粒子圖像測速儀課件

1、 粒子圖像測速系統(tǒng)（PIV）TSI Fluid Mechanics Team PIV 簡介PIV技術(shù)可以提供為流體動力學(xué)研究提供獨特的視角, 提供流動特性的空間結(jié)構(gòu)信息TSI 研發(fā)并提供了如下系統(tǒng) V3V體測量技術(shù) 2008多相流PIV處理技術(shù) 2007GP 算法使顆粒粒徑信息可以從PIV圖像中分離出來 2006GP 算法使 最高分辨率的PIV分析成為可能 2006本征正交分解（POD） PIV 數(shù)據(jù)分析2006Hyperstreaming 系統(tǒng)2006本征正交分解（POD） PIV數(shù)據(jù)分析 20052MP, 4MP 相機(jī)的像素組合功能 2005GSV 系統(tǒng) 單相機(jī)實現(xiàn)粒徑和速度的同時測量 2

2、005POWERVIEW 11M 11 M 相機(jī) 2005同時 PIV/PLIF 測量系統(tǒng) 2004全場噴射診斷系統(tǒng) 2004INSIGHT3G: 基于.Net 平臺設(shè)計軟件 2004INSIGHT 6 軟件平臺 2004第二代PIV專用CCD相機(jī) (4MP & 2MP) 2004HIFR PIV 系統(tǒng) 2003采用專利技術(shù)設(shè)計的MicroPIV 系統(tǒng) 2003第一個采用獨特的 為PIV技術(shù)設(shè)計的2Kx1K PIV 數(shù)字化CCD 2002第一個采用獨特的 為PIV技術(shù)設(shè)計的2Kx2K PIV 數(shù)字化CCD 2001第一套超級PIV系統(tǒng) 2000第一套商用優(yōu)化PIV系統(tǒng) 1998第一套商用系統(tǒng)1

3、988技術(shù)上的快速更新相機(jī), 計算機(jī), .Copyright 2006 TSI IncorporatedPIV - 原理t - 兩個脈沖激光的時間間隔x X方向顆粒位移y Y方向顆粒位移A點顆粒速度ux = x/t 當(dāng) t 0uy = y/t 當(dāng) t 0流動平面激光片光源xyA. .Copyright 2006 TSI Incorporated相關(guān)運算顆粒位移診斷區(qū)域互相關(guān)運算結(jié)果速度場互相關(guān)第一幀第二幀診斷區(qū)域Copyright 2006 TSI IncorporatedPOWERVIEWTM PIV 系統(tǒng)二維系統(tǒng)三維系統(tǒng)Copyright 2006 TSI IncorporatedPIV

4、系統(tǒng)連接成像子系統(tǒng) 脈沖激光器光臂片光源圖像拍攝子系統(tǒng) CCD相機(jī)圖像采集板同步器實驗輔助系統(tǒng) 示蹤粒子添加系統(tǒng) 遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng) 立體標(biāo)定系統(tǒng)及其底座處理軟件 提供采集、分析、處理和顯示PIV結(jié)果 Tecplot流場顯示軟件Copyright 2006 TSI Incorporated系統(tǒng)連接原理圖外部觸發(fā)激光控制相機(jī)圖像卡觸發(fā)顆粒發(fā)生裝置計算機(jī)Copyright 2006 TSI Incorporated激光器（Nd:YAG）雙脈沖激光器工作溫度540度，1090濕度內(nèi)循環(huán)冷卻水采用去離子水作為冷卻水，3個月更換長途搬運前，先排干冷卻水Copyright 2006 TSI Incorporat

5、ed脈沖激光器安全200mJ/pulse, 3-5ns脈寬對應(yīng)于瞬時功率最高: 200mJ/5ns=4*107W禁止在激光光路上觀察激光實驗時，戴激光保護(hù)眼鏡實驗人員運行激光器時，注意提醒其他人員防止激光穿過門、窗Copyright 2006 TSI Incorporated脈沖激光能量 和 Q開關(guān) 延時之間的關(guān)系Q開關(guān)延時 (微秒)脈沖能量 最大能量的百分?jǐn)?shù)50100150200250300100%80%60%40%20%0%Copyright 2006 TSI IncorporatedCCD相機(jī)CCD相機(jī)是一個高敏感的元件工作溫度-5度40度，1080濕度要求防止強(qiáng)光對于CCD的損壞在實驗

