专利名称：一种高速粒子图像测速装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及流体力学速度场测量装置，具体的说是一种高速粒子 图像测速装置。
技术背景随着近代各种飞行器和舰船设计水平的不断发展，对流场测试试验技 术也提出了越来越高的要求，传统的单点测量技术(皮托管、热线风速仪 以及多普勒测速)已经不能满足各种试验的要求，而流动显示技术也只能 定性的显示流场结构，这就要求有突破传统手段的测试技术。粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry ，简称PIV)结合了当今最先进的 激光技术、计算机技术以及数字图像处理技术，可以测量一个瞬时流场空 间截面内各个点的速度，得到整个流动结构的定量化数据，为不同的试验 分析提供全新、丰富、可靠的试验依据。但是现有PIV技术中，主要使用传统PIV相机(也称为跨帧数字相机)和双脉冲激光器，通过延时器和同步控制器由电脑集中控制整套装置。使 用PIV相机通过延时器和同步控制器与集成一体的两台脉冲激光器配合， 实现一次两幅图像采集时，两幅图像的采集间隔可以达到微秒量级，这样 可以测量流速较高的流场；但是每次采集后需要几十毫秒量级的间隔才能 进行下一次采集。因此这种装置采集速率低，使用和维护比较复杂，只适 合对瞬间高速流场进行瞬时测量，而不适合对高速连续流场进行连续测量， 也不能实现加速度场的测量。 实用新型内容针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种高速粒 子图像测速装置，不但可以连续测量高速连续流场中的各个点的速度大小 和方向、涡量、剪应力、流线等各种流体力学参数，还能够实现加速度场 的(加速度场的主要测试参数为加速度大小和方向)的测量。为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是一种高速粒子图像测速装置，包括测试段、计算机、激光发射单元、
片光调制单元、图象采集单元、粒子发生器，其特征在于所说的激光发 射单元为一台用于产生连续的或准连续的可见光波段激光输出的气体或固 体或半导体制式连续激光器，所说的片光调制单元为一套用于将激光发射 单元射出的单束激光调制成片状光源的包括一个圆凸透镜、 一个凹透柱镜 的柱透镜组合，所说的图象采集单元为一台自带高速图像缓存的高速相机， 连续激光器和柱透镜组合设置于测试段一端，连续激光器射出的激光通过 柱透镜组合调制成激光片光后照射测试段，粒子发生器置于测试段另一端， 高速相机设置于测试段侧面，高速相机的拍摄方向垂直于激光片光的照射 面，计算机通过通用接口连接高速相机获取图象。在上述方案的基础上，其特征在于所说的粒子发生器为用于液体测量 的空心玻璃微珠式粒子发生器或用于气体测量的烟雾式粒子发生器。本实用新型具有以下优点-1. 整套装置仅使用一个激光发射单元，取消了延时器和同步控制 器，而且通过使用高速相机可以连续高速拍摄，在大幅减小了每 次采集的时间间隔的同时，还能有效的保证采集的各幅图像之间 的时间间隔能达到微秒量级，降低了装置制作成本，降低了装置 的复杂程度。2. 可以连续测量高速连续流场中的各个点的速度大小和方向、涡量、剪应力、流线等各种流体力学参数。3. 能够实现加速度大小和方向的测量。4. 装置的操作使用方便，易于维护。
本实用新型有如下附图-图1原理示意图 图2 实施例示意图附图标记l为激光发射单元，2为片光调制单元，3为图象采集单元，4为计算 机，5为粒子发生器，6为测试段，7为单束激光，8为激光片光，9为示
