粒子图像测速仪课件

1、 粒子图像测速系统（PIV）TSI Fluid Mechanics Team PIV 简介PIV技术可以提供为流体动力学研究提供独特的视角, 提供流动特性的空间结构信息TSI 研发并提供了如下系统 V3V体测量技术 2008多相流PIV处理技术 2007GP 算法使颗粒粒径信息可以从PIV图像中分离出来 2006GP 算法使 最高分辨率的PIV分析成为可能 2006本征正交分解（POD） PIV 数据分析2006Hyperstreaming 系统2006本征正交分解（POD） PIV数据分析 20052MP, 4MP 相机的像素组合功能 2005GSV 系统 单相机实现粒径和速度的同时测量 2

2、005POWERVIEW 11M 11 M 相机 2005同时 PIV/PLIF 测量系统 2004全场喷射诊断系统 2004INSIGHT3G: 基于.Net 平台设计软件 2004INSIGHT 6 软件平台 2004第二代PIV专用CCD相机 (4MP & 2MP) 2004HIFR PIV 系统 2003采用专利技术设计的MicroPIV 系统 2003第一个采用独特的 为PIV技术设计的2Kx1K PIV 数字化CCD 2002第一个采用独特的 为PIV技术设计的2Kx2K PIV 数字化CCD 2001第一套超级PIV系统 2000第一套商用优化PIV系统 1998第一套商用系统1

3、988技术上的快速更新相机, 计算机, .Copyright 2006 TSI IncorporatedPIV - 原理t - 两个脉冲激光的时间间隔x X方向颗粒位移y Y方向颗粒位移A点颗粒速度ux = x/t 当 t 0uy = y/t 当 t 0流动平面激光片光源xyA. .Copyright 2006 TSI Incorporated相关运算颗粒位移诊断区域互相关运算结果速度场互相关第一帧第二帧诊断区域Copyright 2006 TSI IncorporatedPOWERVIEWTM PIV 系统二维系统三维系统Copyright 2006 TSI IncorporatedPIV

4、系统连接成像子系统 脉冲激光器光臂片光源图像拍摄子系统 CCD相机图像采集板同步器实验辅助系统 示踪粒子添加系统 远程遥控系统 立体标定系统及其底座处理软件 提供采集、分析、处理和显示PIV结果 Tecplot流场显示软件Copyright 2006 TSI Incorporated系统连接原理图外部触发激光控制相机图像卡触发颗粒发生装置计算机Copyright 2006 TSI Incorporated激光器（Nd:YAG）双脉冲激光器工作温度540度，1090湿度内循环冷却水采用去离子水作为冷却水，3个月更换长途搬运前，先排干冷却水Copyright 2006 TSI Incorporat

5、ed脉冲激光器安全200mJ/pulse, 3-5ns脉宽对应于瞬时功率最高: 200mJ/5ns=4*107W禁止在激光光路上观察激光实验时，戴激光保护眼镜实验人员运行激光器时，注意提醒其他人员防止激光穿过门、窗Copyright 2006 TSI Incorporated脉冲激光能量 和 Q开关 延时之间的关系Q开关延时 (微秒)脉冲能量 最大能量的百分数50100150200250300100%80%60%40%20%0%Copyright 2006 TSI IncorporatedCCD相机CCD相机是一个高敏感的元件工作温度-5度40度，1080湿度要求防止强光对于CCD的损坏在实验

6、中，避免出现大面积的过曝光拆卸相机截圈时，注意防止光线直接进入CCDCopyright 2006 TSI IncorporatedTSI POWERVIEW Plus 系列相机的独特功能标准相机基于普通光照下的图像拍摄设计 (无激光)POWERVIEW Plus 系列相机 基于激光照明下图像拍摄设计独特的保护罩设计POWERVIEW Plus 系列相机的保护罩并不是对CCD阵列的遮挡是对相机电子线路的保护防止强光照射下对CCD中电子线路的损坏Camera Circuitry保护罩CCD 阵列Copyright 2006 TSI IncorporatedPIV系统中的相机远程控制系统远程 Sch

7、eimpflug调节控制远程调焦远程光圈调节使用环境 水下测量, 大型风洞需要远距离控制CCD拍摄的场合Copyright 2006 TSI Incorporated光臂高能激光束全封闭传递YAG激光器最高能量输出可达500mJ/脉冲标准长度 - 1.8 米Copyright 2006 TSI Incorporated激光片光源紧凑透镜组合设计采用柱透镜和球透镜的组合提供片光源厚度和扩展角度的控制柱透镜球透镜光腰Copyright 2006 TSI Incorporated同步器610036型号：同步精度0.25ns控制激光器、CCD相机的工作时序适合PIV，PLIF实验外触发功能：可用于条件