6、中，避免出現(xiàn)大面積的過曝光拆卸相機(jī)截圈時，注意防止光線直接進(jìn)入CCDCopyright 2006 TSI IncorporatedTSI POWERVIEW Plus 系列相機(jī)的獨特功能標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)基于普通光照下的圖像拍攝設(shè)計 (無激光)POWERVIEW Plus 系列相機(jī) 基于激光照明下圖像拍攝設(shè)計獨特的保護(hù)罩設(shè)計POWERVIEW Plus 系列相機(jī)的保護(hù)罩并不是對CCD陣列的遮擋是對相機(jī)電子線路的保護(hù)防止強(qiáng)光照射下對CCD中電子線路的損壞Camera Circuitry保護(hù)罩CCD 陣列Copyright 2006 TSI IncorporatedPIV系統(tǒng)中的相機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程 Sch

7、eimpflug調(diào)節(jié)控制遠(yuǎn)程調(diào)焦遠(yuǎn)程光圈調(diào)節(jié)使用環(huán)境 水下測量, 大型風(fēng)洞需要遠(yuǎn)距離控制CCD拍攝的場合Copyright 2006 TSI Incorporated光臂高能激光束全封閉傳遞YAG激光器最高能量輸出可達(dá)500mJ/脈沖標(biāo)準(zhǔn)長度 - 1.8 米Copyright 2006 TSI Incorporated激光片光源緊湊透鏡組合設(shè)計采用柱透鏡和球透鏡的組合提供片光源厚度和擴(kuò)展角度的控制柱透鏡球透鏡光腰Copyright 2006 TSI Incorporated同步器610036型號：同步精度0.25ns控制激光器、CCD相機(jī)的工作時序適合PIV，PLIF實驗外觸發(fā)功能：可用于條件

8、采樣、周期性流場、鎖相測量Copyright 2006 TSI Incorporated工作時序幀 1幀 2相機(jī)曝光最短跨幀時間激光脈沖脈沖 1脈沖 2t延遲時間脈沖間隔時間Copyright 2006 TSI Incorporated外部觸發(fā)使得PIV測量可以在特定的時刻進(jìn)行基于同步器接收到的外部觸發(fā)信號實驗觸發(fā)同步器 (注時序控制) 同步器觸發(fā)激光器和CCD并開始圖像拍攝的工作需要一個可以被精確觸發(fā)的CCD相機(jī)同步器可以在一個指定的時間延遲后觸發(fā)激光器軸編碼信號時間延遲 相機(jī)觸發(fā)震蕩或周期流動相機(jī)觸發(fā)閥門打開延遲時間Copyright 2006 TSI Incorporated外觸發(fā)鎖相功

9、能同步器610036具備外觸發(fā)鎖相以及外部門控信號控制功能，例如：測試攪拌槽流場,這個功能對于研究攪拌槽內(nèi)流場非常重要，可有效的避免擬湍流現(xiàn)象。在攪拌槽內(nèi)，特別是槳葉排出流區(qū)附近，旋轉(zhuǎn)的槳葉會引起較強(qiáng)的周期性運動，采用外觸發(fā)鎖相功能得到的湍流數(shù)據(jù)中將包含槳葉的周期性運動分量，即擬湍流成份。Copyright 2006 TSI Incorporated示蹤粒子的選擇和添加，選擇示蹤粒子的原則：1.跟隨性：粒徑越小，比重越小，跟隨性越好2.散射光強(qiáng)度：粒徑越大，強(qiáng)度越大3.實驗現(xiàn)場條件水中實驗：812um的比重約比水大的粒子空氣實驗：15um油滴、水滴、固體顆粒燃燒實驗：氧化鈦，氧化鐵，氧化硅等耐

10、高溫粒子，13um高速實驗：0.3-1um固體、液態(tài)粒子，盡可能高的反射率（可在表面涂層），配高能量的激光器Copyright 2006 TSI IncorporatedInsight 4G功能強(qiáng)大、完整、精確的圖像采集，分析與顯示軟件包Win7- 64bit 計算機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)存可擴(kuò)展至 128 GB簡單易用，功能穩(wěn)定處理速度快Turbo 編碼提高數(shù)據(jù)處理速度以太網(wǎng)分布式處理方式不同實驗的宏命令批處理方式 可跟蹤每步的處理進(jìn)展流水線型文件結(jié)構(gòu)所有硬件的完全控制 內(nèi)嵌TecPlot軟件包動態(tài)鏈接MATLABINSIGHT 4G獨特功能軟件包可用于：PIVMicroPIV高幀率 PIVPLIF超高

