一种用于流场速度测量的特征信号图像法及测量系统的制作方法

本发明涉及流场测量领域，特别是涉及一种用于流体流场速度测量的特征信号图像测速方法。

背景技术：

流体的流动速度是流场最为基本的物理量，对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得，尤其是在高速流场特性的研究中，流速测量能够为流体动力学研究提供重要的实验数据。目前，流场速度测量主要分为介入式与非介入式两种方式。介入式测量主要有皮托管和热线风速仪两种方式，非介入式测量主要包括激光多普勒法，粒子图像法、分子标记法和流场光强扰动传播测速法等。

皮托管原理是应用伯努利方程，通过测量点压强的方法来间接测出点速度大小。皮托管测速属于单点、定常的接触式测量，对被测流场影响较大，在工业级应用比较普遍，或者用于其他测量方法的预估测量，极少用于流体力学实验研究测量。热线风速仪测速的基本原理是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量的，但是该种方法同样对流场会产生干扰，且金属线容易断裂。

非介入式测量对流场没有任何扰动。激光多普勒法是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度，进而获得流场速度。该方法精度高，测速范围宽，但设备复杂，价格昂贵，无法反映空间结构的变化。粒子图像法是通过拍摄并测量流场中跟随流体运动的颗粒(示踪粒子)的速度来反映流场速度，该方法可以直观反映瞬时全场流动信息，具有单点测量技术无法替代的优点。由于图像采集和处理速度受限，粒子图像法的时间采样频率仍然有限，且其测量的结果仍然是颗粒的运动速度，示踪颗粒在特殊流体(比如超高速气体，稀薄气体等)中难以跟随流场运动的问题仍然存在。分子标记法，与粒子图像法原理类似，都是根据示踪物在已知时间间隔内跟随流场的移动距离计算流场的速度分布，是以分子作为标记示踪的流场速度测量技术。但该方法在振动较大的环境中，测量系统受振动引起的位移可能带来较大的误差，同时光学窗口对内流场测量会带来干扰。

目前最常用的测量方法是直接利用流体本身光强波动来获得速度。

传统的利用光强扰动测速方法主要由光学透镜与光电倍增管组成。光学透镜将流场中间距为δz的两点的成像在两个间距较大的测量点上，测量点上分别安置光电倍增管，测量射流中两个待测点的光强扰动。为了加大测量点的间距以利于放置光电二极管，常常在透镜后安装分束立方体。光强扰动在两个待测点的传播时间间隔δt可由两个光电倍增管的输出信号分析获得。从而，待测两点的平均速度通过下式得到：

虽然该方法可以在不扰动流场的情况下，获得相应点的平均速度，但该方法一次只能获得单个空间位置的平均速度，效率太低。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种用于流体流场速度多点测量的特征信号图像测速方法及适应该特征信号图像测速方法的测量系统。

特别地，本发明提供一种用于流场速度测量的特征信号图像法，包括如下步骤

步骤100，利用高速摄像机连续拍摄流场的光强波动图像，然后发送至计算机利用图像分析软件进行处理；

步骤200，在不同时间点分别选取每帧图像上流场轴向序列的测量点，再获取每帧图像上流场各空间序列点的光强，然后根据时间点的先后顺序建立各空间序列点上光强的时间序列；

步骤300，采用快速傅立叶变换处理各空间序列点光强的时间序列，用提取的频率与相邻空间序列点上光强波动的相位差相比，得到两者的时间差，再代入两点间平均速度公式，即可得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果：

步骤400，利用前述步骤再计算各帧图像不同径向位置的轴向空间序列点上射流速度分布的结果，即可得到全流场每个空间位置的流动速度。

在本发明的一个实施方式中，构成所述流场的流体自带特征信号或外加特征信号。

在本发明的一个实施方式中，所述流体为发光流体。

在本发明的一个实施方式中，所述的发光流体为3-氨基邻苯二甲酰肼。

在本发明的一个实施方式中，所述流体为常压环境下的亚声速和超声速流体，或为稀薄气体环境下或高气压环境下的亚声速和超声速流体，或带电流体。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤300中，设提取频率为fh，获得相邻δz空间序列点上光强波动的相位差为则时间差的计算公式为:

代入

即可得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果。

在本发明的一个实施方式中，得到的流动速度中的时间精度为：

空间精度为：

对流场时空稳定性的要求为：

对特征信号的分辩要求为：

其中，fs为流场波动频率，fa为高频摄像机帧率，υ为流场速度，n为采样数。

在本发明的一个实施方式中，提供前述特征信号图像法的测量系统，包括：计算机、高速摄像机、真空室、示波器、函数信号发生器和等离子体电源；其中高速摄像机用于拍摄真空室内的射流光强波动，其分别与计算机和函数信号发生器连接，示波器分别与函数信号发生器和真空室连接，等离子体电源为真空室供电。

