[發明專利]一種用于2D-3C PIV試驗的離軸對焦裝置

在審

• 申請號: 202011200727.6
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112378615A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 楊可;陳植;周方奇;趙寬;魏志;梁錦敏;李玉平;榮祥森;蔣衛民
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06;H04N5/232
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 王丹

本發明公開了一種用于2D?3C PIV試驗的離軸對焦裝置。該裝置包括L型的支架，支架豎直段開有通孔，通孔內安裝單反光學鏡頭；支架水平段下表面固定連接位移電動調節臺，位移電動調節臺帶動支架前后移動；支架水平段上表面設置有導軌，轉接板Ⅰ裝卡在導軌上，轉接板Ⅰ沿導軌前后移動，轉接板Ⅰ的上表面固定通用角度電動調節臺，通用角度電動調節臺上安裝PIV相機；初始狀態下，單反光學鏡頭與PIV相機同軸，單反光學鏡頭中心正對PIV相機傳感器中心；通用角度電動調節臺和位移電動調節臺的工控機均與PIV圖像采集系統安裝在同一個操作平臺上，或者控制軟件均集成在PIV圖像采集系統中。該裝置價格低廉、維修便捷，角度調節和定位精度高，兼具手動和自動調節功能。

技術領域

本發明屬于高速風洞試驗技術領域，具體涉及一種用于2D-3C PIV試驗的離軸對焦裝置。

背景技術

PIV技術利用CCD或者CMOS相機拍攝流場中的示蹤粒子、追蹤單位時間內的粒子位移，通過連續兩張PIV圖片計算得到粒子速度。

相機的鏡頭和傳感器是平行布置的，要對測試平面進行對焦，需要將相機正對測試平面，使測試平面(對焦面)、鏡頭平面和成像平面(傳感器)三者平行，然后再通過調整鏡頭的對焦環即可拍攝清晰的平面照片。

對于二維流動即2D-2C模式，測量測試平面內的兩個速度分量時，將相機的鏡頭、傳感器與被拍攝的測試平面保持平行，就能使整個測試平面對焦清晰，得到清晰的二維流動PIV圖片。

對于三維流動即2D-3C模式，2D-2C模式的相機的鏡頭、傳感器與測試平面平行的布置方式就無法給出測試平面的法向速度分量，拍攝得到的PIV圖片是三維速度在測試平面內的投影，也就是說，法向速度被歪曲了。因此，進行2D-3C PIV測量，需要考慮對測試區域內的第三個速度分量即平面的法向速度分量進行測量。

開展2D-3C PIV測量時，需要使用兩臺相機同時對測試區域進行拍攝，拍攝時，每臺相機與測試區域形成約45°的夾角，這樣可以保證兩臺相機都能測量到測試區域內粒子沿三個正交方向的運動，但是兩臺相機的布置要遵循離軸對焦原理即Scheimpflug原理。離軸對焦原理要求每臺相機的鏡頭平面和成像平面具有一定的夾角，兩臺相機的鏡頭平面和成像平面均對稱分布在測試區域的兩側，最終實現兩個相機對測試區域全場對焦。

要實現離軸對焦原理，必須對相機和鏡頭的位置進行系統設計，使相機和鏡頭具備離軸對焦的能力，并制造配套的離軸對焦角度調節裝置。為了獲得高質量的離軸對焦效果，離軸對焦角度調節裝置需要具備以下幾個特性：足夠小的角度調節分辨率；足夠高的角度定位精度；角度調節裝置穩固可靠，且具有角度自鎖能力。

目前的商用PIV系統都具有2D-3C PIV測量能力，也都開發了各自附帶的離軸對焦角度調節裝置。國外的PIV系統起步時間早，技術比較成熟，附帶的離軸對焦角度調節裝置通常分為手動和自動調節兩種，作為單獨的產品與PIV系統配套銷售，優點在于：裝置集成度高，技術成熟；操作比較方便，能夠從PIV數據采集軟件上進行遠程操作，界面設計比較友好，定位精度達到0.1°，精度較高且具有角度自鎖能力。缺點主要是：價格昂貴，一套自動調節裝置的價格在6萬人民幣以上；系統高度封裝，零部件可替換度低，一旦出現故障需要發往國外進行維修，維修周期長，費用高昂。國產的PIV系統附帶的離軸對焦角度調節裝置主要是手動調節裝置，采用的手動調節裝置的方法非常簡單：將相機和一根螺桿固定在一起，通過旋轉螺桿帶動相機旋轉，并通過兩個壓緊螺桿進行定位。這種手動調節裝置的缺點比較明顯：角度調節無法量化，只能靠操作人員的手感進行調節；不具備角度自鎖功能，在使用壓緊螺桿進行角度鎖定時，由于壓緊螺桿本身也在旋轉，因此很容易改變相機角度。由于離軸對焦的對焦精度對離軸對焦角度非常敏感，因此，這種手動調節裝置的角度調節和定位精度都比較差。由于不具備遠程調節能力，調節過程中需要兩人進行配合方能完成，工作效率低下。

當前，亟需發展一種調節精度高、成本低廉的用于2D-3C PIV試驗的離軸對焦裝置。

發明內容