一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法
【專利摘要】一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法，它涉及一種流場測量的標(biāo)定方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的流場標(biāo)定方法不適用于不規(guī)則幾何體內(nèi)部、細(xì)小區(qū)域內(nèi)部的標(biāo)定，以及自標(biāo)定方法存在數(shù)學(xué)換算復(fù)雜，操作要求高，具有一定的誤差的問題。方法：步驟一：激光束標(biāo)定機(jī)構(gòu)的布置；步驟二：激光束標(biāo)定方法：(1)確定標(biāo)定起始點(diǎn)的位移讀數(shù)；(2)在激光束圖像中搜尋亮度峰值對應(yīng)的像素點(diǎn)位置；(3)調(diào)整水平激光束位置，獲取精密位移機(jī)構(gòu)的讀數(shù)和像素點(diǎn)位置；(4)調(diào)整垂直激光束位置，重復(fù)上面操作，獲得精密位移機(jī)構(gòu)的讀數(shù)矩陣和像素點(diǎn)位置矩陣；(5)獲得高速相機(jī)相平面內(nèi)點(diǎn)陣位置和精密位移機(jī)構(gòu)點(diǎn)陣位置的相互關(guān)系。本發(fā)明用于不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量。
【專利說明】一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種流動(dòng)測量的標(biāo)定過程，具體涉及不規(guī)則幾何體、細(xì)小結(jié)構(gòu)的內(nèi)部 流場標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 流體測試技術(shù)對于流體動(dòng)力學(xué)及相關(guān)工程領(lǐng)域的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。其 中，粒子圖像測速儀（縮寫為PIV)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對流場無干擾的平面速度測量，另外，采用至 少兩臺(tái)相機(jī)，則可以獲得該測量平面內(nèi)的三維速度場。
[0003] PIV測試技術(shù)的基本原理是：在待測量的流場均勻散布跟隨性良好的示蹤粒子， 使用高速相機(jī)獲取不同時(shí)刻的示蹤粒子靜態(tài)圖像，然后對該系列圖像進(jìn)行分析，即可以獲 得流場的速度場信息。比如以二維PIV為例，單獨(dú)跟蹤某個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子，則其在二維平面內(nèi)的 X、y兩個(gè)方向的位置信息隨時(shí)間而變化。要將示蹤粒子圖像的位置信息轉(zhuǎn)化為速度場，就 需要將流場中的位置尺寸（距離）和相機(jī)圖像中的位置尺寸（像素）精確對應(yīng)起來，這就 是流場測量的標(biāo)定過程。
[0004] 目前，不管是二維標(biāo)定還是三維標(biāo)定，都需要事先在流場中布置一個(gè)標(biāo)定板，標(biāo)定 板上布置有垂直交叉排列的圓點(diǎn)、方塊或十字等規(guī)則圖形，以方便目標(biāo)像中心坐標(biāo)的提取。 在三維標(biāo)定中，或者使用雙平面的三維標(biāo)定板，系統(tǒng)只需要采集一次圖像即可完成標(biāo)定；或 者使用二維標(biāo)定板配合精密位移機(jī)構(gòu)，在片狀激光面的厚度（現(xiàn)在片光厚度可小于1_)之 內(nèi)，沿垂直片光方向進(jìn)行平移定位，系統(tǒng)需要在相機(jī)景深范圍內(nèi)采集至少三個(gè)位置的標(biāo)定 板圖像。在使用標(biāo)定板的標(biāo)定過程中，需要保證片狀激光面與相機(jī)的像平面保持平行，同時(shí) 也需要片狀激光面與標(biāo)定板平面保持嚴(yán)格共面。所以在該過程中，相機(jī)像平面與標(biāo)定面之 間的位置偏差是測量誤差的主要來源之一。為了消除位置偏差的影響，德國遠(yuǎn)景公司已經(jīng) 開發(fā)了基于小孔成像模型的自標(biāo)定方法，僅利用片狀激光面所照亮的示蹤粒子本身的圖像 特征進(jìn)行最終標(biāo)定，不需要標(biāo)定板和激光面嚴(yán)格的重合。上述標(biāo)定方法中，均需要在流場中 布置標(biāo)定板，這對于不規(guī)則幾何體內(nèi)部、細(xì)小區(qū)域內(nèi)部等的流場顯然無能為力。為此，國內(nèi) 已開發(fā)出了基于透視學(xué)中滅點(diǎn)定理的自標(biāo)定方法，但該法需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)換算，操作要求 商，具有一定的誤差。
[0005] 綜上所述，現(xiàn)有的流場標(biāo)定方法不適用于不規(guī)則幾何體內(nèi)部、細(xì)小區(qū)域內(nèi)部的標(biāo) 定，以及自標(biāo)定方法存在數(shù)學(xué)換算復(fù)雜，操作要求高，具有一定的誤差的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的流場標(biāo)定方法不適用于不規(guī)則幾何體內(nèi)部、細(xì)小 區(qū)域內(nèi)部的標(biāo)定，以及自標(biāo)定方法存在數(shù)學(xué)換算復(fù)雜，操作要求高，具有一定的誤差的問 題，進(jìn)而提供一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法包括以下步驟：