11、分辨率PIV (SRPV)PIV/PLIF同時測量立體 PIV射流分析及流動模式分析Copyright 2006 TSI IncorporatedINSIGHT 4G采用了最為前沿和先進(jìn)的處理技術(shù)和軟件包設(shè)計獨特性5項專利技術(shù)于研究人員協(xié)作開發(fā)了獨特的分析方案和技術(shù)實現(xiàn)路線Hart 相關(guān) 專利技術(shù)更高的分辨率MSWA (Meinhart, Santiago, Wereley, Adrian) 算法 專利技術(shù)微流動, 背景消除, 相關(guān)平均 Rohaly- Hart 分析 專利技術(shù)加快處理速度，優(yōu)化處理方法GW 算法 and 改進(jìn) GW算法大速度梯度流動, 高剪切流動窗口平移, 變形網(wǎng)格, 二階插

12、值PM 分析算法 專利技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合了顆粒跟蹤和粒徑分析GP 算法 專利技術(shù)的應(yīng)用在同樣的圖像中獲得最大的空間分辨率Copyright 2006 TSI Incorporated目錄樹結(jié)構(gòu)及引導(dǎo)直覺的繼承式文件系統(tǒng)鼠標(biāo)拖拽即可實現(xiàn) 打開文檔及分析文件內(nèi)容鼠標(biāo)右鍵敲擊可以設(shè)置 當(dāng)前運行實驗設(shè)置 或刪除、修改或重排目錄中的文件Copyright 2006 TSI Incorporated交互式圖形界面時間參數(shù)設(shè)置動態(tài)鏈接到用戶的設(shè)定值可以直觀檢驗跨幀PIV中每一個脈沖激光的有效性檢驗延遲及門限時間參數(shù)的有效性具有放大顯示功能具有外觸發(fā)設(shè)定功能Copyright 2006 TSI Incorpora

13、ted可視化宏編輯可以在完全的圖像模式下自動的進(jìn)行圖像的拍攝, 條件處理, 分析, 及有效性檢驗用鼠標(biāo)的“拖”“拽”就可完成編輯過程不需要進(jìn)行任何程序的編寫！Copyright 2006 TSI Incorporated圖像分析: 感興趣區(qū)域的劃分矩形, 直線, 或任意多邊形區(qū)域選擇的區(qū)域可以是不連續(xù)的可以通過鼠標(biāo)拖拽選擇區(qū)域，也可以直接輸入坐標(biāo)值在感興趣的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計分析可以作為其他結(jié)果的區(qū)域模版，也可以作為處理網(wǎng)格直線區(qū)域可以直接給出砸直線上的灰度分布即可以采用原始圖像的灰度顯示，也可以采用標(biāo)量場分析結(jié)果來顯示Copyright 2006 TSI Incorporated偽彩顯示LUT功

14、能用戶可以使用自己的偽彩方案或利用軟件中已有的方案偽彩或用戶定義的灰度級顯示線性或?qū)?shù)放大顯示用戶可以自行調(diào)整顯示關(guān)系用戶可自行選擇過曝光像素的顯示顏色Copyright 2006 TSI Incorporated更多的PIV數(shù)據(jù)的拍攝采集處理功能數(shù)據(jù)處理引擎包含 FFT, 超級 FFT, 直接相關(guān), Hart 相關(guān) 以及 Rohaly-Hart方案Rohaly-Hart 方案可以加速處理過程且優(yōu)化處理效果遞規(guī)處理方案由以下算法組成 窗口平移, 變形網(wǎng)格, 二階差值 及集合平均相關(guān)二階差值函數(shù) 在線交互式處理，對矢量的有效性判斷可以進(jìn)行批處理在線圖像拍攝, 矢量分析及數(shù)據(jù)有效性檢驗以優(yōu)化實驗參

15、數(shù)Copyright 2006 TSI IncorporatedRohaly - Hart 分析Prof. Hart專利性工作的擴(kuò)展 (MIT)特點從圖像中處理出更多的速度矢量可以得到用傳統(tǒng)的方法根本無法得到的流場細(xì)節(jié)處理途徑從最小的空間分辨率開始處理如果沒有得到矢量或得到的結(jié)果無效則用周圍的圖像增加相關(guān)的分析的數(shù)據(jù)來源 強(qiáng)大的系統(tǒng)功能INSIGHT 3G 軟件包的一部分Copyright 2006 TSI Incorporated超高分辨率從一群顆粒的分析到單個顆粒的分析采用了獨特的處理方案得到了最高分辨率的結(jié)果盡可能高分辨率的速度場處理結(jié)果從單個顆粒的速度還原到流場網(wǎng)格上的速度值得到詳細(xì)的