8、采样、周期性流场、锁相测量Copyright 2006 TSI Incorporated工作时序帧 1帧 2相机曝光最短跨帧时间激光脉冲脉冲 1脉冲 2t延迟时间脉冲间隔时间Copyright 2006 TSI Incorporated外部触发使得PIV测量可以在特定的时刻进行基于同步器接收到的外部触发信号实验触发同步器 (注时序控制) 同步器触发激光器和CCD并开始图像拍摄的工作需要一个可以被精确触发的CCD相机同步器可以在一个指定的时间延迟后触发激光器轴编码信号时间延迟 相机触发震荡或周期流动相机触发阀门打开延迟时间Copyright 2006 TSI Incorporated外触发锁相功

9、能同步器610036具备外触发锁相以及外部门控信号控制功能，例如：测试搅拌槽流场,这个功能对于研究搅拌槽内流场非常重要，可有效的避免拟湍流现象。在搅拌槽内，特别是桨叶排出流区附近，旋转的桨叶会引起较强的周期性运动，采用外触发锁相功能得到的湍流数据中将包含桨叶的周期性运动分量，即拟湍流成份。Copyright 2006 TSI Incorporated示踪粒子的选择和添加，选择示踪粒子的原则：1.跟随性：粒径越小，比重越小，跟随性越好2.散射光强度：粒径越大，强度越大3.实验现场条件水中实验：812um的比重约比水大的粒子空气实验：15um油滴、水滴、固体颗粒燃烧实验：氧化钛，氧化铁，氧化硅等耐

10、高温粒子，13um高速实验：0.3-1um固体、液态粒子，尽可能高的反射率（可在表面涂层），配高能量的激光器Copyright 2006 TSI IncorporatedInsight 4G功能强大、完整、精确的图像采集，分析与显示软件包Win7- 64bit 计算机操作系统内存可扩展至 128 GB简单易用，功能稳定处理速度快Turbo 编码提高数据处理速度以太网分布式处理方式不同实验的宏命令批处理方式 可跟踪每步的处理进展流水线型文件结构所有硬件的完全控制 内嵌TecPlot软件包动态链接MATLABINSIGHT 4G独特功能软件包可用于：PIVMicroPIV高帧率 PIVPLIF超高

11、分辨率PIV (SRPV)PIV/PLIF同时测量立体 PIV射流分析及流动模式分析Copyright 2006 TSI IncorporatedINSIGHT 4G采用了最为前沿和先进的处理技术和软件包设计独特性5项专利技术于研究人员协作开发了独特的分析方案和技术实现路线Hart 相关 专利技术更高的分辨率MSWA (Meinhart, Santiago, Wereley, Adrian) 算法 专利技术微流动, 背景消除, 相关平均 Rohaly- Hart 分析 专利技术加快处理速度，优化处理方法GW 算法 and 改进 GW算法大速度梯度流动, 高剪切流动窗口平移, 变形网格, 二阶插

12、值PM 分析算法 专利技术的应用结合了颗粒跟踪和粒径分析GP 算法 专利技术的应用在同样的图像中获得最大的空间分辨率Copyright 2006 TSI Incorporated目录树结构及引导直觉的继承式文件系统鼠标拖拽即可实现 打开文档及分析文件内容鼠标右键敲击可以设置 当前运行实验设置 或删除、修改或重排目录中的文件Copyright 2006 TSI Incorporated交互式图形界面时间参数设置动态链接到用户的设定值可以直观检验跨帧PIV中每一个脉冲激光的有效性检验延迟及门限时间参数的有效性具有放大显示功能具有外触发设定功能Copyright 2006 TSI Incorpora

13、ted可视化宏编辑可以在完全的图像模式下自动的进行图像的拍摄, 条件处理, 分析, 及有效性检验用鼠标的“拖”“拽”就可完成编辑过程不需要进行任何程序的编写！Copyright 2006 TSI Incorporated图像分析: 感兴趣区域的划分矩形, 直线, 或任意多边形区域选择的区域可以是不连续的可以通过鼠标拖拽选择区域，也可以直接输入坐标值在感兴趣的区域内进行统计分析可以作为其他结果的区域模版，也可以作为处理网格直线区域可以直接给出砸直线上的灰度分布即可以采用原始图像的灰度显示，也可以采用标量场分析结果来显示Copyright 2006 TSI Incorporated伪彩显示LUT功