踪粒子。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。如图1所示，本实用新型的粒子图像测速装置包括 一个激光发射单元1，激光发射单元在装置使用期间持续输出连续的 单束柱状激光束7。 一个片光调制单元2，通过内部的柱透镜组合，将激光 发射单元1输出的单束柱状激光束调制成薄片状的激光片光8，这束激光 片光照射入透明的测试段6，并把布撒在测试段6中的示踪粒子照亮，以便于图象采集单元3捕捉示踪粒子跟随被测流体运动的图像。 一个图象采 集单元3位于测试段6的侧面，高速连续捕捉激光片光照亮的示踪粒子9 跟随被测流体运动的图像，并把拍摄到的图像信号临时的保存到自带的高 速图像缓存。图象采集单元通过1394接口或者USB接口同计算机4连接， 将高速图像缓存内的图象传输到计算机4的内存或者硬盘中。计算机4中 的图象采集单元控制软件也可以通过接口发送控制指令，用于控制图象采 集单元的工作状态(包括采集速率、快门控制、增益控制等设置)。 一台 计算机4，计算机4安装有高速粒子图像测速系统软件和图象采集单元控 制软件，可以控制图象采集单元的工作状态、控制粒子图像的采集和存储， 可以进行实时的粒子图像速度场计算，可以结合不同的测试工况，采用相 应的计算、分析算法，可以输出专用的速度场结果信息文件。 一个粒子发 生器5，粒子发生器5用于在测试段6释放跟随流体运动的示踪粒子。一个测试段6，测试段6包括被测物体、被测流体、承载被测流体的容器， 被测流体在容器内流动，示踪粒子在测试段6内随被测流体一同运动。图2是本实用新型的实施例示意图，本实施例中的激光发射单元可以 选用Coherent公司的Vaper系列高能量半导体激光器，Vaper系列高能量 半导体激光器最高可以达到10w绿光输出，至少能为50cm见方的测试区域 提供照明光源。激光发射单元根据测试区域大小不同可以适当调整具体选 型，基本选型原则是测量区域越大，激光器输出能量越高。片光调制单 元为柱透镜组合，本实施例中可以选用一套包括一个圆凸透镜、 一个凹透 柱镜的柱透镜组合，其中圆凸透镜将入射激光聚焦、汇聚；凹透柱镜将入射激光在单一方向上扩张、展开，这样在试验段区域形成一个展开的片状光源。本实施例中的图象采集单元可以选用Photron公司的APX系列高速 相机，最高可以达到25000幅/秒的采集速率，缓存为16G。为了后期顺利 进行互相关数据计算，测试段空间尺寸变化后，高速相机的拍摄速率也需 要进行对应调整他们之间成反比例变化关系测试段尺寸增大一倍，相 机的拍摄速率需要减少一倍。选用高速相机主要的侧重点在于高速的连续 采集图像，高速相机一般空间分辨率为l-2百万像素分辨率，采集速率超 过3000幅/秒，以相机配备16G高速图像缓存为例，连续拍摄12bit 1024 X1024的图像， 一次可以连续拍摄16X1071024/1024/2=8000幅。本实 施例中的计算机可以选用目前主流的PC机，例如可以选用双核P4 3. 0 CPU, 2G内存，256M独立显存显卡，600G硬盘，19寸液晶显示器，DVD-RW光 驱，Windows XP操作系统。计算机中的图象采集单元控制软件通常为高速 相机生产厂商开发，随高速相机一同提供。计算机中的高速粒子图像测速 系统软件可以根据客户的实际需要定制。图象采集单元控制软件和高速粒 子屈像测速系统软件可以釆用现有的公知技术根据客户需求编写，也可以 选用厂家配套提供的成型软件。上述高速粒子图像测速装置的运作方式是半导体激光器产生的连续 激光，经过柱透镜组合产生一个厚度小于lmm的薄片状的激光片光切入流 场，这样就可以照亮测试段中被测流体的一个切面(剖面)的示踪颗粒运 动情况。高速相机按照计算机中设定的参数连续采集图像并存储到相机自 带的高速图像缓存中，采集完成后通过与计算机的1394接口或者USB接口 完整的将数据转移到计算机中。各幅图像中会清晰记录下不同时刻示踪粒 子的位置，由于相邻两幅图象的间隔时间短暂，西此可以通过高速粒子图 像测速分析软件对采集到的图像信号进行进一步的软件分析、处理得到流 场的流体力学信息。其中高速粒子图像测速系统软件的核心是对不同图像中的粒子位移进 行互相关分析，得到示踪粒子的运动方向和速度大小。其基本原理是首 先分析软件将采集到的要分析的第一幅图像划分网格，划分成一个一个连 续的图像小块，然后每一块都是用二维图像的互相关算法，到第二幅图像
