CN114371309B - 一种低成本高精度的piv测量装置及其使用测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本高精度的PIV测量装置及其使用测量方法。装置包括USB3.0工业相机与镭射激光雕刻器，所述镭射激光雕刻器前端配置有实现激光由点光源向片光源转换的光路变形透镜组，所述光路变形透镜组包括位于镭射激光雕刻器光源入射侧的准直透镜和使光源形成扇形出射的鲍威尔棱镜，所述镭射激光雕刻器光源穿过准直透镜圆心与焦点。其使用测量方法上使用上述装置完成流场的测量。本发明的装置，通过准直透镜和鲍威尔棱镜的组合可以调节片光源厚度与发散角，实现光路与示踪粒子及拍摄范围的最佳匹配，在一定程度上提高了测量精度，实现节省科研经费、精简设备，提高性价比的效果。

Description

一种低成本高精度的PIV测量装置及其使用测量方法

技术领域

本发明涉及水流二维流场测量领域，具体的涉及一种低成本高精度的PIV测量装置及其使用测量方法，可实现0.5m/s以下流场流速信息的精确采集，从而以较低的成本，实现价格数十数万元的商业PIV装置的测量效果。

背景技术

在流场的试验研究中，对于流速的测量一直是重中之重，目前常用的测量手段分接触测量和非接触测量。其中接触测量有转子式流速仪、毕托管流速仪和热膜(线)流速仪。非接触测量主要有声学多普勒测速仪(ADV)、激光多普勒测速仪(LDV)、粒子图像测速仪(PIV)等，可分别实现单点、一维、二维、三维流速的测量。但上述两种方法均存在着各种不足之处。非接触测量方式对流场的干扰难以避免。声学多普勒测速仪因测速点在探头前部一定位置，也可当做非接触式，但对水环境要求较高，靠近距离壁面和水面时，其对声波反射将影响测量结果。激光多普勒测速仪通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度，根据设备的不同，可实现一维、二维、三维流速的测量。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。粒子图像测速仪是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术的局限性，能在同一瞬态记录下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以及流动特性。根据设备的不同可实现二维及三维流场的测量。但是激光多普勒测速仪及粒子图像测速仪价格较为昂贵，多达几十上百万元，这是经费紧张的科研人员难以负担的。因此，有必要设计一种低成本高精度的PIV测量装置，在保证测量精度的情况下，实现节省科研经费、精简设备，提高性价比的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本高精度的PIV测量装置及其使用测量方法，片光源厚度与发散角可调，实现光路与示踪粒子及拍摄范围的最佳匹配，在一定程度上提高了测量精度。解决低速流场研究中，接触式测速设备精度差且干扰流场，非接触测速设备价格昂贵的问题。通过合理的精简及巧妙的组合，建造出低成本高精度的粒子图像测速***。在保证测量精度的情况下，实现节省科研经费、精简设备，提高性价比的效果。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种低成本高精度的PIV测量装置，包括USB3.0工业相机与镭射激光雕刻器，所述镭射激光雕刻器前端配置有实现激光由点光源向片光源的转换的光路变形透镜组，所述光路变形透镜组包括位于镭射激光雕刻器光源入射侧的准直透镜和使光源形成扇形出射的鲍威尔棱镜，所述镭射激光雕刻器光源穿过准直透镜圆心与焦点。

作为对上述技术方案的改进，所述准直透镜、鲍威尔棱镜安装在光路变形透镜组外壳内，所述镭射激光雕刻器在入射侧开设有螺纹孔，所述光路变形透镜组外壳设置外螺纹使光路变形透镜组通过螺纹连接在镭射激光雕刻器上。

作为对上述技术方案的改进，所述光路变形透镜组最少为三个，择一的安装在所述镭射激光雕刻器前端；三个所述光路变形透镜组的所述鲍威尔棱镜分别具有不同的发散角。

作为对上述技术方案的改进，在水槽的另一侧，所述低成本高精度的PIV测量装置还包括USB3.0工业相机和设置于USB3.0工业相机上的镜头，所述镜头朝向光路变形透镜组出射的片光源处。

作为对上述技术方案的改进，所述镭射激光雕刻器、USB3.0工业相机通过转接头安装在三脚架上。

作为对上述技术方案的改进，本发明并提供了一种低成本高精度的PIV测量装置的使用测量方法，该使用测量方法包括：

S1、制备光路变形透镜组，将准直透镜、鲍威尔棱镜安装在光路变形透镜组外壳内，并在光路变形透镜组外壳开设外螺纹；在镭射激光雕刻器的光线出射端开设内螺纹孔，选取合适的光路变形透镜组，将光路变形透镜组螺纹连接在镭射激光雕刻器上，形成连续式激光器，使连续式激光器的出射光源形成片光源；