14、能用户可以使用自己的伪彩方案或利用软件中已有的方案伪彩或用户定义的灰度级显示线性或对数放大显示用户可以自行调整显示关系用户可自行选择过曝光像素的显示颜色Copyright 2006 TSI Incorporated更多的PIV数据的拍摄采集处理功能数据处理引擎包含 FFT, 超级 FFT, 直接相关, Hart 相关 以及 Rohaly-Hart方案Rohaly-Hart 方案可以加速处理过程且优化处理效果递规处理方案由以下算法组成 窗口平移, 变形网格, 二阶差值 及集合平均相关二阶差值函数 在线交互式处理，对矢量的有效性判断可以进行批处理在线图像拍摄, 矢量分析及数据有效性检验以优化实验参

15、数Copyright 2006 TSI IncorporatedRohaly - Hart 分析Prof. Hart专利性工作的扩展 (MIT)特点从图像中处理出更多的速度矢量可以得到用传统的方法根本无法得到的流场细节处理途径从最小的空间分辨率开始处理如果没有得到矢量或得到的结果无效则用周围的图像增加相关的分析的数据来源 强大的系统功能INSIGHT 3G 软件包的一部分Copyright 2006 TSI Incorporated超高分辨率从一群颗粒的分析到单个颗粒的分析采用了独特的处理方案得到了最高分辨率的结果尽可能高分辨率的速度场处理结果从单个颗粒的速度还原到流场网格上的速度值得到详细的

16、统计特性颗粒速度的超高分辨率分析结果Copyright 2006 TSI Incorporated基于每个颗粒的分析基于网格的速度处理结果颗粒速度的超高分辨率分析结果Copyright 2006 TSI Incorporated粒径分布粒径和速度Copyright 2006 TSI IncorporatedPOD 分析结果显示图形显示 不同模式对总能量的贡献相对能量的水平 POD 模式的函数Copyright 2006 TSI Incorporated本征正交分解（POD）给出每一模式对流动的贡献旋涡流动Copyright 2006 TSI Incorporated2D PIV标定 二维标定方

17、式得到实际长度和CCD 像素之间的关系（放大率）；如果不经过标定过程，则得到的速度 结果为像素/秒（Pixel/s）；标定得到Pixel-mm之间的关系；换算得到mm/s的真实速度值；PIV二维标定Copyright 2006 TSI Incorporated三维标定得到实际长度和CCD像素之间的关系（放大率、变形、两个CCD的同一点像素对应关系）PIV三维标定立体PIV CCD布置图（Scheimpflg条件）物面 (片光源平面)镜头物理平面CCD成像面拍摄区域(聚焦区域)片光源透镜组Copyright 2006 TSI Incorporated由于相机倾斜产生的透视效果AABBBBAAAA

18、BB流场中的网格左相机拍摄的网格图像右相机拍摄的网格图像Copyright 2006 TSI Incorporated获得映射函数标定用长方形的矩形点阵网格作为标定平面平面上包含很多点组成的矩阵 双面双边 (DPDS) 靶盘由TSI公司引入无需坐标架在标定靶盘的两边分别由很多点组成的点阵，这些点分布在同一边的不同面上标定靶盘的网格定义和实际的空间坐标系统将标定靶盘与片光调整重合双面双边标定靶盘Copyright 2006 TSI Incorporated独特功能INSIGHT 4G 分析软件包中的内置功能可以直接获得映射函数不用标定靶盘 (仅通过相机的参数尺寸及摆放位置)在内流场测量标定中的作

19、用在没有边壁的情况下产生映射函数然后再加入边壁的影响用标定靶盘进行标定修正 (立体自标定)可自动修正由于靶盘和激光片光平面不重合带来的误差 Copyright 2006 TSI Incorporated三维标定的目标分解分析PIV三维标定（x,y,z）片光源（标定靶理想位置）（XL,YL）（XR,YR）左CCD右CCD片光源（标定靶理想位置）（XL,YL）左CCD（XR,YR）右CCDCCD布置方式一CCD布置方式二Copyright 2006 TSI IncorporatedRushton 透平瞬时三维速度场的测量结果 w=100 rpm University of Illinois 伊利诺

20、伊大学D. F. Hill, K. V. Sharp, R. J. Adrian Copyright 2006 TSI Incorporated集成化立体PIV系统水下应用不对称布置Camera 2Camera 1对称布置Camera 1Camera 2Copyright 2006 TSI IncorporatedAxial velocity field at x = 0.59RCross flow at x = 0.59R意大利国立造船实验研究所 (INSEAN)水下推进器的流场测量近场尾迹: 轴向速度场Copyright 2006 TSI Incorporated水下推进器的流场测量尾迹的

