように、光検出器２８により集められたデータは感圧性塗料のルミネッセンス強度に対応することになり、また同じデータ解析が血液または地下水内の酸素の分圧（したがって酸素濃度）を抽出するために実行できる。
【００６７】
これまで記述してきた実施例は光検出器としてアバランシェホトダイオード２８を採用したが、電荷結合素子（ＣＣＤ）も良い代替物となり得るものである。この種のデバイスはピクセルの二次元アレイを提供するという利点を有していて、ＣＣＤが眺めているモデル３４の一部についてのスポット圧力の二次元アレイを提示するために使用できるものとしている。さらにＣＣＤは生来的に強度積分デバイスであるからそれによってゲートされた時間間隔４０ａ，４０ｂにわたる積分された光強度を測定するのによく適応している。加えて、ストリークカメラのような増倍された検出器が高速ゲート動作用に使用できる。高速ゲート作用は次の点で問題とされていて、すなわちゲートされた領域間での時間間隔が、ＣＣＤ内の各ピクセルによって測定された光強度を読取るのに必要とされる時間よりも小さいということである（これはキャパシタの放電を本質的に含んでいて、それ故にキャパシタの時定数により決まるものである）。この問題に関する別なやり方は複数のＣＣＤを使用するとか、ピクセルを別々のアレイに分けることとかがあり、例えば、代りのピクセル列を用いて代りのゲートされた領域を測定するとか、四象限に分けて、各ゲートされた領域に一つを割当てるなどである。
【００６８】
ＡＤＣを用いてアバランシェホトダイオードから収集したデータをデジタイズして、それにより減衰曲線１０を効率よくサンプリングすることの代りとして、もっと簡単な方式として、タイマを用いて一連のボックスカー状のゲートにわたりデータを集めるという方式が使用されてよい。この方式の主な不利益はボックスカー状のゲートの位置が固定されていて、それにより減衰曲線の形状に従ってゲートされた領域を移動するというフレキシビリティが喪失されることである。
【００６９】
四つのゲートされた領域４０ａ，ｂから得られた二対の強度比が、使用されて、圧力と温度との情報を得るようになっているが、満足な結果は三つのゲートされた領域４０ａ，ｂから二つの比をとることによって得ることができる。逆に、二つよりも大きな数の比がさらに精度を高めるために採用できる。これは強度積分についてより多くの対を採ることによるか、多数のゲートされた領域４０ａ，ｂ間での比の各種の組合せを計算することによって達成される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】感圧性塗料の典型的なルミネッセンス強度（Ｉ）対時間（ｔ）のプロット。
【図２】ポピュレーション（ｐ）対減衰レート（ｋ）のプロット。
【図３】風洞試験で使用するための、本発明の実施例によるセンサシステムのブロック図。
【図４（ａ）】図４（ａ）は感圧塗料でカバーされたモデルの斜視図を示し、図３のセンサシステムで使用される。
【図４（ｂ）】図４（ｂ）は同様のモデルの圧力マップであり、照射時にモデルの表面をまたいだ局所的な圧力を示す。
【図５】最大または最小減衰レート（ｋmax またはｋmin ）対圧力（Ｐ）のプロット。
【図６】図１のセンサシステムの動作方法の流れ図。
【図１】
2005528985.tif 000014
【図２】
2005528985.tif 000015
【図３】
2005528985.tif 000016
【図４（ａ）】
2005528985.tif 000017
【図４（ｂ）】
2005528985.tif 000018
【図５】
2005528985.tif 000019
【図６】
2005528985.tif 000020
【国際調査報告】
2005528985.tif 000021
2005528985.tif 000022
2005528985.tif 000023