在本发明的一个实施方式中，所述信号发生器同时输出两路ttl电平信号触发所述高速摄像机与所述示波器以同步采集数据。

本发明利用特征信号图像测量等离子体射流的流速，解决了示踪颗粒在稀薄高速等离子体流动中难以跟随流场运动的难题。本发明可在极短的时间内测得流场速度的二维分布，操作简便，无需设备介入流场，能够快速准确测得流体的瞬时速度。通过选择高速摄像机的帧率和像素还可以改变最终的测量精度。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的特征信号图像法的步骤流程图；

图2是本发明一个实施方式的同一帧图像表示空间序列点上光强的时间序列示意图；

图3是图2所测流体的波动成分；

图4是本发明一个实施方式的测量设备连接示意图；

图5是本发明一个实施方式中由高速摄像机120000帧连续捕获等离子体射流时的波动结果图；

图6为本发明一个实施方式中实际采集的等离子体射流各轴向距离光强随时间的波动结果图；

图7为图6经过快速傅里叶变换提取的相位图；

图8是本发明一个实施方式中流场沿轴线方向的速度分布图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施例的特征信号图像测速方法一般性地包括如下步骤：

步骤100，利用高速摄像机连续拍摄流场的光强波动图像，然后发送至计算机利用图像分析软件进行处理；

其中，构成流场的流体为发光流体，如鲁米诺(luminol)，又名发光氨，化学名称为3-氨基邻苯二甲酰肼。而流体的速度可为常压环境下的亚声速和超声速流体，也可为稀薄气体环境下或高气压环境下的亚声速和超声速流体，以及带电流体。此外，流体可以自带特征信号，也可以外加特征信号，例如远低于主电源功率的小功率电源激励。

步骤200，在不同时间点分别选取每帧图像上流场轴向序列的测量点，再获取每帧图像上流场各空间序列点的光强，然后根据时间点的先后顺序建立各空间序列点上光强的时间序列；

步骤300，采用快速傅立叶变换处理各空间序列点光强的时间序列，提取频率为fh的波动成分，获得相邻δz空间序列点上光强波动的相位差再换算成时间差:

再结合公式(1)，得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果：

步骤400，利用前述步骤再计算各帧图像不同径向位置的轴向空间序列点上射流速度分布的结果，即可得到全流场每个空间位置的流动速度。

图2是步骤200中同一帧图像表示空间序列点上光强的时间序列示意图；图3是图2所测流体的波动成分。

本发明可在极短的时间内测得流场速度的二维分布，操作简便，无需设备介入流场，能够快速准确测得流体的瞬时速度。通过选择高速摄像机的帧率和像素还可以改变最终的测量精度。本发明利用特征信号图像测量等离子体射流的流速，解决了示踪颗粒在稀薄高速等离子体流动中难以跟随流场运动的难题。

在本发明的一个实施方式中，得到的流动速度中的时间精度为：

空间精度为：

对流场时空稳定性的要求为：

对特征信号的分辩要求为：

其中，fs为流场波动频率，fa为高频摄像机帧率，υ为流场速度，n为采样数。

以下以一个具体的例子来说明本方法的测量过程：

如图4所示，测量系统可以由计算机1，高速摄像机2，真空室3，示波器4，函数信号发生器5和等离子体电源6组成。由于等离子体具有高频脉动，产生的射流也具有相同频率的波动。高速摄像机2用于拍摄射流光强波动，计算机1用于读取和存储高速摄像机2的数据；示波器4用于监测弧电压，获取弧电压的脉动频率等信息；信号发生器5同时输出两路ttl电平信号触发高速摄像机2与示波器4以同步采集数据。高速摄像机2的最高帧率为120kfps，选取亥姆赫兹共振信号作为特征信号源，其频率为4khz左右，对应的时间精度约为0.01ms，空间精度为10mm左右。

如图5所示，在真空室3压力为120pa、弧电流为100a以及气流量为8.4slm的典型工况下，利用等离子体炬4的4khz左右的高频脉动，获得的射流波动结果图。

图5为50幅连续拍摄的射流波动图，高速摄像机2的帧率为120000帧每秒，用图像处理软件获取相同轴向距离的点光强随时间的变化，如图6所示。图中所示为相隔距离为10mm的各点光强波动。从图中可以看出强度信号锯齿比较明显，若直接取点误差较大。因此，采用快速傅立叶变换，只提取特征频率的相位信号，排除其他频率脉动的干扰，显著提高了信噪比，如图7所示。将相邻两点的光强波动用快速傅立叶变换获得相位差，通过公式(3)求算出两点间平均速度。

如图8所示，选取相邻两点间距为0.2mm、5mm和10mm的测速结果。当间距为0.2mm时，获得的速度值跳动非常大，间距为5mm与10mm时，结果的稳定性显著增加。

上述结果表明，本方法可以方便地实现流场速度二维分布测量，在现有实验条件下，空间分辨率可达到0.2mm，空间测量精度为10mm，时间测量精度达到0.01ms。上述精度实际受限于实验的设备能力，若采用更高帧率和带图像增强的高速摄像系统，则还可提高最终的精度。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。