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粒子图像测速仪
概述

    粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法,在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。粒子图像测速技术(PIV)是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置,并分析摄得的图像,从而测出流动速度的方法。PIV是流场显示技术的新发展。它是在传统流动显示技术基础上,利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。综合了单点测量技术和显示测量技术的优点,克服了两种测量技术的弱点而成的,既具备了单点测量技术的精度和分辨率,又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。

PIV技术原理

    PIV技术原理简单,就是在流场中撤入示踪粒子,以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度.应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平面,用成像的方法(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置,用图像分析技术得到各点粒子的位移,由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量,并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等)。因采用的记录设备不同,又分别称FPIV(用胶片作记录)和数字式图像测速DPIV(用CCD相机作记录)。

PIV系统组成

    PIV系统通常由三部分组成,每一部分的要求都相当严格。
    (1) 直接反映流场流动的示踪粒子。除要满足一般要求(无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、清洁等)外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。要使粒子的流动跟随性好,就需要粒子的直径较小,但这会使粒子的散光性降低,不易于成像。因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。总之,粒子选取的原则为:粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小,一般为10μm量级,2-3像素,球形。常用的示踪粒子有聚苯乙烯、铝、镁、二氧化钦、玻璃球等。柴油机汽缸内气流运动实验研究中,最常使用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。在实际实验中,它们的光散射性不错,可拍摄到清晰的图像,但由于其直径和密度太大,导致其跟随性很差,不能真实反映缸内气流的实际运动。此外,固体颗粒进入缸内后有时会粘附在石英玻璃窗口上,由于光线无法穿过不透明的固体颗粒,使粒子成像亮度受到影响。并且固体颗粒一般硬度较大,可能会造成气缸内壁和石英玻璃窗口的磨损。因此只能定期的拆除气缸盖,擦拭窗口,这会增加许多工作量。
    在实验研究中,还必须考虑粒子浓度问题。当浓度很大时,粒子像会重叠在一起,由于激光为干涉光,所以在底片上会形成激光散斑而不是独立的粒子像。虽然用激光散斑同样可以测取散斑场的位移,但对于流场而言,由于散斑场的稳定性较差,提取散斑场的位移相对地比较困难。当粒子浓度太低时,粒子对的数目可能太少,结果将得不到足够多点的流速,也就得不到足够准确的流速分布。PIV技术中粒子浓度一般为10左右(在查询区域内),这样使每个查询区中都有足够的粒子对,能够得到有效的速度结果。
    (2) 成像系统。双脉冲激光片光源、透镜和照相机构成PIV的成像系统。用于照射动态微粒场的片光源由脉冲激光通过透镜形成,拍摄粒子场照片的相机垂直于片光。曝光脉冲要尽可能的短,曝光间隔即左能够随流场速度及其分辨率的不同而进行调节(一般为微秒至毫秒量级)。片光要尽可能的薄(lmm以下),片光的厚度控制对于二维的PIV来说非常重要,太厚就把三维的速度压入二维,也就不能如实反应流场的二维分布。曝光时间和曝光能量是一对矛盾。为了把有限的光能量都用于曝光,PIV系统一般采用双脉冲激光器作为光源。一般水中曝光脉冲能量在几十毫焦耳就可以得到理想的曝光图像,在空气中则要求更高。   
    (3) 图像处理系统。图像处理系统用于完成从两次曝光的粒子图像中提取速度场。将粒子图像分成若干查询区(同一小区内的粒子假定有相同的移动速度,并且作直线运动;此外,查询区内的最大粒子位移不能超过查询区的1/4;在片光厚度方向的位移不能超过片光厚度的1/4;平面位移要大于两倍粒子图像直径),在查询光束的作用下,利用杨氏条纹法或自相关法逐个处理查询区,得到粒子的移动速度,进而得到速度场分布。在早期的PW技术中,由于两次曝光图像被记录在同一幅胶片上,所以速度的流向存在180度的方向不确定性(方向二义性),为得到速度方向,需要一套复杂的系统。可使用粒子图像预偏置方法或双色PIV技术来处理方向二义性问题)。由于PIV查询系统及其图像处理系统较为复杂,仪器调节、胶片处理以及数据处理等往往要花费较多的时间,所以随着数字成像系统及其数字图像处理技术的发展,FPIV技术正在被DPIV技术所代替。

