本发明涉及鱼类测量装置，具体涉及一种基于piv的鱼体压力场测量装置与方法。
技术背景
随着水力发电的大力发展，大坝的修建破坏了河流原有的生态系统，对其中洄游性鱼类的生长和繁殖有着不利的影响，因此，鱼道修建已经成为鱼类上溯必不可少的结构。而往往某一特定鱼种的偏好水力因子是修建鱼道时所要考虑的主要因素之一。研究表明鱼鳍的摆动产生的压力场是推动鱼体的运动重要因素，研究鱼体受力对鱼道的结构优化有着巨大的作用。因此研究鱼类周身的压力场对洄游性鱼类物种多样性的保护具有重大的意义。
鱼体在水下的受力情况往往无法直接测量的，传统的测压装置例如压力传感器、测压管等，仅能提供单点、多点非瞬时的测量，无法做到对整个鱼体周身的压力场的监测。目前对鱼体压力场的测量还在起步阶段，实验中往往依托于仿生鱼，以便于人为控制。但仿生鱼的有限的简单机械行为较难客观反映实际鱼体的运动情况，获得的压力场并不全面。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于目前的对鱼体压力场的研究中，往往只是针对仿生鱼，没有建立真实鱼体压力场测量机制，且目前的研究装置结构过于单一，不能完整反映鱼体在运动时的压力场信息。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于piv的鱼体压力场的测量装置，包括相机、电脑、激光器供电器、激光发射器、透镜、压力信号接收器、玻璃水槽、压力传感器、piv示踪粒子，相机输出端和电脑输入端连接；激光器供电器输出端和激光发射器输入端连接；激光发射器激光发射方向上设置有透镜；压力传感器输出端和压力信号接收器输入端连接；玻璃水槽正上方设置有相机；玻璃水槽两侧对称布置有激光发射器；玻璃水槽中均匀布散有piv示踪粒子。所述的透镜为d型柱透镜；所述的相机为ccd高速相机。
所述的压力传感器为2-5对，优选地，采用2对压力传感器，按一定规率布置于玻璃水槽的四个角。所述的激光发射器和透镜为1-6对，优选地，采用1对激光发射器和透镜。
基于piv的鱼体压力场测量装置的测量方法，具体步骤如下：
步骤一：利用matlab软件的pivlab工具对相机获取的图像进行互相关分析，获取整个水槽的速度场；
步骤二：基于速度场数据，利用离散n-s方程获取各单元网格界面压差。
步骤三：基于压力传感器的压力数据，计算各单元网格界面压力值，进而取单元网格各界面平均值得到网格中心的压力值。
步骤二中计算各单元网格界面压差的公式为
其中，μ为流体的动力粘度，ρ为流体密度，l为控制体积边长，ua、ub、uc、ud、ue分别为控制体
积中心a、b、c、d、e处速度的x方向分量；va、vb、vc、vd、ve分别为控制体积中心a、b、c、d、e处速度的y方向分量；pa、pb、pc、pd分别为单元网格a、b、c、d界面的压力。
本发明的工作原理：激光发射器在激光供电器的作用下各自发射出一束连续的高强激光，激光穿过前方的透镜，散射为面光源，照亮整个水槽，在水槽中均匀的布撒跟随性良好的示踪粒子，鱼在水槽中自由游动，上方的相机记录整个水槽内的运动画面。高速摄像机拍摄的视频，导入电脑中经过virtualdub软件转换为图片，然后将图片导入matlab软件的pivlab工具中进行互相关分析，将分析的结果以ascii值的形式导出，便含有空间坐标x、y以及所对应的速度数据u、v这样就实现了二维速度场测量的目的。利用二维速度场可计算得到各单元网格上的界面压力差。水槽中参照点设置的压力传感器获得水槽内该点的压力信号。读取压力场参考点的压力，即速度场获取时压力传感器检测到的压力数据，结合各单元网格界面压力差，可计算得到各单元网格界面的压力值，通过取各单元网格界面压力的平均值即可得各单元网格中心点的压力值。
本发明与现有技术对比所具有的有益效果：
1)本发明相比于传统的基于仿生鱼的压力场测量机制，本发明能测量活鱼的压力场，真实反映活鱼运动时周边的压力数据。
2)相比于传统的鱼周围有限点的压力的测量，本发明能实现整个的活鱼周围无限个点的压力场的测量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图中：相机1、电脑2、激光器供电器3、激光发射器4、d型柱透镜5、压力信号接收器6、透明玻璃水槽7、微型压力传感器8、piv示踪粒子9。
图1为本发明结构示意图。
图2为压力场测量流程图。
图3为二维网格控制体积示意图。
图4为本发明实施例中的鱼体活动图。
