[發(fā)明專(zhuān)利]一種采用激光束進(jìn)行不規(guī)則幾何體內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量的標(biāo)定方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410765268.4
• 申請(qǐng)日: 2014-12-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104459209A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李小斌;蘇文濤;李鳳臣;鄭智穎;蔡偉華;李東陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01P21/02
• 分類(lèi)號(hào): G01P21/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 岳泉清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種流動(dòng)測(cè)量的標(biāo)定過(guò)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(chǎng)標(biāo)定方法。

背景技術(shù)

流體測(cè)試技術(shù)對(duì)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(cè)速儀(縮寫(xiě)為PIV)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)流場(chǎng)無(wú)干擾的平面速度測(cè)量，另外，采用至少兩臺(tái)相機(jī)，則可以獲得該測(cè)量平面內(nèi)的三維速度場(chǎng)。

PIV測(cè)試技術(shù)的基本原理是：在待測(cè)量的流場(chǎng)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(duì)該系列圖像進(jìn)行分析，即可以獲得流場(chǎng)的速度場(chǎng)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(chǎng)，就需要將流場(chǎng)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(duì)應(yīng)起來(lái)，這就是流場(chǎng)測(cè)量的標(biāo)定過(guò)程。

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(chǎng)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1mm)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(guò)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(guò)程中，相機(jī)像平面與標(biāo)定面之間的位置偏差是測(cè)量誤差的主要來(lái)源之一。為了消除位置偏差的影響，德國(guó)遠(yuǎn)景公司已經(jīng)開(kāi)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(chǎng)中布置標(biāo)定板，這對(duì)于不規(guī)則幾何體內(nèi)部、細(xì)小區(qū)域內(nèi)部等的流場(chǎng)顯然無(wú)能為力。為此，國(guó)內(nèi)已開(kāi)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，操作要求高，具有一定的誤差。

綜上所述，現(xiàn)有的流場(chǎng)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(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的流場(chǎng)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(wèn)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(chǎng)測(cè)量的標(biāo)定方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種不規(guī)則幾何體內(nèi)流場(chǎng)測(cè)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)的布置：

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)的上端豎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(xiàn)上，反射鏡固定安裝在支撐架上，且反射鏡的平面與豎直方向之間呈夾角設(shè)置，待測(cè)量的不規(guī)則幾何體內(nèi)的流場(chǎng)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(chǎng)中，即可直接進(jìn)行流動(dòng)測(cè)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(chǎng)起始點(diǎn)，獲取標(biāo)定起始點(diǎn)的位移讀數(shù)(x₁,z₁)；

(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(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)位置(x_p1,z_p1)；

(3)通過(guò)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,z_n)]和像素點(diǎn)位置[(x_p1,z_p2),(x_p1,z_p3)......(x_p1,z_pn)]；

(4)通過(guò)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：