基于有机玻璃水槽的PIV试验测量装置的制作方法

本实用新型属于流场三维测速领域，特别涉及一种基于有机玻璃水槽的piv试验测量装置。

背景技术：

有效鱼道的正确设计对于众多鱼类的安全和改善是非常重要的，而如何测量和改善鱼道内的流场是一直亟待解决的问题。每一种鱼都有其独特的物理特性，在设计鱼道设施时应加以考虑。例如，鳟鱼和鲑鱼能够在非常快的水中游泳，因为它们有非常快的爆发速度，而其他一些鱼类，如北方梭子鱼，和小嘴鲈鱼由于中等的爆发速度不能通过非常快的水。在设计鱼类通道设施时，还应仔细考虑其他一些因素，如能量耗散、水流紊动、休息区、入口位置、吸引速度和池中的空间。因此利用粒子图像测速技术（piv）可以更全面的进行流场测量，对鱼道设计和改善鱼道有重要的意义。

由于鱼道内的流动一般比较复杂，piv是一种比较合适的获得速度场的实验技术。标准2d-piv(2d2c)是用一台摄像机在一个平面上测量两个分量的速度，而stereo-piv(2d3c)是用两台摄像机在一个平面上测量三个分量的速度。由于价格问题，目前常采用的是简易（2d3c）测量方法，大多数流场分析同一视口平面鱼的流场变化，很少对三维立体鱼周身流场进行测量且piv设备还是不够简便。

技术实现要素：

鉴于背景技术所存在的技术问题，本实用新型所提供的基于有机玻璃水槽的piv试验测量装置，与目前常用的二维流场相比，该piv系统可重建三维鱼的形状，并对其周身流场进行三维测量。

为了解决上述技术问题，本实用新型采取了如下技术方案来实现：

一种基于有机玻璃水槽的piv试验测量装置，包括水池，水池通过输水管与有机玻璃水槽连接，有机玻璃水槽前段放置有整流栅，有机玻璃水槽中部设置有试验区，试验区前后各用一个拦鱼网连接，有机玻璃水槽后端设置合页式尾门，有机玻璃水槽中部试验区上方和有机玻璃水槽左边壁各贴一张白纸，在白纸的上端和左端各架设一台频闪灯，相对于白纸的一端架设第一摄像机和第二摄像机，在试验区有机玻璃水槽左右两侧各放一个装水有机玻璃棱镜，装水有机玻璃棱镜旁各架设有第三摄像机和第四摄像机；第一摄像机、第二摄像机、第三摄像机和第四摄像机通过网线与录像机连接，录像机和电脑通过网线连接；有机玻璃水槽旁设有激光笔支架，激光笔支架上设有激光笔，有机玻璃水槽底部设有平面镜，平面镜用于发射激光笔反射的片光源。

优选的方案中，所述的第一摄像机和第二摄像机光线垂直有机玻璃水槽设置。

优选的方案中，所述的激光笔包括壳体，壳体的后盖处设有开关按钮，开关按钮与电池电连接，开关按钮用于控制激光灯通断，电池设置在壳体内，壳体内设有光线通道，激光灯设置在光线通道的底部，光线通道内可活动地设有激光折射装置。

优选的方案中，所述的激光折射装置包括外螺纹筒，外螺纹筒一端与滑动块连接，滑动块中心设有孔，所述的孔与外螺纹筒同轴设置，外螺纹筒另一端设有棱镜；外螺纹筒与调节内螺纹筒螺纹连接，滑动块设置在滑道内，所述的滑道为光线通道向外扩凿的结构。

优选的方案中，所述的棱镜上下通过弹簧连接。

本专利可达到以下有益效果：

1、该piv系统是一种简易的测量装置，可节约成本。与目前常用的二维流场相比，该piv系统可重建三维鱼的形状，并对其周身流场进行三维测量。

2、通过转动调节内螺纹筒可调节大小合适的片光源，这种设计可省去安装棱镜的支架，节约空间。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为piv试验测量装置使用中布置图；

图2为piv试验测量装置布置图，此时有机玻璃水槽未安装;

图3为可伸缩式激光笔外观图；

图4为激光折射装置结构图；

图5为可伸缩式激光笔剖面图。

图中：有机玻璃水槽1、整流栅2、拦鱼网3、合页式尾门4、输水管5、水池7、频闪灯8、白纸9、装水有机玻璃棱镜10、第一摄像机11、第二摄像机12、第三摄像机13、第四摄像机14、平面镜15、激光笔支架16、激光笔17、录像机18、电脑19、激光灯20、外螺纹筒21、滑动块22、调节内螺纹筒23、滑道24、后盖25、开关按钮26、棱镜27。