16、統(tǒng)計特性顆粒速度的超高分辨率分析結(jié)果Copyright 2006 TSI Incorporated基于每個顆粒的分析基于網(wǎng)格的速度處理結(jié)果顆粒速度的超高分辨率分析結(jié)果Copyright 2006 TSI Incorporated粒徑分布粒徑和速度Copyright 2006 TSI IncorporatedPOD 分析結(jié)果顯示圖形顯示 不同模式對總能量的貢獻(xiàn)相對能量的水平 POD 模式的函數(shù)Copyright 2006 TSI Incorporated本征正交分解（POD）給出每一模式對流動的貢獻(xiàn)旋渦流動Copyright 2006 TSI Incorporated2D PIV標(biāo)定 二維標(biāo)定方

17、式得到實際長度和CCD 像素之間的關(guān)系（放大率）；如果不經(jīng)過標(biāo)定過程，則得到的速度 結(jié)果為像素/秒（Pixel/s）；標(biāo)定得到Pixel-mm之間的關(guān)系；換算得到mm/s的真實速度值；PIV二維標(biāo)定Copyright 2006 TSI Incorporated三維標(biāo)定得到實際長度和CCD像素之間的關(guān)系（放大率、變形、兩個CCD的同一點像素對應(yīng)關(guān)系）PIV三維標(biāo)定立體PIV CCD布置圖（Scheimpflg條件）物面 (片光源平面)鏡頭物理平面CCD成像面拍攝區(qū)域(聚焦區(qū)域)片光源透鏡組Copyright 2006 TSI Incorporated由于相機(jī)傾斜產(chǎn)生的透視效果AABBBBAAAA

18、BB流場中的網(wǎng)格左相機(jī)拍攝的網(wǎng)格圖像右相機(jī)拍攝的網(wǎng)格圖像Copyright 2006 TSI Incorporated獲得映射函數(shù)標(biāo)定用長方形的矩形點陣網(wǎng)格作為標(biāo)定平面平面上包含很多點組成的矩陣 雙面雙邊 (DPDS) 靶盤由TSI公司引入無需坐標(biāo)架在標(biāo)定靶盤的兩邊分別由很多點組成的點陣，這些點分布在同一邊的不同面上標(biāo)定靶盤的網(wǎng)格定義和實際的空間坐標(biāo)系統(tǒng)將標(biāo)定靶盤與片光調(diào)整重合雙面雙邊標(biāo)定靶盤Copyright 2006 TSI Incorporated獨特功能INSIGHT 4G 分析軟件包中的內(nèi)置功能可以直接獲得映射函數(shù)不用標(biāo)定靶盤 (僅通過相機(jī)的參數(shù)尺寸及擺放位置)在內(nèi)流場測量標(biāo)定中的作

19、用在沒有邊壁的情況下產(chǎn)生映射函數(shù)然后再加入邊壁的影響用標(biāo)定靶盤進(jìn)行標(biāo)定修正 (立體自標(biāo)定)可自動修正由于靶盤和激光片光平面不重合帶來的誤差 Copyright 2006 TSI Incorporated三維標(biāo)定的目標(biāo)分解分析PIV三維標(biāo)定（x,y,z）片光源（標(biāo)定靶理想位置）（XL,YL）（XR,YR）左CCD右CCD片光源（標(biāo)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 透平瞬時三維速度場的測量結(jié)果 w=100 rpm University of Illinois 伊利諾

20、伊大學(xué)D. F. Hill, K. V. Sharp, R. J. Adrian Copyright 2006 TSI Incorporated集成化立體PIV系統(tǒng)水下應(yīng)用不對稱布置Camera 2Camera 1對稱布置Camera 1Camera 2Copyright 2006 TSI IncorporatedAxial velocity field at x = 0.59RCross flow at x = 0.59R意大利國立造船實驗研究所 (INSEAN)水下推進(jìn)器的流場測量近場尾跡: 軸向速度場Copyright 2006 TSI Incorporated水下推進(jìn)器的流場測量尾跡的

21、發(fā)展: 湍流流場X = 0.76 R X = 1.85 R X = 0.59 R X = 0.59 R 意大利國立造船實驗研究所 (INSEAN)Copyright 2006 TSI Incorporated火箭點火過程點火時序的測量Balakumar & AdrianUniversity of Illinois 伊利諾伊大學(xué)Copyright 2006 TSI Incorporated火箭點火過程 全場流動測量結(jié)果(t = 1.2s時15個測量結(jié)果的總體相關(guān)平均結(jié)果 )Balakumar & AdrianUniversity of Illinois 伊利諾伊大學(xué)Copyright 2006

