一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置的制作方法

本实用新型涉及仿生鱼压力场测量技术领域，特别是一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置。

背景技术：

如何获取鱼类游泳行为所产生的流场一直是鱼类保护研究者们所关注的问题。但是活鱼在自由游泳时，位置往往不易捕捉，而仿鱼机器人是参照鱼类的游动推进机理，利用机械和电子手段以及功能材料来模拟鱼游动作，因而国内外研究者们往往通过模拟仿生鱼所产生的流场来代替。粒子图像测速技术（PIV）能在同一瞬态下记录大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构及流动特性，由于其非侵入、瞬时、全场的测量方式，弥补了超声多普勒流速仪（ADV）、激光多普勒测速仪(LDV)等这些单点、接触测量仪器的缺点，能够获取精度更高的流场，故而备受青睐。用PIV技术研究鱼仿生鱼的流场也成为研究热点。

压强作为重要的水力因子，是分析流体内部受力的主要因素，而鱼类运动时，在水中产生的力是不可直接测量的。传统的压力测量装置，例如压力传感器、测压管等压强测量技术，都或多或少的存在接触式、非瞬时、有限点这三个方面的缺陷。由于PIV弥补上述的不足，因此如何从PIV所测的速度场数据中获取流体内的压力场成为最近国内外学者的关注点。目前从PIV获取流体的速度场主要依据的是N-S（Navier-Stokes）方程，通过N-S方程不同的变形形式，可以得到不同的压力场重构方法，例如泊松方程法、直接积分法、控制容积法等。

目前国内外研究的主要是仿生鱼的速度场，对其压力场的研究相对较少，本实用新型所提出的一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，能高效、简易的获取鱼体摆尾所产生的压力场，克服了目前研究机制的不足。

技术实现要素：

针对目前鱼体压力研究机制不足，本实用新型提供一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置。本实用新型装置由透明玻璃钢水槽、CCD高速相机、PIV示踪粒子、实验仿生鱼、激光发射系统，微型压力传感器，图像处理系统组成，通过CCD高速相机记录鱼尾处示踪粒子的位移，拍摄的视频通过图像处理系统获取速度场，从PIV的速度场数据中获取压力场，通过微型压力传感器实时监测点的瞬时压力，作为对比压力求解时的参考压力点，即可获取准确的鱼体摆尾产生的压力场。

本实用新型采取的技术方案为：

一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，包括透明玻璃钢水槽，高能激光器、D型柱透镜。所述透明玻璃钢水槽内部均匀布撒PIV示踪粒子，机械仿生鱼的尾部摆动时带动水槽内的PIV示踪粒子运动，产生位移。操作架固定在透明玻璃钢水槽，操作架通过可伸缩式机械臂连接机械仿生鱼的背鳍，操作架设有微型压力传感器，其压力感应元件伸入水体中，用于监测压力值。

操作架一侧设有CCD摄像机，CCD摄像机连接后处理系统。

透明玻璃钢水槽外部设有高能激光器。高能激光器产生的点光源穿过D型柱透镜的平面一侧，经过曲面一侧的折射，产生面光源，面光源穿透透明玻璃钢水槽照射在机械仿生鱼的中线所在平面，该平面的PIV示踪粒子被照亮，从而被CCD摄像机所捕捉到。

所述机械仿生鱼包括：鱼体轮廓a、鱼尾b、电池c、微型处理器程控芯片d、上部线圈e、下部线圈f、条形磁铁g。在鱼体轮廓a内设有上部线圈e、下部线圈f，其对称分布于鱼体后部的两侧，鱼体的下方设有电池仓，其中装有电池c，电池c的正、负极由导线与微型处理器程控芯片d连接，微型处理器程控芯片d输出端分别连接上部线圈e、下部线圈f，两个线圈的中间设有一个可以摆动的条形磁铁g，条形磁铁g与伸出鱼体轮廓a的鱼尾b相连。

所述透明玻璃钢水槽为四周透明的矩形玻璃钢水槽。

所述PIV示踪粒子为粒径为10μm、密度1.02g/cm-3的空心玻璃粒子。

所述CCD摄像机采用Mikrotron公司的MC1311型高速摄影机，在1024× 512的分辨率下以1000Hz的频率，进行自上而下垂直拍摄水槽内PIV示踪粒子的运动。