[0008] 步驟一：激光束標(biāo)定機(jī)構(gòu)的布置：
[0009] 精密位移機(jī)構(gòu)固定安裝在水平面上，精密位移機(jī)構(gòu)的上端堅(jiān)直放置激光器放置 板，第一激光器和第二激光器由上至下依次可滑動(dòng)安裝在激光器放置板上，支撐架固定安 裝在水平面上并與精密位移機(jī)構(gòu)位于同一直線上，反射鏡固定安裝在支撐架上，且反射鏡 的平面與堅(jiān)直方向之間呈夾角設(shè)置，待測量的不規(guī)則幾何體內(nèi)的流場位于精密位移機(jī)構(gòu)與 支撐架之間，高速相機(jī)位于不規(guī)則幾何體的側(cè)面前方，標(biāo)定時(shí)不需要激光面透鏡，而標(biāo)定結(jié) 束后將激光面透鏡插入光路中，形成片狀光源以照射到流場中，即可直接進(jìn)行流動(dòng)測量工 作；
[0010] 步驟二：激光束標(biāo)定方法：
[0011] (1)調(diào)整交叉激光束位于流場起始點(diǎn)，獲取標(biāo)定起始點(diǎn)的位移讀數(shù)（Xi,Zi);
[0012] (2)利用高速相機(jī)獲取激光束交叉亮斑的圖像，在上述圖像中搜尋亮度峰值對應(yīng) 的像素點(diǎn)位置（xpl,zpl);
[0013] (3)通過精密位移機(jī)構(gòu)的旋鈕調(diào)整水平激光束位置z，獲取精密位移機(jī)構(gòu)的讀數(shù)
[(x1；z2), (x1；z3)......(X1;zn)]和像素點(diǎn)位置[(xpl,zp2)，（xpl,zp3)......(xpl,zpn)];
[0014] (4)通過精密位移機(jī)構(gòu)的旋鈕調(diào)整垂直激光束位置x，重復(fù)上面（1)、（2)和（3)操 作，獲得精密位移機(jī)構(gòu)的讀數(shù)矩陣和像素點(diǎn)位置矩陣如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法，其特征在于：所述不規(guī) 則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法包括以下步驟： 步驟一：激光束標(biāo)定機(jī)構(gòu)的布直： 精密位移機(jī)構(gòu)（2)固定安裝在水平面（1)上，精密位移機(jī)構(gòu)（2)的上端堅(jiān)直放置激光 器放置板（3)，第一激光器（4)和第二激光器（5)由上至下依次可滑動(dòng)安裝在激光器放置板 (3)上，支撐架（6)固定安裝在水平面（1)上并與精密位移機(jī)構(gòu)（2)位于同一直線上，反射 鏡（7)固定安裝在支撐架（6)上，且反射鏡（7)的平面與堅(jiān)直方向之間呈夾角設(shè)置，待測量 的不規(guī)則幾何體（8)內(nèi)的流場位于精密位移機(jī)構(gòu)（2)與支撐架（6)之間，高速相機(jī)（10)位 于不規(guī)則幾何體（8)的側(cè)面前方，標(biāo)定時(shí)不需要激光面透鏡（9)，而標(biāo)定結(jié)束后將激光面透 鏡（9)插入光路中，形成片狀光源以照射到流場中，即可直接進(jìn)行流動(dòng)測量工作； 步驟二：激光束標(biāo)定方法： (1) 調(diào)整交叉激光束位于流場起始點(diǎn)，獲取標(biāo)定起始點(diǎn)的位移讀數(shù)（XpZ1); (2) 利用高速相機(jī)（10)獲取激光束交叉亮斑的圖像，在上述圖像中搜尋亮度峰值對應(yīng) 的像素點(diǎn)位置（xpl，zpl); (3) 通過精密位移機(jī)構(gòu)（2)的旋鈕調(diào)整水平激光束位置z，獲取精密位移機(jī)構(gòu)（2)的讀 數(shù)[(X1,Z2)，（X1,Z3)......(X1,Zn)]和像素點(diǎn)位置[(Xpl，Zp2)，（Xpl，Zp3)......(xpl,Zpn)]; (4) 通過精密位移機(jī)構(gòu)（2)的旋鈕調(diào)整垂直激光束位置x，重復(fù)上面（I)、（2)和（3)操 作，獲得精密位移機(jī)構(gòu)的讀數(shù)矩陣和像素點(diǎn)位置矩陣如下：
(5) 獲得高速相機(jī)（10)相平面內(nèi)點(diǎn)陣位置和精密位移機(jī)構(gòu)點(diǎn)陣位置的相互關(guān)系，即獲 得（ΛXi,ΛZi)?（Λxpi,Λzpi)之間比例尺,至此,標(biāo)定過程完成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法， 其特征在于：所述步驟一中反射鏡（7)的平面與堅(jiān)直方向之間的夾角為45°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法， 其特征在于：在所述步驟一中的待測量的不規(guī)則幾何體（8)中添加折射率調(diào)整后的液體并 在上述液體中混入體積濃度為〇. 01 %的熒光粒子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方法， 其特征在于：所述液體為碘化鈉的水溶液。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場測量的標(biāo)定方 法，其特征在于：步驟一中的精密位移機(jī)構(gòu)（2)具有在x、y、ζ方向的線性平移運(yùn)動(dòng)和xy平 面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，共四個(gè)自由度。
【文檔編號】G01P21/02GK104459209SQ201410765268
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】李小斌, 蘇文濤, 李鳳臣, 鄭智穎, 蔡偉華, 李東陽 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)