[发明专利]基于单幅图像的粒子运动速度测试系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种粒子成像测试系统，特别是一种通过控制相机曝光时间获取的单幅图像得到粒子运动速度的测试系统。

背景技术

粒子成像测速技术(Particle Image Velocimetry，简称PIV)是一种基于光学图像的速度测试技术，它通过散布在流体中示踪粒子对光的散射作用，将粒子在流场中的位置记录在图像媒介上，再利用粒子对流场的跟随性来测量粒子所在流体的运动速度。

目前，在粒子成像测速技术中，通常是采用脉宽为纳秒级、专用的双脉冲激光器对一特定的平面内粒子在一定时间间隔内两次照明，并利用照相技术将这二次照明得到的瞬时粒子图像记录并储存，通过后续的图像处理，获得粒子在两次照亮时间间隔中的位移，进而获得速度分布；或者采用高速摄像机在很短的时间间隔内采集两幅图像，通过图像处理实现粒子速度的测量。上述两种方法的共同点是，通过记录有一定时间间隔的两幅图像，利用其中的差异获取粒子的位移信息，测量中它们要求单幅图像的曝光时间都尽可能的短。但它们存在的缺点在于：由于上述方案中要么采用脉宽为纳秒级的双脉冲激光器，要么采用高速摄像机，这使得PIV测试设备造价昂贵；另外，镜头都是固定设置于测试区域的垂直位置附近，位置不可调节，测试时主要利用粒子垂直方向较弱的散射光，因此激光器输出光强要求很高；另外，这两种方案也无法获得两次曝光之间的粒子速度和运动方向的实时变化情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单幅图像的粒子成像测速系统，它能够通过控制相机的曝光时间获得粒子在微秒量级或者更长时间的运动轨迹的单幅图像，并能实时显示或通过处理得到粒子速度变化和分布，以及粒子的粒径分布等参数，大幅降低测试设备的造价。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，基于单幅图像的粒子运动速度测试系统，它是由激光器、柱透镜、可调狭缝、相机、计算机以及喷头组成，柱透镜、可调狭缝依次设置在激光器的出射光路上，相机用于接收激光经喷雾区域粒子后的散射光，相机的输出连接计算机；其特征是激光器采用连续激光器，相机的镜头采用移轴镜头，移轴镜头在与激光光源垂直方向夹角0°～80°范围内水平位置可调；移轴镜头与相机的光敏面以及激光光源经柱透镜和可调狭缝后的片光源三者所在的平面相交于一条直线。

上述移轴镜头固定于微型二维平移台上，通过二维平移台上平移位置调节机构实现移轴镜头的水平位置移动，通过二维平移台上的旋转角度机构实现移轴镜头与相机光敏面夹角的调节，使得移轴镜头与相机的光敏面以及片光源三者所在的平面相交于一条直线。

本发明工作时，通过相机快门控制采集的粒子散射光图像的曝光时间，并根据测试对象的特点，将相机快门时间设置为合适的曝光时间，可获得包含粒子在相机快门打开时间内粒子连续运动轨迹的单幅图像，该图像反映了粒子在相机快门打开时间范围内的速度和运动方向的实时变化情况，然后，利用图像处理方法对图像中粒子运动轨迹的宽度、长度和方向进行分析，可以获得粒子的速度变化和分布、以及粒子的粒径分布等参数。本发明在系统结构上采用连续激光器作为片光源照射测试区域，虽然它相对于传统的脉冲激光器其输出光密度较低，易导致因片光源照射的粒子在垂直方向产生的散射光较弱，引起粒子图像曝光不足。但根据散射相关理论，粒子前向或者后向散射光较强，本发明在片光源照射的粒子后的散射光路上将相机的镜头选用移轴镜头，通过对移轴镜头的水平位置移动调节，使移轴镜头偏离片光源垂直方向一定角度，就可显著提高粒子图像的曝光强度，满足测试需求；同时，为避免当移轴镜头偏离片光源垂直方向后导致粒子图像的局部模糊，本发明还根据Scheimpflug原理，在使移轴镜头偏离片光源垂直方向一定角度后，再通过调节移轴镜头和相机敏感面的夹角，使移轴镜头、相机的光敏感面与片光源三者所在的平面相交于一条直线上，最终实现镜头偏离垂直位置时的测试区域所有粒子的清晰成像。