中使用互相关算法(使用快速傅利叶FFT变换加速算法)査找这一个图像 小块对应的位置，这样就能确定示踪粒子经过两幅图像前后的运动距离S， 通过速度V的定义V二S/t，其中S是粒子的运动距离，t是高速相机采集图像的时间间隔；这样就能通过速度场的分析软件得到示踪粒子当时的运 动速度大小和方向，以此类推，对图像中的所有图像小块都进行这样的分 析，就能得到图像网格中每一个点的速度大小和方向。有了上述速度场的 数据，就可以根据流体力学的定义，进一步得到涡量、剪应力、流线、加 速度大小和方向等各种流体力学参数。在上述方案的基础上，粒子发生器根据被测流体的不同可以是用于液 体测量的空心玻璃微珠式粒子发生器或用于气体测量的烟雾式粒子发生 器。其中，用于液体测量的空心玻璃微珠式粒子发生器的玻璃微珠尺寸可 以为IO微米或更小，可以通过至于液体内的空心玻璃微珠式粒子发生器容 器依靠液体的流动散布，也可以直接将空心玻璃微珠至于液体内，通过人 工扰动的方式散布。用于气体测量的烟雾式粒子发生器的烟雾粒子尺寸可 以为l微米或更小，可以选用烟油加热的油烟雾作为示踪粒子，例如可以 选用F0G-AB-1500型烟雾粒子。当针对尺寸大于l米的气体测试时，由于 测试段增大，则粒子发生器可以选用浸泡在油中的喷嘴，通过高速气流冲 击产生油雾示踪粒子，再经过叉分多个管道均匀的布撒到空气中，形成均 匀的示踪粒子。上述方案中述及的激光发射单元可以设置于测试段一端，也可以根据 测试段的不同通过三脚架设置于测试段的上方或侧面。上述方案中述及的 片光调制单元可以单独设置于激光发射单元和测试段之间，将激光发射单 元射出的单束激光调制成片状光源，也可以直接装到激光发射单元内部， 使得激光发射单元直接射出片状激光。片光调制单元中的圆凸透镜和凹透 柱镜的前后顺序可以是单束激光7先经过圆凸透镜后再经过凹透柱镜得到 激光片光8，也可以是单束激光7先经过凹透柱镜后再经过圆凸透镜得到 激光片光8。上述方案中述及的图象釆集单元通常应该保证其拍摄方向垂 直于激光片光的照射面，如果有特殊需要也可以适当调整位置，以获取需 要采集的图象。上述方案中述及的粒子发生器可以直接至于测试段内部，
这时粒子发生器应设置在不影响图象采集单元采集图象的位置，该位置同 时也应保证粒子发生器对激光片光没有影响。粒子发生器也可以通过配套 的管路、风机或水泵等附件设置在测试段外部，示踪粒子通过管路、风机 或水泵散布到测试段内。测试段根据被测物体、被测流体、实际需要等不 同情况应选用合适的材质、形状，通常测试段均为透明材质，面向图象采 集单元的侧面通常为没有弧度的平直段，也可以根据需要在相应部位开孔 将图象采集单元固定在孔中，这些均可以与现有技术相同。
权利要求1. 一种高速粒子图像测速装置，包括测试段(6)、计算机(4)、 激光发射单元(1)、片光调制单元(2)、图象采集单元(3)、粒子发 生器(5)，其特征在于所说的激光发射单元为一台用于产生连续的 或准连续的可见光波段激光输出的气体或固体或半导体制式连续激 光器，所说的片光调制单元为一套用于将激光发射单元射出的单束激 光调制成片状光源的包括一个圆凸透镜、 一个凹透柱镜的柱透镜组 合，所说的图象采集单元为一台自带高速图像缓存的高速相机，连续 激光器和柱透镜组合设置于测试段一端，连续激光器射出的激光通过 柱透镜组合调制成激光片光后照射测试段，粒子发生器置于测试段另 一端，高速相机设置于测试段侧面，高速相机的拍摄方向垂直于激光 片光的照射面，计算机通过通用接口连接高速相机获取图象。
2. 如权利要求1所述的高速粒子图像测速装置，其特征在于所 说的粒子发生器为用于液体测量的空心玻璃微珠式粒子发生器或用 于气体测量的烟雾式粒子发生器。
专利摘要一种高速粒子图像测速装置，涉及流体力学速度场测量装置。包括测试段、计算机、激光发射单元、片光调制单元、图象采集单元、粒子发生器，其特征在于所说的激光发射单元为一台连续激光器，所说的片光调制单元为包括圆凸透镜、凹透柱镜的柱透镜组合，所说的图象采集单元为自带高速图像缓存的高速相机，连续激光器射出的激光通过柱透镜组合调制成激光片光后照射测试段，高速相机的拍摄方向垂直于激光片光的照射面，计算机通过通用接口连接高速相机获取图象。本实用新型结构简单，制作成本低，操作使用方便，易于维护。可以连续测量高速连续流场中的各个点的速度和加速度的大小及方向、涡量、剪应力、流线等流体力学参数。
文档编号G01T5/00GK201037868SQ20072014044
公开日2008年3月19日 申请日期2007年3月13日 优先权日2007年3月13日
发明者魏润杰 申请人:魏润杰