图5为本发明实施例中实测速度场。
图6为本发明实施例中实测压力场云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细叙述本发明的技术内容。
如图1所示，一种基于piv的鱼体压力场的测量装置，其结构包括相机1，相机1为ccd高速相机、电脑2、激光器供电器3、激光发射器4、d型柱透镜5、压力信号接收器6、透明玻璃水槽7、传感器8、piv示踪粒子9。
所述的水槽7为四周透明的矩形有机玻璃钢水槽，在本实施例中其规格为长×宽×高分别为34.5cm×20cm×22cm。水槽7内有4个长条状的微型的压力传感器8，压力传感器8布置于水槽7的四个角，底部用螺母固定使其不发生相对移动。在水槽7内均匀的布撒跟随性良好的示踪粒子9，在本实例中所采用的示踪粒子9是直径为10微米的空心玻璃微珠，它能长时间悬浮于水体中，而不产生沉降，且随水流的运动的跟随性较好。当水槽内活鱼在自由游泳时，产生的水流扰动带动了示踪粒子9的位移。
在水槽7的左右两侧对称布置了两台激光发射器4，在激光供电器3的供电下产生一束高能激光，激光穿过d型柱透镜5，从d型柱的平面一侧进入，经过曲边的一侧散射出来，形成一个面光源，左右两侧所产生的面光照亮同一水层深度，两侧对称的结构使得鱼体在自由游动的过程中，背离某一侧面光时，不被鱼体挡住而产生阴影。
在水槽7的正上方架有一台ccd高速相机1，用来拍摄整个水槽内示踪粒子9，将获取的视频导入带有后处理系统的电脑2中进行分析，即可获得速度场。
如图2所示，将ccd高速相机1拍摄的视频导入带有后处理系统的电脑2中,相关分析的过程为高速摄像机拍摄的视频格式，导入电脑中经过软件virtualdub或其他转换软件转换为图片格式，然后将连续的两张图片导入matlab软件子数据库中的pivlab工具中进行互相关分析，获取整个水槽的速度场，将分析的结果以ascii值的形式导出，便含有空间坐标x、y以及所对应的速度数据u、v，这样就实现了二维速度场测量的目的。
水槽7中分别于四个角附近同时设置有一微型压力传感器8，连续监测水槽内该点的压力信号，将压力信号传递于压力信号接收器6。压力接收器6处理压力信号，可以获取该点的实际压力值。
如图3所示，压力场的获取，根据上述操作获得了流场内的速度场和参考压力点，而重构压力场，依据的是有限体积法，其基本思路是将计算区域划分为一系列的不重复的控制体积，在控制体积上通过离散微分方程进行求解。同理，在piv的图像处理系统中，往往是将图像分解为若干个大小相等的矩形区域，该区域称为查问区。piv计算的速度数据，存放于查问区的中心，这恰好与同位网格十分相似，只是查问区的中心只有速度值，没有压力值，可以通过离散n-s方程来获取压力值。
其中
可以通过离散n-s方程来获取压力值。
粘性二维不可压缩流体的n-s方程为
其中ρ是流体的密度，u，v分别是x，y方向上的速度分量，su，sv指的是x、y方向上的质量力，在国内外的研究中表明质量力的远远小于其他力的影响，p是压力，μ是流体的动力粘度，与流体运动时的温度有关。
在简化过程中，忽略质量力的影响，故上面两式写成：
将方程(4)各项对e点所在控制体积即正方形小区域(图3)积分，单元网格中心点a、b、c、d、e处的速度值为piv测得，控制体积边长δx＝δy＝l，
联立(4)、(6)、(7)、(8)可得
根据方程(5)，同理可得
式(9)、式(10)中ua、ub、uc、ud、ue分别为控制体积中心a、b、c、d、e处速度的x方向分量；va、vb、vc、vd、ve分别为控制体积中心a、b、c、d、e处速度的y方向分量；pa、pb、pc、pd分别为单元网格a、b、c、d界面的压力。
ua、ub、uc、ud、ue，va、vb、vc、vd、ve可以通过piv实验测得。根据式(9)、式(10)可得单元网格a、b、c、d界面的压差，各单元网格上的界面压差得到后，选取压力场参考点，即速度场获取时压力传感器检测到的压力数据，即可得到各界面的压力值，通过取a,b,c,d界面压力的平均值即可得控制体积中心e的压力值。
选择拉萨裸裂尻20尾，体长8-10cm，平均重量6-7g，按照上述步骤，获取鱼体的压力场。通过ccd相机1获取视频，将视频转化为图片，如图4所示。将转化的图片进行互相关分析，获取piv的速度场矢量图，如图5所示。将速度矢量数据按照上述的方法，并通过选定传感器8实测的压力数据作为压力参考点，即可获取压力场云图，如图6所示。