S2、设置相机及激光器，将USB3.0工业相机、连续式激光器通过转接头安装在三脚架上并分别放置在水槽的两侧相对应的测量位置上，打开连续式激光器，调整连续式激光器功率，旋转光路变形透镜组调整片光源厚度，将相机连接电脑，打开相机配套采集软件；遮挡测量位置的外部光源形成暗室，以避免环境光对测量造成干扰；调整水槽水位、流速，调整拍摄范围，对焦，并拍摄标尺以便后处理；

S3、根据事先通过接触式流速仪测量的流场最大流速，在相机配套采集软件中设置采集帧率，曝光时间，图像分辨率；将示踪粒子混入瓶中并搅拌均匀，向流场中抛洒示踪粒子；

S4、通过相机配套采集软件采集图像，根据成像结果调整激光器功率、帧率、曝光时间、分辨率；

S5、重复S2-4直至测得合适流场图像，将流场图像导入开源PIV计算软件进行后处理。

与现有技术相比，本发明所取得的有益效果是：

在PIV测量中，相机性能一定时，光源质量决定着流场测量的精度，光源亮度是影响相机的曝光效果的关键因素。本发明的装置配置配套了可更换式光路变形透镜组，实现了片光源扩散角与厚度的可调节性，使得片光源与流速测量范围及示踪粒子尺寸进行最佳匹配，进而提高流速测量精度减小测量误差；可更换式光路变形透镜组，使得片光源具有不同的扩散角，根据不同的测量范围选择不同的透镜组，以达到最佳的光路。进而使得相同激光功率条件下，测量范围内具有更高的单位亮度。光路变形透镜组可对片光源厚度进行调节，与示踪粒子直径进行最佳匹配，避免片光源过厚或过薄引起的粒子成像偏差，进而导致流速测量结果出现误差。

本发明的装置片光源厚度与发散角可调，实现光路与示踪粒子及拍摄范围的最佳匹配，在一定程度上提高了测量精度，实现节省科研经费、精简设备，提高性价比角度的效果。

本发明，经济有效的解决了低速流场研究中，流场信息采集成本过高的问题，测量精度高。通讨标准水槽标定可知，0.5m/s流速下，对20cm*20cm范围的流场进行测量时，精度口达万分之一m/s，误差在2％以内。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明使用布置图；

图2为光路变形透镜组内部结构图；

图3为光源厚度较小状态下的光路图；

图4为光源厚度达到最大状态下的光路图。

附图标记：1、水槽；2、片光源；3、光路变形透镜组；4、镭射激光雕刻器；5、三脚架；6、USB3.0工业相机；7、镜头；8、准直透镜；9、鲍威尔棱镜；10、光路变形透镜组外壳。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至2所示，本发明的低成本高精度的PIV测量装置，包括形成流场的水槽1、安装在水槽1外侧且与流场方向相垂直以形成光源的镭射激光雕刻器4，所述镭射激光雕刻器4前端配置有实现激光由点光源向片光源2的转换的光路变形透镜组3，所述光路变形透镜组3包括位于镭射激光雕刻器4光源入射侧的准直透镜8和使光源形成扇形出射的鲍威尔棱镜9，所述镭射激光雕刻器光源穿过准直透镜圆心与焦点。

所述准直透镜8、鲍威尔棱镜9安装在光路变形透镜组外壳10上，所述镭射激光雕刻器4在入射侧开设有螺纹孔，所述光路变形透镜组外壳10设置外螺纹使光路变形透镜组通过螺纹连接在镭射激光雕刻器4上。所述光路变形透镜组为三个，择一的安装在所述镭射激光雕刻器4前端；三个所述光路变形透镜组3的所述鲍威尔棱镜9分别具有不同的发散角。

在水槽1的另一侧，所述低成本高精度的PIV测量装置还包括USB3.0工业相机6和设置于USB3.0工业相机6上的镜头7，所述镜头7朝向光路变形透镜组出射的片光源处；所述镭射激光雕刻器4、USB3.0工业相机6通过转接头安装在三脚架5上。

本发明从节省科研经费角度考虑，从精简设备，提高性价比角度出发，构建了一类由USB3.0工业相机、镭射激光雕刻头、光路变形透镜组为主体构成的低成本粒子图像测速仪，实现了0.5m/s以下二维流场的测量。且经过与ADV测量结果比对，结果误差在2％以内，精度高。曝光时间、帧率和图像分辨率可调节以满足不同流场的流速测量。无需购买高速图像采集卡，具备USB3.0的普通台式机或笔记本电脑即可采集图像。

