[发明专利]一种单相机三维体视粒子图像测速系统

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种单相机三维体视粒子图像测速系统，属于流动测速技术领域。

(二)背景技术

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，简称PIV)是一种现代激光测速技术，主要运用于流场速度测量。通过追踪示踪粒子在流场中的运动来得到流场速度场。传统的PIV技术使用一个厚度在1毫米以下的激光片光源来照亮流场中的粒子，通过单个相机对粒子在很短时间内的位置进行追踪，来实现二维平面内的二维速度场测量(通常用2D2C来表示)。

最新的三维体视PIV技术，采用厚度为十至几十毫米厚的激光体光源来照亮流场中的粒子，通过多个相机(至少三个)从不同视角对流场内的示踪粒子进行三维定位和追踪，来实现对三维空间内的三维速度场的精确测量(通常用3D3C来表示)。这种新的三维体视PIV技术不仅能测量得到三维空间内的三维速度场，而且能得到三维空间内完整的速度梯度张量。这使得通过实验方法研究三维流场内的涡结构成为了可能，因此三维体视PIV技术在航空航天、能源、化工和医疗等领域具有非常广阔的应用前景。

然而，目前的三维体视PIV技术还处于发展成熟阶段，在应用方面还有很多具体的问题需要去解决。其中最为突出的问题是实验平台相对比较复杂。多个照相机的架设和同步控制使得实验过程变的非常复杂，对实验操控要求也非常高，不利于该技术的推广应用。如果能采用相对简单或者集成性较高的实验设备来实现三维体视PIV技术，那将对该技术的应用起到极大的推动作用。本发明正是基于这种考虑，提出了一种单相机三维体视粒子图像测速系统。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种单相机三维体视粒子图像测速系统，即建立一个单相机实现三维体视PIV技术的实验系统，通过单个相机对三维粒子成像，来进行粒子追踪得到三维空间体内的三维速度场，即测量流场1的速度场。这里测量流场1为流体力学领域内的被研究流动区域；以解决三维体视PIV技术中，多个照相机的架设和同步控制使得实验过程非常复杂，对实验操控要求非常高，不利于该技术的推广应用等问题。

本发明一种单相机三维体视粒子图像测速系统(简称单相机三维体视PIV系统)，它包括光学系统、数据采样系统和数据处理系统三部分。其中光学系统和数据采样系统构成了实验测量平台。

1.光学系统

光学系统包括：体光源调节光学部2、激光发生器3、多棱面特效棱镜5(又称多影镜)和激光体9；

该激光发生器3为本发明PIV系统的光源，通常为连续性激光或者双脉冲激光，本光学系统采用8瓦绿光半导体连续激光，波长532纳米，输出直径为5毫米柱光源，可选用镭智威公司生产的SM-SEMI-8W型号。

该体光源调节光学部2为一组透镜组合，其中包括两块焦距为500毫米的凸透镜、两块焦距分别为-75和-100毫米的凹透镜和两块焦距同为60毫米的平凸柱面镜。体光源调节光学部2放置于激光发生器3的光路上，用以将激光发生器3射出的激光柱光源扩展成有一定厚度的激光体光源9(厚度通常为十至几十毫米)。

该多棱面特效棱镜5是实现单相机立体成像的关键光学部件，放置于数字相机6和测量流场1之间的光路上，可选用日本HOYA公司生产的62毫米Multivision 3F棱镜。

2.数据采样系统

数据采样系统包括：信号同步器4、数字相机6、微型计算机7和平面标靶8；在数据采样系统中，各部件的连接方式为：微型计算机7和信号同步器4采用USB数据线连接；数字相机6和微型计算机7通过图像采集卡连接；信号同步器4和数字相机6采用BNC信号线连接；激光发生器3和型号同步器4采用BNC信号线连接。

数据采样的控制流程为：微型计算机7利用图像采集软件将控制信号通过USB数据线传输到信号同步器4。同步器在接收到控制信号后，同步实现数字相机6的曝光和激光发生器3的激光照射。在数字相机6完成曝光数据采集后，将粒子成像的数据传输到微型计算机7并存储。

该信号同步器4为系统控制器件，可选用8通道MicroPulse 725信号同步器，主要负责控制激光发生器3和数字相机6同步。

该数字相机6为CCD或者CMOS工业相机，可按要求选用；本发明选用BOBCAT系列相机ICL-B0620，分辨率为640x480像素，最高采样频率为260赫兹，并配置尼康45毫米镜头。