21、发展: 湍流流场X = 0.76 R X = 1.85 R X = 0.59 R X = 0.59 R 意大利国立造船实验研究所 (INSEAN)Copyright 2006 TSI Incorporated火箭点火过程点火时序的测量Balakumar & AdrianUniversity of Illinois 伊利诺伊大学Copyright 2006 TSI Incorporated火箭点火过程 全场流动测量结果(t = 1.2s时15个测量结果的总体相关平均结果 )Balakumar & AdrianUniversity of Illinois 伊利诺伊大学Copyright 2006

22、TSI Incorporated超音速流动的PIV测量Courtesy: ISLSupersonic flow PIV measurementsumax 1400 m/secV- componentU - componentSupersonic flow PIV measurementsCopyright 2006 TSI Incorporated西北工业大学 液滴PIV实验Copyright 2006 TSI Incorporated江苏大学离心泵PIV实验Copyright 2006 TSI Incorporated离心泵三维PIV测试结果Copyright 2006 TSI Incorp

23、orated南航3马赫超音速喷嘴PIV实验Copyright 2006 TSI IncorporatedMicroPIV系统Copyright 2006 TSI Incorporated带荧光过滤光学模块的显微镜计算机(后处理)激光显微物镜过滤单元扩束镜12 bit CCD 相机(2048 x 2048 pixels)焦平面发射光532 nm发射光模型 隔离片速度矢量荧光颗粒脉冲绿色激光 (532 nm) 照亮流动区域以及其中的颗粒.颗粒吸收后散射荧光, 荧光的波长与照射激光不同相机仅接收散射的荧光，即颗粒图像经过后处理后得到速度矢量场Copyright 2006 TSI Incorporat

24、ed微流动测量的过程细节流动入口流动出口流动被照亮的区域显微镜物镜玻璃平板流动模型焦平面激光束Copyright 2006 TSI Incorporated微流动通道Copyright 2006 TSI IncorporatedMicro PIV 涉及的问题用荧光颗粒发出的荧光屏蔽掉壁面的散射光即 过滤掉入射的激光造成的所有散射光为适应微小的测量环境，示踪颗粒必须足够小过于微小的颗粒布朗运动效应会比较强烈体光源照射而不用片光源. 会造成不在焦距平面上的颗粒成像减少背景光影响 由于被测量管道很小而且颗粒浓度不高即使在低速流动中也需要较小的脉冲宽度以及较小的双脉冲间隔需要脉冲激光Courtesy:

25、 R. J. AdrianCopyright 2006 TSI Incorporated背景消除技术带背景的图像背景Copyright 2006 TSI Incorporated消除背景后的图象Flow around a bubbleCopyright 2006 TSI Incorporated微流动测量举例扩张微通道中的流动Image fieldVector fieldCopyright 2006 TSI IncorporatedPLIF 系统激光片光照亮一个流场平面片光照亮区域内流场中的目标元素吸收激光发射频率的光, 把该元素原子激发到更高的能态高能态原子不稳定，在衰减到低能态过程中放出光

26、子CCD阵列接收到这个放射出的光子形成的数字化图像经过分析处理得到元素种类 Copyright 2006 TSI Incorporated常用示踪颗粒方案在流动中测量元素的荧光强度水流常用荧光染料测量浓度和温度（或pH值）可以被YAG激光器激发气流酮 (丙酮 或 3-戊酮) 常用来被 YAG激光器的266 nm 或 355 nm 波长的光激发可以使温度和浓度测量定量化 燃烧问题酮用来跟踪燃料分布, 或者可以利用燃料本身的荧光燃烧组分和化学反应的中间产物 (例如 OH, NO, CO, CO2, NH, CH, 等等)Copyright 2006 TSI IncorporatedPIV-PLIF

27、 同时测量选择最佳的相机组合PIV和PLIF分别使用不同的相机 PIV和PIV使用相同的相机 (POWERVIEW Plus 4MP) Copyright 2006 TSI Incorporated温度测量PIV 和 PLIF 结果Copyright 2006 TSI IncorporatedPLIF 测量射流混合 浓度场图示射流混合过程中的浓度场变化(AA截面的灰度变化)AACopyright 2006 TSI Incorporated上海大学PLIF实验测量温度场的罗丹明B，测量浓度场的罗丹明6GCopyright 2006 TSI Incorporated喷雾诊断系统(Spray Analysis)Copyright 2006 TSI Incorporated水平射流分析 将激光片光源布置成水平方向 对焦并拍摄粒子图像 进行拍摄角度视觉校正 流场模式分析校正前校正后拍摄校正Copyright