一种具有自动校准装置的PIV实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种piv实验装置，尤其是一种具有自动校准装置的piv实验装置。

背景技术：

在流体或者多相流的检测，piv实验装置的使用是常见的。它的原理是利用光学摄像机拍下示踪粒子或者其他颗粒相，再用计算机后处理得出此实验中目标(如固液两相中的颗粒相)的矢量场和速度场。通常在使用piv装置时，需要调节高速相机与观察域之间的距离和高速相机的焦距，使得观察域的图像能在电脑上显示更清楚。

但是，现有高速相机的放置装置，只有承重和手动平移的作用，每次试验的校正需要花费试验时间的大部分，这样造成人力的浪费和资源的浪费。在流程工业中,多相流混合输送的应用相当广泛，其中流体(主要包括多相流)在运输中对输送装置的影响，现在还存在很多问题，特别是在要求科研工作者以及工业方面针对现状进行多相流在输送装置中的运动机理，试验装置的选择决定试验的精确性和时间方面的高效性。智能化、高效和精确的实验，一直是工程和科研人员理想的方向。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种能更加合理、快速、有效地建立piv实验的具有自动校准装置的piv实验装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有自动校准装置的piv实验装置，包括观察平板和所述自动校准装置，该观察平板上设有观察域，该观察平板上设有观察域，该观察域内划分有若干圆形凸台结构的测量域，所述自动校准装置正对观察域设置；

该自动校准装置包括有支撑座、高速相机、用于固定高速相机的机械手、及用于控制机械手动作的控制单元，机械手安装于支撑座上，机械手包括竖直升降机构、水平伸缩机构、及用于连接竖直升降机构和水平伸缩机构的旋转机构；

所述控制单元用于控制竖直升降机构、水平伸缩机构和旋转机构的工作。

本实用新型的有益效果是：机械手至少具有三个自由度，能在水平方向上伸缩、竖直方向上升降、及通过旋转机构实现摆动，而高速相机通过机械手、且在控制单元的控制下，实现有机地动作组合。本实验装置在不使用时，机械手利用旋转机构顺时针90度旋转至垂直位置，以处于放下状态；使用时，机械手前端逆时针旋转90度。通过控制单元计算出相应的焦距和物距时，根据焦距的数值和利用焦距调节装置，调整相机的焦距(即利用焦距调节装置转动相机的镜头，使得相机的焦距数值跟电脑计算的一样)，同时启动机械手前臂的气缸移动到的位置和计算出来物距一样。工作时，对于经过观察域内的粒子，测量域可以增加对光的反射能力，若某一组测量域靠近流体，所以通常附着有异物，造成高速相机拍摄的图片中，测量域往往不是完整的圆，所以通过对前期拍摄观察域上的测量域进行筛检，选择最合适的测量域，再根据测量域的清晰度，利用机械手和控制单元来调节高速相机的位置和焦距。采用本piv实验装置后，使得实验更加高效，并且可以适用不同的相机拍摄，普适性和智能型较高。

进一步设置为：所述竖直升降机构为竖直设置的竖直气缸；所述水平伸缩机构为竖直设置的水平气缸；所述旋转机构包括与竖直气缸固定的竖直连接座、与水平气缸固定的水平连接座，该水平连接座通过铰接轴转动设置于竖直连接座上，且水平连接座的表面固定有从动齿轮，竖直连接座上转动设置有与从动齿轮相啮合的主动齿轮，竖直连接座上还安装有伺服电机，该伺服电机输出轴与主动齿轮同轴连接；所述竖直气缸、水平气缸和伺服电机均受控于控制单元。竖直气缸、水平气缸和伺服电机在控制上更加简单、方便，而且伺服电机的控制精度高，提高实验准确性。

进一步设置为：所述水平气缸的上部和下部分别安装有障碍传感器，该障碍传感器用于感应来自周围的障碍信号并传递给控制单元、以控制竖直气缸、水平气缸和伺服电机的工作。障碍传感器的设置，有助于提高自动校准装置的安全性，避免实验设备的损坏。

再进一步设置为：所述测量域为凸球面结构。凸球面结构可以更加准确地反应出所附着的异物，从而排除不适合观察的测量域。

附图说明

图1为本实用新型实施例测量域的结构示意图。

图2为本实用新型实施例自动校准装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：

如图1、2所示，本实施例包括观察平板1和自动校准装置2，该观察平板1上设有观察域11，该观察域11内划分有若干圆形球面结构的测量域12。自动校准装置2正对观察域11设置，该自动校准装置2包括有支撑座21、高速相机22、用于固定高速相机的机械手23、及用于控制机械手23动作的控制单元(未画出)，机械手安装于支撑座21上，机械手包括竖直升降机构、水平伸缩机构、及用于连接竖直升降机构和水平伸缩机构的旋转机构233。其中，控制单元通过线路来控制竖直升降机构、水平伸缩机构和旋转机构的工作，此处线路控制属于常规的连接来实现控制信号的数据传输。