所述高能激光器连接激光供电器，高能激光器在激光供电器的持续供电下产生的点光源。

本实用新型一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，技术效果如下：

（1）、能高效、简易的获取鱼体摆尾所产生的压力场。

（2）、本实用新型不受鱼种限制，只要设定鱼体内微型处理器程控芯片不同的波动方程，用来控制鱼体摆尾，就可获取不同频率、不同振幅下的摆动产生的压力场，真实反映活鱼运动时周边的压力数据。

（3）、本实用新型客服了活鱼在自由游泳时压力场不易测量的缺点，客服了目前压力测量装置如测压管，压力传感器有限点测量的不足，实现了机械仿生鱼尾部周围无限个点的压力场的测量。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图。

图2为本实用新型的机械仿生鱼结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种仿生鱼摆尾的压力场测量装置，包括透明玻璃钢水槽1，高能激光器8、D型柱透镜9。

所述透明玻璃钢水槽1内部均匀布撒PIV示踪粒子2，机械仿生鱼6的尾部摆动时带动水槽内的PIV示踪粒子2运动，产生位移；

操作架3固定在透明玻璃钢水槽1的正上方，操作架3的中心通过可伸缩式机械臂连接机械仿生鱼6的背鳍，由于机械臂可以伸缩，故可以调整机械仿生鱼6在水体中的高度。操作架3的正视图方向设有微型压力传感器4，其压力感应元件伸入水体中，用于监测压力值；

操作架3的右视图方向侧设有CCD摄像机5，CCD摄像机5连接后处理系统7。

后处理系统7采用PC机或者笔记本电脑。包括高速摄像机拍摄的视频格式，经过现有的软件Virtual Dub软件转换为图片格式，然后将连续的两张图片导入MATLAB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。

透明玻璃钢水槽1外部设有高能激光器8。高能激光器8产生的点光源穿过D型柱透镜9的平面一侧，经过曲面一侧的折射，产生面光源，面光源穿透透明玻璃钢水槽1照射在机械仿生鱼6的中线所在平面，该平面的PIV示踪粒子2被照亮，从而被CCD摄像机5所捕捉到。

D型柱透镜9宽：6cm长：15cm，材料:H-K9L 9，用来产生厚度为2mm的面光源， 设计波长:587.6nm ，焦距公差:±1% ，外型公差:+0.0/-0.1mm 厚度公差:±0.2mm面型:λ/2@632.8nm 光 洁 度:60-40 偏心:<3' 有效孔径:>90% 倒边:<0.2×45°镀膜:多层增透膜。其摆放位置位于激光发射器8的正前方，使激光能穿过D型柱的平面一侧，从曲面散出，从而产生面光源。

如图2所示，所述机械仿生鱼6包括：鱼体轮廓a、鱼尾b、电池c、微型处理器程控芯片d、上部线圈e、下部线圈f、条形磁铁g。在鱼体轮廓a内设有上部线圈e、下部线圈f，其对称分布于鱼体后部的两侧，鱼体的下方设有电池仓，其中装有电池c，电池c的正、负极由导线与微型处理器程控芯片d连接，微型处理器程控芯片d输出端分别连接上部线圈e、下部线圈f，两个线圈的中间设有一个可以摆动的条形磁铁g，条形磁铁g与伸出鱼体轮廓a的鱼尾b相连。当微型处理器程控芯片d的输出端输出不同频率电流时，线圈的磁性将使条形磁铁g产生吸引与排斥反应，从而带动鱼尾b产生简谐运动，这种运动类似活鱼鱼尾的摆动。微型处理器程控芯片d基于 ICL8038 程控芯片，通过给出了电路元件参数，调节输出信号的频率和电压幅度调节的范围，使鱼尾的摆动产生不同的波动方程，从而获取更多的摆动姿势。

所述透明玻璃钢水槽1为四周透明的矩形玻璃钢水槽，其规格为长×宽×高=1m×0.5m×0.5m。

所述PIV示踪粒子2为粒径为10μm、密度1.02g/cm-3的空心玻璃粒子。其密度与水体接近，能较好的悬浮于水体中而不产生沉降，因此具有良好的跟随性。

所述CCD摄像机5采用Mikrotron公司的MC1311型高速摄影机，在1024× 512的分辨率下以1000Hz的频率，进行自上而下垂直拍摄水槽内PIV示踪粒子2的运动。

所述高能激光器8连接激光供电器10，高能激光器7在激光供电器10的持续供电下产生的点光源。

本实用新型从速度数据中重构压力场，通过比较重构压力场在参考点的压力值与微型压力传感器实测值进行比较，即可获取检验重构压力场的精度，从而保证获取准确的压力场。