具体实施方式

优选的方案如图1和图2所示，一种基于有机玻璃水槽的piv试验测量装置，一种基于有机玻璃水槽的piv试验测量装置，包括水池7，水池7通过输水管5与有机玻璃水槽1连接，有机玻璃水槽1前段放置有整流栅2，有机玻璃水槽1中部设置有试验区，试验区前后各用一个拦鱼网3连接，有机玻璃水槽1后端设置合页式尾门4，有机玻璃水槽1中部试验区上方和有机玻璃水槽1左边壁各贴一张白纸9，在白纸的上端和左端各架设一台频闪灯8，相对于白纸9的一端架设第一摄像机11和第二摄像机12，在试验区有机玻璃水槽1左右两侧各放一个装水有机玻璃棱镜10，装水有机玻璃棱镜10旁各架设有第三摄像机13和第四摄像机14；第一摄像机11、第二摄像机12、第三摄像机13和第四摄像机14通过网线与录像机18连接，录像机18和电脑19通过网线连接；有机玻璃水槽1旁设有激光笔支架16，激光笔支架16上设有激光笔17，有机玻璃水槽1底部设有平面镜15，平面镜15用于发射激光笔17反射的片光源。

第一摄像机11、第二摄像机12、第三摄像机13和第四摄像机14为高速摄像机，其型号为casioex10，焦距4mm。

进一步地，第一摄像机11和第二摄像机12光线垂直有机玻璃水槽1设置。

装置工作原理为：

试验在有机玻璃水槽1中进行，有机玻璃水槽1中间部分设置试验区，试验区长度为1000mm，跨度为200mm，通过拦鱼网3进行隔离。通过启动自吸式水泵6将水通过水管5进行输送。首先水通过整流栅2整流，使水流平顺进入有机玻璃水槽1。试验区上方和左端各放置一个频闪灯8，用于补光。在频闪灯8的右端和下方各放置一张白纸9，用于扩散光线。第一摄像机11和第二摄像机12放置在水箱两侧，用于观察同一区域。第三摄像机13和第四摄像机14前各放置一个装有水的有机玻璃自制棱镜，使光线垂直进入有机玻璃水槽1，第三摄像机13和第四摄像机14用于观测鱼的位置。另外激光笔支架16用于固定激光笔17，激光笔17发出约2mm厚的片光源通过平面反光镜15反射后光线垂直进入有机玻璃水槽1，片光可照射整个试验区。水流经过试验区通过合页式尾门4进入水池7，合页式尾门4用于调节水位。录像机18用于储存各高速摄像机所拍摄的画面，电脑19用于显示图像和图像处理。在试验时，当有机玻璃水槽1中水流达到一定的流量且处于层流状态后，在试验区撒入跟随性良好的示踪粒子，使其在水中均匀分布。之后将鱼放入整流栅2和拦鱼网3之间进行适应20mins。适应结束后将试验鱼放入试验区。为了将强激光的潜在干扰效应降到最低，只有当鱼进入试验区域时，随之打开激光。各高速摄像机用于记录图像，传输到电脑19进行图像处理和相应的流场分析。本实用新型目的在于提供一种简易的piv试验测量装置，而piv试验测量方法在《水动力学研究与进展》期刊发表的“一种基于互相关的三维piv图像处理方法”论文中有记载。

通过调节自吸式水泵的转速，携带示踪粒子的水流经过整流栅2整流后平顺进入有机玻璃水槽1。在试验区同一断面架设第一摄像机11和第二摄像机12，主要用于三维流场测量。频闪灯8主要在于补光，使成像画面更清晰。激光灯发出的片光源经过平面镜15反射后穿过有机玻璃水槽1照亮整个试验区域。另外装水有机玻璃自制冷静主要用于折射第三摄像机13和第四摄像机14的成像，所成像主要用于记录鱼的位置和鱼后期形状的合成。各摄像机都是同步拍摄，最终用电脑进行图像的合成和流场分析。

进一步地，激光笔17包括壳体，壳体的后盖25处设有开关按钮26，开关按钮26与电池电连接，开关按钮26用于控制激光灯20通断，电池设置在壳体内，壳体内设有光线通道，激光灯20设置在光线通道的底部，光线通道内可活动地设有激光折射装置。

进一步地，激光折射装置包括外螺纹筒21，外螺纹筒21一端与滑动块22连接，滑动块22中心设有孔，所述的孔与外螺纹筒21同轴设置，外螺纹筒21另一端设有棱镜27；外螺纹筒21与调节内螺纹筒23螺纹连接，滑动块22设置在滑道24内，所述的滑道24为光线通道向外扩凿的结构。

进一步地，棱镜27上下通过弹簧连接。

可伸缩式激光笔使用原理为：

可伸缩式激光笔发出的束光经过中空的外螺纹筒21后，再经过棱镜27折射后把束光变成片光。外螺纹筒21和调节内螺纹筒23是通过螺纹连接的，通过旋转调节内螺纹筒23可以使带有棱镜的外螺纹筒21前后移动，前后移动的目的在于调节合适大小的片光源。另外螺纹筒21前段设计成半凹型，主要在于防止干扰发出的片光源。