竖直升降机构为竖直设置的竖直气缸231；水平伸缩机构为竖直设置的水平气缸232；旋转机构233包括与竖直气缸231固定的竖直连接座2331、与水平气缸232固定的水平连接座2332，该水平连接座2332通过铰接轴转动设置于竖直连接座2331上，且水平连接座2332的表面固定有从动齿轮2334，竖直连接座2331上转动设置有与从动齿轮2334相啮合的主动齿轮2333，竖直连接座2331上还安装有伺服电机2335，该伺服电机2334输出轴与主动齿轮2333同轴连接；竖直气缸231、水平气缸232和伺服电机2335均受控于控制单元。此外，水平气缸232的上部和下部分别安装有障碍传感器3，该障碍传感器3用于感应来自周围的障碍信号并传递给控制单元、以控制竖直气缸231、水平气缸232和伺服电机2335的工作，有助于提高自动校准装置2的安全性，避免实验设备的损坏。控制单元选用西门子的s7-300plc，这也是业内控制机械手之类装置最常用的plc，而该plc本身就是一整套控制系统，包括软件控制和执行元件(控制芯片)。

本实施例中包括如下步骤：

步骤1、通过图像处理系统筛选出观察域11中面积最大的两个测量域12，分别定义为测量域a和测量域b；

步骤2、将观察域11中的图像导入控制单元内的图像处理系统中，以进行灰度处理，并获得测量域a(b)的灰度值为ht，预设测量域的标准灰度值为h＝ht(a)；

步骤3、建立测量域a(b)的灰度值ht与相机的焦距f和物距u之间的函数关系为拟合(β0、β1、β2、β3、β4、β5为常数)；

步骤4、运用多元线性回归中参数估计的算法，取多组焦距f和物距u以及相应的灰度ht，估算出相应的参数(i＝0，1，2，3，4，5)，即相应的为常数，相应的函数为(b)；

步骤5、以高速相机22镜头其中一凸透镜的物距u、像距v和焦距f为基础，获得物距u、像距v和焦距f之间的关系式为：并得到

步骤6、以高速相机22的镜组中心到高速相机底片的距离为片距d，根据相机成像的原理，当物体成的像落在高速相机22底片上，则v＝d(d)；联立函数(a)、(b)、(c)和(d)，得到：

计算得f＝ψ(d，h)和u＝φ(d，h)；

步骤7、根据步骤6中获得的焦距f和物距u，通过自动校准装置控制高速相机距测量域的物距和焦距。

其中，步骤2中测量域a(b)的灰度值ht采用加权平均法获得，ht＝0.3r+0.6g+0.1b。

步骤4中的多元线性回归中参数估计的使用，为现有的理论，可参照《数理统计》汪荣鑫版p198(第五章回归分析4多元线性回归的参数估计)。

步骤6中f＝ψ(d，h)和u＝φ(d，h)通过matlab软件求解，

f＝solve(‘

根据已有的高速相机22特性，获知该高速相机22最清楚的像距d＝30mm，图像处理的标准灰度值为h＝0.85。根据实验数据拟合出灰度值在0.85～1和焦距值在0～30mm的多元线性回归方程为：

其中β0＝8.14，β1＝9.06，β2＝1.27，β3＝-9.13，β4＝-6.32，β5＝0.98；

将和d＝v，可以得到如下式子：

0.85＝8.14+9.06f+1.27f²-9.13u-6.32u²+0.98fu；

根据上述公式解得，

当h＝0.85，d＝30mm时：f＝1.2138(f＝-29.1927，f＝-1.2138，f＝105.3781舍去)mm，u＝1.2645m。也即，此时，高速相机22在自动校准装置2的控制下，使其焦距f为1.2138mm，物距u为1.2645m时，能获得最清晰的piv实验图像信息。

具体使用方法如上，而对于焦距f和物距u的调节参数，是根据高速相机22的参数、实验环境中观察域条件等因素进行相应的调整，但是无论如何调整，其实际计算的方案都是按照以上的步骤依次计算获得。

譬如，根据实验环境的不同，特别是当在不同的像距要求下，当h＝0.85，d＝25mm时：f＝1.1941(f＝-24.7895，f＝-1.3908，f＝87.1438舍去)mm，u＝1.2540m；

当h＝0.85，d＝20mm时：f＝1.1661(f＝-20.3819，f＝-1.4018，f＝68.9167舍去)mm，u＝1.2383m；

当h＝0.90，d＝30mm时：f＝1.2099(f＝-29.1939，f＝-1.3785，f＝105.3782舍去)mm，u＝1.2607m；

当h＝0.90，d＝25mm时：f＝1.1902(f＝-24.7910，f＝-1.3857，f＝87.1439舍去)mm，u＝1.2497m；

当h＝0.90，d＝20mm时：f＝1.1624(f＝-20.3836，f＝-1.3965，f＝68.9170舍去)mm，u＝1.2341m。

然后通过控制单元来控制焦距f和物距u的改变，从而实现最优化的拍摄状态。其中焦距f可通过手动调节高速相机22的焦距，也可以通过现有的通信协议，实现控制单元对高速相机22的焦距f控制，从而实现自动化控制。

另外，由于高速相机22内有时候是多组凸透镜，针对多组凸透镜也可以视作单组凸透镜的模型进行计算。单纯从数学的角度考虑模型，将经过透镜成像这一过程看做函数映射的关系，每一组凸透镜都对应一个射影变换，即多组镜头的可以直接写成函数关系，利用所选择的高速相机22特点(即其多组镜头不同，而形成的的特定的函数关系)，替换成单组凸透镜的模型计算中用到焦距、像距和物距之间的函数关系，解出选用高速相机22的焦距和物距，完成实验装置调整的计算。因此，无论实际中使用的高速相机22是多组凸透镜还是单组凸透镜，都可以通过上述的各步骤实现最终的计算结果。