其最大分辨率由相机决定，但可通过裁切降低分辨率。三者相互影响，最小曝光时间由相机决定，本发明所选USB3.0工业相机一般可达百分之一毫秒。最大帧率由曝光时间和图像分辨率、USB3.0传输速度限制综合决定。曝光时间影响图像亮度，过大的曝光时间将使粒子成像模糊。图像分辨率影响测量结果空间被变绿。曝光时间小于帧率倒数时，分辨率越低，帧率越高。如图像分辨率为1920*1200时，帧率为165。图像分辨率为640*480时，帧率为328。通讨标准水槽标定可知，0.5m/s流速下，对20cm*20cm范围的流场进行测量时，精度口达万分之一m/s，误差在2％以内。

具体的，低成本高精度的PIV测量装置是这样布置的：

1、根据测量范围(拍摄范围)选择合适的USB3.0工业相机6(USB3.0)及镜头7，USB3.0工业相机6及镜头7的价格不等。

2、选择合适功率的镭射激光雕刻器4，可搭配功率调节模组(需与镭射激光雕刻器4配套)实现激光强度的调整。

3、将镭射激光雕刻器4参数(功率、发散角、激光波长、激光头距外壳距离)输入Zemax光学模拟软件中，设计准直透镜8的曲率、厚度、直径，将发散的点光源转换成为平行的点光源；根据测量断面距激光器距离、测量范围设计鲍威尔棱镜9扇形角及距离准直透镜8的距离，将平行点光源转换为片光源，实现激光由点光源向片光源的转换。

4、根据测量范围及相机像素尺寸选择相应尺寸的示踪粒子。

5、将准直透镜8与鲍威尔棱镜9通过光路变形透镜组外壳10组合成光路变形透镜组3，将光路变形透镜组3与镭射激光雕刻器4进行组装，需将镭射激光雕刻器4前段开螺纹孔，螺孔需与光路变形透镜组外壳10匹配，构成连续式激光器。

应注意，激光束发射方向需与光路变形透镜组3平行，且穿过准直透镜8圆心与焦点。根据测量断面的不同，架设在不同位置，投射片光源。可选的，通过旋转光路变形透镜组3，可改变片光源厚度。可选的，光路变形透镜组3可配置多个，分别具有不同扇形角的鲍威尔棱镜9。测量水平断面则架设在水槽侧面，向水平面投射激光；测量顺流向断面则架设在水槽底部或上空，沿顺河向投射激光。激光架设在水槽侧面及底面时，需无障碍物阻挡。需三脚架5。光路变形透镜组3与镭射激光雕刻器4，镭射激光雕刻器4与三脚架5的连接均需要定制转接头。

6、根据测量断面的不同，将USB3.0工业相机架设在不同位置，镜头正对片光源。测量水平断面则架设在水槽底部或者上空；测量顺水流断面则架设在水槽侧面。相机设在水槽侧面及底面时，需无障碍物阻挡。需三脚架。

方案实施：

1、遮挡测量位置的外部光源形成暗室，以避免环境光对测量造成干扰。

2、将示踪粒子混入瓶中并搅拌均匀。

3、选取合适的光路变形透镜组3并连接镭射激光雕刻器4，打开激光器，调整激光器功率，旋转光路变形透镜组3调整片光源厚度。将相机连接电脑(需具备USB3.0接口)，打开相机配套采集软件。

4、调整拍摄范围，对焦，并拍摄标尺以便后处理。

5、调整水槽水位、流速。

6、根据流场最大流速(可事先通过接触式流速仪测量)在相机配套采集软件中设置采集帧率，曝光时间，图像分辨率(最大分辨率由相机决定，但可通过裁切降低分辨率)。三者相互影响，最小曝光时间由相机决定，本发明所选USB3.0工业相机一般可达百分之一毫秒。最大帧率由曝光时间和图像分辨率、USB3.0传输速度限制综合决定。曝光时间影响图像亮度，过大的曝光时间将使粒子成像模糊。图像分辨率影响测量结果空间被变绿。曝光时间小于帧率倒数时，分辨率越低，帧率越高。如图像分辨率为1920*1200时，帧率为165。图像分辨率为640*480时，帧率为328。