PIV分类

    1、按其成像介质分
    PIV可分为基于模拟介质的GPIV(graphic particle image velocimetry)和基于CCD的DPIV(digital particle image velocimetry)。 
    GPIV是用照相采集的方法将序列图像记录在胶片或录像带上,然后用光学方法或扫描仪形成数字图像,实现自相关模板匹配运动估值.其优点是模拟介质分辨率高(如普通135底片包含有10,500×7,500个像素,这样一张100mm×125mm的肖像底片将会有30,000×37,500个像素,普通摄像管所能提供的分辨率约为500×500个像素,较高分辨率的摄像管也不过做到4,096×4,096个像素),可以观测较大的视场,且精度高,图像捕获速度快,可以测量高速流场。但是,由于其成像后的处理时间长,因而无法实现在线应用,成为其不可克服的缺陷.同时由于GPIV一般将2次或多次曝光成像在同一底片上(单帧多曝光图像),在图像分析上有速度矢量方向二义性问题,虽已有解决方法,但处理较复杂。
    DPIV系统实际上是PIV系统的数字化形式,它强调用数字方法来记录视频图像而不是摄影胶片,DPIV所有的分析都用计算机来进行,代替了GPIV的复杂的光学系统,不需再做胶片的湿处理,同时DPIV将2次或多次曝光的粒子由CCD-Camera经数字图像采集设备采得该截面的序列图像(单帧单曝光图像而非GPIV的单帧多曝光图像),自然解决了速度方向的二义性问题.DPIV的决定性优点在于便于数字处理,能提供实验参数的在线调整,使得它成为PIV的重要发展方向。
    2、按粒子密度分
    PIV源于固体应变位移测量的散斑技术,首先将这一技术从原理及方法上引入流场测速中当首推Adrain,他将PIV技术按照示踪粒子的浓度分为激光散斑测速技术(1aser speckle velocimetry,LSV),粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PⅣ)以及粒子跟踪测速仪(particle tracking velocimetry, PTV)三类。 
    当流场中粒子浓度极低时,我们有可能识别、跟踪单个粒子的运动,从记录的粒子图像中测得单个粒子的位移,这种低粒子图像密度模式的测速方法即为PTV技术;当流场中粒子浓度很高时,以至于用相干光照明时,粒子衍射图像在成像系统像面上互相干涉形成激光散斑图案(散斑已经掩盖了真实的粒子图像),这种极高粒子图像密度模式的测速方法即为LSV技术;PIV技术是指选择粒子浓度使其成为较高成像密度模式,但并未在成像系统像面上形成散斑图案,而仍然是真实的粒子图像(或单个的粒子衍射图像),此时这些粒子已无法单独识别,底片判读只能获得一判读小区域(interrogation area)中多个粒子位移的统计平均值.目前,LSV技术己很少采用,这是因为高粒子浓度对流场干扰较大,而测量精度、实验设备均与PIV技术基本相同。PTV技术从本质上讲是PIV技术的延伸,由于粒子稀疏,使得可提取的流场速度信息较少,限制了对流场细微结构的研究.此外PTV取得原始速度向量点的位置是随机分布的(PIV被认为是按网格状分布的),需要内捕建立网格表示图。但是PTV算法似乎比PIV算法更容易从二维推广至三维。

三维PIV(3D—PIV)技术

    前面介绍的PIV方法采用的是片光束照明方式,因此只能测量局限于片形光束所照明的二维平面内的速度分布。而实际上三维流场的三维速度分布测量才是PIV技术的最终目标。关于三维流速的测量方法,目前主要有全息照相(摄像)法、立体照相(摄像)法及二维加一维法(2D+ID)法等。 
    1、全息照相法(holographic particle image velocimetry, HPIV)
    根据全息照相(摄像)的原理获得全息图像,由于全息图像把流场的三维速度场瞬时凝固在一张全息胶片中,通过分层再现,既可提取流场的三维信息。全息照相仅是记录粒子运动的手段,其处理方法还是依靠PIV或PTv技术和三维重建理论。HPIV由于涉及到复杂的光路系统,对设备及环境的要求较为苛刻,距离实际应用还有一段距离。
    2、立体照相(摄像)法
    体视摄像法研究较多,该法是用2台或多台相机从不同方位记录被照明流场的一个切面,根据两相机空间位置投影关系和视差,把两相机的2个二维坐标映射为空间一点的三维坐标,把两相机的两个二维位移场映射为空间一点的三维位移场,完成粒子空间位移场和速度场的重建。应当说目前Adrain的工作代表了此领域的最高水平。国内以北航申功忻教授为领导的课题小组在3D·PIV的研究方面也进行了开创性的工作。 
    3、2D+1D法
    是切面内二维测量和纵向(离面)一维测量相结合的三维速度测量方法,又可分为粒子跟踪色谱法、粒子跟踪光强梯度法、粒子跟踪温度梯度法以及实验与数值相结合的方法(在获得多个平行切面二维速度场的情况下,利用不可压缩性流体的连续性方程求得纵向流速分布)等。

PIV的优势

    PIV的突出优点表现在:
    (1) 突破了空间单点测量(如LDV)的局限性,实现了全流场瞬态测量;
    (2) 实现了无扰测量,而用毕托管或HwFV等仪器测量时对流场都有一定的干扰;
    (3) 容易求得流场的其他物理量,由于得到的是全场的速度信息,可方便的运用流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息。因此,该技术在流体测量中占有重要的地位。

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