[發明專利]一種測量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置

有效

• 申請號: 201410037928.7
• 申請日: 2014-01-26
• 公開（公告）號: CN103808958A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 鐘強;陳啟剛;李丹勛;王興奎
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01P5/20
• 分類號: G01P5/20
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種測量明渠紊流粘性底層流速的裝置，該裝置包括攝像機、鏡頭、連續激光器、分光棱鏡及計算機；其特征在于，還包括可調節長度的近攝腔、平凸柱面鏡；其中，所述連續激光器設置在待測明渠水槽的底板下，且該激光器的輸出光軸垂直朝向底板，所述分光棱鏡、平凸柱面鏡依次設置在激光器的輸出光軸上，將激光器輸出的光束調整為一矩形激光片光；所述的攝像機設置在明渠水槽的邊壁外，該攝像機通過可調節長度的近攝腔與鏡頭相連，鏡頭對準所述的矩形激光片光，以拍攝矩形激光片光照亮的示蹤粒子圖像，所述的計算機與攝像機通過連接線相連，對攝像機拍攝的示蹤粒子圖像進行處理，以獲得明渠紊流粘性底層流速。

2.如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述攝像機的拍攝幀頻大于3000張/秒。

3.如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述鏡頭為暗室放大鏡頭，其像場平直。

4.采用如權利要求1所述裝置的一種測量明渠紊流粘性底層流速的方法，其特征在于，該方法包括裝置的調整及拍攝和流速的測量兩部分；所述裝置的調整及拍攝，包括以下步驟:

步驟I：調整激光片光：打開連續激光器，調整連續激光器、分光棱鏡、平凸柱面鏡之間的間距，將連續激光器發出激光束調整為矩形激光片光，整體移動連續激光器，分光棱鏡、平凸柱面鏡的位置，使得矩形激光片光照亮待測區域；

步驟II：調整鏡頭與相機：在水槽中矩形激光片光的位置放置帶有半毫米刻度的標定物，關閉連續激光器；將鏡頭靠近明渠水槽的邊壁，固定鏡頭的位置，調整攝像機的位置，近攝腔的長度跟隨攝像機位置的變化而變化，直到攝像機得到清晰圖片，讀取此時拍攝到的標定物的長度，計算圖片分辨率，之后調整鏡頭與水槽邊壁的距離以及攝像機的位置，直到圖片分辨率達到實驗設定值；調整好后記錄圖片分辨率，拿出標定物；

步驟III：拍攝圖片；調整明渠水槽中的水流狀態，滿足實驗要求后，在明渠水槽上游撒布示蹤的粒子，粒子循環穩定后打開連續激光器和攝像機，開始連續拍攝多張顯示粒子圖像的圖片，圖片總張數為Num_total；，并將所拍攝的全部圖片按拍攝順序存儲入計算機，為所有圖片按照拍攝順序賦予圖片序號K，K為從1開始的正整數；拍攝完成后，關閉連續激光器和攝像機；

所述流速的測量，包括以下步驟:

步驟A：判斷圖片序號K是否大于Num_total-1，若K>Num_total-1，則進入步驟O，否則，進入步驟B；

步驟B：讀入圖片序號為K的圖片；

步驟C：采用大津法確定圖片K的二值化的初始灰度閾值T_i，i=0，i為閾值迭代循環序數，為非負整數；

步驟D：使用灰度閾值T_i對圖片K二值化；

步驟E：提取二值化后圖片K中的粒子個數N_i；

步驟F：判斷N_i是否大于設定閾值N_max，若N_i>N_max，則進行步驟G；否則，進行步驟J；

步驟G：i的值增加1，確定新的二值化閾值T_i如式（1）所示：

Ti=Ti-1+Ti-1·Ni-1-NmaxNi-1---(1);]]>

步驟H：采用二值化閾值T_i對圖片K二值化；

步驟I：提取二值化后粒子個數N_i，返回步驟F；

步驟J：讀入圖片K+1，使用閾值T_i對圖片K+1二值化；

步驟K：采用如式（2）所示判據剔除二值化后的圖片K、K+1中像差嚴重的粒子圖像：

σ=LmaxLmin<Tσϵ=Lmax·Lmind02<Tϵ---(2)]]>

其中，σ為單個粒子的橢圓度指標，L_max為該粒子圖像的最大長度，L_min為該粒子圖像的最小長度；ε為充實度指標，d₀為與粒子圖像面積相等的圓形的直徑；Τ_σ與Τ_ε為設定的閾值；

步驟L：采用截斷法計算粒子圖像形心坐標，計算二值化圖片K、K+1中每個粒子圖像的中心坐標如式（3）所示：

xcenter=1NΣiNxiycenter=1NΣiNyii∈{P|I(P)>0.5Ipeak}---(3)]]>

其中I(P)為P點處的灰度值，I_peak為粒子圖像范圍內灰度的最大值；N為參與運算的總像素數；

步驟M：使用匹配幾率法匹配圖片K、K+1中的粒子，配對粒子中心坐標間的距離即為粒子移動距離，粒子移動距離除以攝像機1拍攝圖片K、K+1的時間間隔即得粒子的運動速度；

步驟N：將步驟M得到的粒子運動速度記錄在數組Velocity中，相應的粒子中心坐標記錄在數組Position中，K的值增加1，返回步驟A；

步驟O：計算流速分布，找到數組Position中垂向坐標的最小值PL和最大值PM，以Δ為間距將PM和PL之間的范圍劃分成若干區域，每個區域既是一個測點，針對每個區域，在數組Position中找到所有中心坐標落在此區域內的粒子，從Velocity數組中得到這些粒子的運動速度，并求出運動速度的平均值，作為到這一測點的平均速度，所有測點的平均速度既構成流速分布，2<Δ<15。