7、向流场中抛洒示踪粒子。

8、通过相机配套采集软件采集图像。

9、根据成像结果调整激光器功率、帧率、曝光时间、分辨率。

10、重复6-9直至测得合适图像。

11、将流场图像导入开源PIV计算软件进行后处理。

本发明的原理是：

1、片光源发散角调整原理：

扩散角取决于鲍威尔棱镜顶端角和透镜折射率决定，因此如需要不同的扩散角，需要配备不同参数的鲍威尔棱镜，本申请通过多个光路变形透镜组或通过更换鲍威尔棱镜，使不同的光路变形透镜组分别具有不同的发散角，从而获取不同扩散角的光路变形透镜组，来满足测量的需要。

2、片光源厚度调整原理：

镭射激光器射出的矩形点光源(光源会向水平、垂直方向扩散，随射出方向矩形的长宽均增大)经准直透镜后，将转换矩形平行光源(矩形长宽不变)。该矩形平行光源穿过鲍威尔棱镜后，将形成仅在单一方向扩散的片光源。厚度取决于矩形平行光源与鲍威尔棱镜顶端棱的角度。如图3、4所示，当该矩形平行光源与棱垂直时(即光源长边与棱垂直)，光源厚度达到最小。反之，当该矩形平行光源与棱平行时(即光源长边与棱平行)，光源厚度达到最大。因此可以通过旋转光路变形透镜组3，改变矩形平行光源与鲍威尔棱镜顶端棱的夹角，实现片光源厚度的变化。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施方式和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种低成本高精度的 PIV 测量装置的使用测量方法，该使用测量方法包 括：

S1 、制备光路变形透镜组，将准直透镜、鲍威尔棱镜安装在光路变形透镜 组外壳内，并在光路变形透镜组外壳开设外螺纹；在镭射激光雕刻器的光线出射端开设内螺纹孔，选取光路变形透镜组，将光路变形透镜组螺纹连接在镭射激光雕刻器上，形成连续式激光器，使连续式激光器的出射光源形成矩形点光源；

S2、设置相机及激光器，将 USB3.0 工业相机、连续式激光器通过转接头安装在三脚架上并分别放置在水槽的两侧相对应的测量位置上，打开连续式激光器，射出矩形点光源，调整连续式激光器功率，旋转光路变形透镜组，改变矩形平行光源与鲍威尔棱镜顶端棱的夹角，实现片光源厚度的变化，将相机连接 电脑，打开相机配套采集软件；遮挡测量位置的外部光源形成暗室，以避免环境光对测量造成干扰；调整水槽水位、流速，调整拍摄范围，对焦，并拍摄标尺以便后处理；

S3 、根据事先通过接触式流速仪测量的流场最大流速，在相机配套采集软件中设置采集帧率，曝光时间，图像分辨率；将示踪粒子混入瓶中并搅拌均匀，向流场中抛洒示踪粒子；

S4 、通过相机配套采集软件采集图像，根据成像结果调整激光器功率、帧率、曝光时间、分辨率；

S5 、重复 S2-4 直至测得流场图像，将流场图像导入开源PIV计算软件进行后处理。

2.一种如权利要求1所述使用测量方法中使用的低成本高精度的PIV测量装置，至少包括安装在水槽外侧且与流场方向相垂直以形成光源的镭射激光雕刻器，其特征在于：所述镭射激光雕刻器前端配置有实现激光由点光源向片光源转换的光路变形透镜组，所述光路变形透镜组包括位于镭射激光雕刻器光源入射侧的准直透镜和使光源形成扇形出射的鲍威尔棱镜，所述镭射激光雕刻器光源穿过准直透镜圆心与焦点。

3.根据权利要求2所述的低成本高精度的 PIV 测量装置，其特征在于：所述准直透镜、鲍威尔棱镜安装在光路变形透镜组外壳内，所述镭射激光雕刻器在入射侧开设有螺纹孔，所述光路变形透镜组外壳设置外螺纹使光路变形透镜组 通过螺纹连接在镭射激光雕刻器上。

4.根据权利要求3所述的低成本高精度的PIV测量装置，其特征在于：所述光路变形透镜组最少为三个，择一的安装在所述镭射激光雕刻器前端；三个所述光路变形透镜组的所述鲍威尔棱镜分别具有不同的顶端角。

5.根据权利要求 3 所述的低成本高精度的 PIV 测量装置，其特征在于：在水槽的另一侧，所述低成本高精度的PIV测量装置还包括 USB3.0 工业相机和设置于USB3.0 工业相机上的镜头，所述镜头朝向光路变形透镜组出射的片光源处。

6.根据权利要求3所述的低成本高精度的PIV测量装置，其特征在于：所述镭射激光雕刻器、USB3.0 工业相机通过转接头安装在三脚架上。

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