[发明专利]一种用于流速测量的高频图像采集系统

说明书

技术领域

本发明属于水利量测技术领域，特别涉及紊动流速场的高频量测。

背景技术

紊动水流的流速具有空间分布和时间连续的随机性。在流速测量的发展过程中，从传统的浮漂测距-计时法、毕托管、旋桨流速仪，到现代的电磁流速仪、热膜(丝)流速仪、激光流速仪等都为单点测量；超声流速仪则可以同时测量流速的垂线分布；近30年发展起来的粒子图像测速技术PIV(Particle Image Velocimetry)实现了从点、线到面的瞬时剖面流速场测量的跨越，为实验流体力学提供了新的测量技术，在水利学科则主要用于室内明渠水流的实验研究。该粒子图像测速技术已有了商用PIV成套设备，如美国TSI公司和丹麦Dantec公司生产的PIV系统(以下简称T&D系统)以及中国北京立方天地科技发展有限责任公司生产的PIV系统(以下简称立方系统)。

T&D系统的图像采集系统，如图1所示，主要包括镜头接口为F口(内径35mm)或C口(内径25mm)的高速摄像机11、F口或C口镜头12、两台脉冲激光光源13、组合透镜14、延时器15及同步控制器16。其基本工作原理是：延时器15控制两台脉冲激光器13分别从时刻t及时刻t+Δt以频率f₁重复发射脉冲激光束，脉冲激光束经组合透镜14转变为扇形激光片光后照亮待测流体中的示踪粒子17；在激光脉冲的瞬间，同步控制器16控制高速摄像机11进行曝光拍摄，记录下不同时刻测量区域18内示踪粒子图像作为运用粒子图像测速技术进行后续相关计算的依据。该系统的主要缺点在于需要对高速摄像机及激光光源进行同步控制，因而设备构造复杂、操作不便；同时，受脉冲激光源脉冲频率的制约，该系统的采集频率低，无法实现对紊流的连续测量。

为了改进T&D系统的不足之处，北京立方天地科技发展有限责任公司提出了立方系统。立方系统的图像采集系统，如图2所示，主要包括镜头接口为C口(25mm)或F口(35mm)的高速摄像机21、F口或C口镜头22、一台大功率连续激光器23和组合透镜24，其工作原理是：连续激光器发出的激光光束经组合透镜转换为扇形片光源照亮待测流体中的示踪粒子25，高速摄像机以频率f₂记录下不同时刻测量区域26内示踪粒子图像作为运用粒子图像测速技术进行相关计算的依据。相对T&D系统而言，立方系统设备构成及操作简化了许多，且可以实现高速拍摄，但由于连续激光源光束的强度较脉冲激光束低很多，为了使得示踪粒子被充分照明，需要选用功率高达10W的连续激光器。这样的连续激光器不仅价格昂贵，而且极易对水槽或风洞边壁的玻璃介质造成损伤，安全性较低；同时，如果激光器的功率很大，会在靠近水槽近底部分产生亮光条带(高光溢出)而无法拍摄清晰的粒子图像。

此外，该系统与T&D系统的共同缺陷还在于，其片光均呈扇形分布，因此，光强沿径向衰减，光强等值线呈弧线27。然而，实际测量过程中，摄像机的拍摄区域为矩形，且其底边一般与水流方向平行。因此，扇形片光的缺陷在于单次脉冲的光源强度无法被充分利用，因为大部分光强均没有经过拍摄区域；此外，由于片光强度等值线呈弧线，而测量范围为矩形，即平行于水槽的检测窗口中图像的强度也是随水流方向而变化的，这将会给后续流速场的计算带来误差。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种用于流速测量的的高频图像采集系统，该系统可以经济、安全、高频、高质量的实现图像采集，以连续测量明渠或管道流动。

本发明提出的一种用于流速测量的高频图像采集系统，其特征在于，该系统包括高速摄像机、镜头、连续激光器和组合透镜；其特征在于，所述高速摄像机配置有一个50mm大口径镜头接口，所述镜头为具有50mm大口径光圈的镜头、所述连续激光器采用一台最大功率为2W-5W的低功率连续激光器，所述组合透镜采用将所述激光器发出的光束转换成1mm厚矩形片光的一套组合透镜。

本发明的技术效果是：

1、以连续激光器为光源，采样频率由高速摄像机控制，可以明显提高采样速度，实现连续测量。

2、采样的连续激光器最大功率为2W-5W，相对于脉冲激光器和功率高达10W的连续激光器具有明显的经济性和安全性。

3、采用专门设计的透镜系统可将连续激光束转换为1mm厚的矩形激光，以提高激光的利用率；采用专门设计的接口配置大口径光圈的镜头，增加摄像机机进光量。以上两方面保证了摄像机可以获得高质量的图像。

附图说明