22、TSI Incorporated超音速流動的PIV測量Courtesy: ISLSupersonic flow PIV measurementsumax 1400 m/secV- componentU - componentSupersonic flow PIV measurementsCopyright 2006 TSI Incorporated西北工業(yè)大學(xué) 液滴PIV實驗Copyright 2006 TSI Incorporated江蘇大學(xué)離心泵PIV實驗Copyright 2006 TSI Incorporated離心泵三維PIV測試結(jié)果Copyright 2006 TSI Incorp

23、orated南航3馬赫超音速噴嘴PIV實驗Copyright 2006 TSI IncorporatedMicroPIV系統(tǒng)Copyright 2006 TSI Incorporated帶熒光過濾光學(xué)模塊的顯微鏡計算機(jī)(后處理)激光顯微物鏡過濾單元擴(kuò)束鏡12 bit CCD 相機(jī)(2048 x 2048 pixels)焦平面發(fā)射光532 nm發(fā)射光模型 隔離片速度矢量熒光顆粒脈沖綠色激光 (532 nm) 照亮流動區(qū)域以及其中的顆粒.顆粒吸收后散射熒光, 熒光的波長與照射激光不同相機(jī)僅接收散射的熒光，即顆粒圖像經(jīng)過后處理后得到速度矢量場Copyright 2006 TSI Incorporat

24、ed微流動測量的過程細(xì)節(jié)流動入口流動出口流動被照亮的區(qū)域顯微鏡物鏡玻璃平板流動模型焦平面激光束Copyright 2006 TSI Incorporated微流動通道Copyright 2006 TSI IncorporatedMicro PIV 涉及的問題用熒光顆粒發(fā)出的熒光屏蔽掉壁面的散射光即 過濾掉入射的激光造成的所有散射光為適應(yīng)微小的測量環(huán)境，示蹤顆粒必須足夠小過于微小的顆粒布朗運動效應(yīng)會比較強(qiáng)烈體光源照射而不用片光源. 會造成不在焦距平面上的顆粒成像減少背景光影響 由于被測量管道很小而且顆粒濃度不高即使在低速流動中也需要較小的脈沖寬度以及較小的雙脈沖間隔需要脈沖激光Courtesy:

25、 R. J. AdrianCopyright 2006 TSI Incorporated背景消除技術(shù)帶背景的圖像背景Copyright 2006 TSI Incorporated消除背景后的圖象Flow around a bubbleCopyright 2006 TSI Incorporated微流動測量舉例擴(kuò)張微通道中的流動Image fieldVector fieldCopyright 2006 TSI IncorporatedPLIF 系統(tǒng)激光片光照亮一個流場平面片光照亮區(qū)域內(nèi)流場中的目標(biāo)元素吸收激光發(fā)射頻率的光, 把該元素原子激發(fā)到更高的能態(tài)高能態(tài)原子不穩(wěn)定，在衰減到低能態(tài)過程中放出光

26、子CCD陣列接收到這個放射出的光子形成的數(shù)字化圖像經(jīng)過分析處理得到元素種類 Copyright 2006 TSI Incorporated常用示蹤顆粒方案在流動中測量元素的熒光強(qiáng)度水流常用熒光染料測量濃度和溫度（或pH值）可以被YAG激光器激發(fā)氣流酮 (丙酮 或 3-戊酮) 常用來被 YAG激光器的266 nm 或 355 nm 波長的光激發(fā)可以使溫度和濃度測量定量化 燃燒問題酮用來跟蹤燃料分布, 或者可以利用燃料本身的熒光燃燒組分和化學(xué)反應(yīng)的中間產(chǎn)物 (例如 OH, NO, CO, CO2, NH, CH, 等等)Copyright 2006 TSI IncorporatedPIV-PLIF

27、 同時測量選擇最佳的相機(jī)組合PIV和PLIF分別使用不同的相機(jī) PIV和PIV使用相同的相機(jī) (POWERVIEW Plus 4MP) Copyright 2006 TSI Incorporated溫度測量PIV 和 PLIF 結(jié)果Copyright 2006 TSI IncorporatedPLIF 測量射流混合 濃度場圖示射流混合過程中的濃度場變化(AA截面的灰度變化)AACopyright 2006 TSI Incorporated上海大學(xué)PLIF實驗測量溫度場的羅丹明B，測量濃度場的羅丹明6GCopyright 2006 TSI Incorporated噴霧診斷系統(tǒng)(Spray Analysis)Copyright 2006 TSI Incorporated水平射流分析 將激光片光源布置成水平方向 對焦并拍攝粒子圖像 進(jìn)行拍攝角度視覺校正 流場模式分析校正前校正后拍攝校正Copyright