[发明专利]流体三维速度场及变形体三维形貌的同步测量装置

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及流体三维速度场与流体中变形体三维形貌的同步测量装置。

背景技术

与流体现象相关的行业与研究领域对全流场的三维速度等参数进行定量化测量的需求非常巨大。发展最为成熟的一种流场测量手段即粒子图像测速(PIV)技术。PIV技术利用激光器、示踪粒子和专用PIV相机构成测量系统，基本原理是利用示踪粒子对片层激光的散射作用,在PIV相机上记录下两次极短间隔激光脉冲时粒子的曝光图像,再使用自相关或互相关算法对两次图像进行匹配计算从而获得计算区域的流场速度矢量。PIV技术除了需要使用示踪粒子外，具有瞬态、多点和无接触的优点。传统PIV测量系统只有一束片层激光和一台相机，因而只能得到光照平面处流场的两个速度分量，局限很大。在传统PIV测量系统上添加一个相机或者把片层激光扫过流场，就构成了最常见的3D-PIV测量系统。这种3D-PIV测量系统仍只能提供光照平面处的三个速度分量，不能得到真三维速度场。在3D-PIV技术上把片层激光扫描和多相机技术结合，构成了最先进的体视层析粒子(Tomo-PIV)测量系统来获得真三维速度场，但这种Tomo-PIV测量系统使用多台专业的PIV相机，价格昂贵且各层速度场的融合计算量巨大，但仍不能解决柔性板在液体中低速摆动等现象的流场与变形体同步测量。CN201210208458.7中公开了一种采用单镜头的三维流场图像测量装置及方法，特点是采用偏振光源照明待测流场；通过分光棱镜将相机镜头进来的光线分为两路，并分别用偏振片进行检偏，采用两个CCD或CMOS图像传感器分别成像。该装置降低了成本，能从离焦量反解出第三个速度分量，但仍无法对流场和流场中的变形体进行同步测量。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有流场测量系统的不足，提供一种能够实现低速复杂流体三维速度场与流体中变形体三维形貌同步测量的装置。

本发明所涉及的流体三维速度场及变形体三维形貌的同步测量装置，包括大功率可控脉冲LED光源1，脉冲同步器2，帧曝光式数字相机3，大景深镜头4和相机支架5，所述大功率可控脉冲LED光源1布置于待测流场上或通过观察窗照射待测流场区域的粒子及变形体6，所述脉冲同步器2连接可控脉冲LED光源1和帧曝光式数字相机3，所述帧曝光式数字相机3固定于相机支架A5上且拍摄方向均指向于待测流场同一区域，所述大景深镜头4安装于帧曝光式数字相机3上；

所述大功率可控脉冲LED光源1可发出一种或两种可见单色光，光源为一种色光时装置至少使用两台光源且两台色光不相同，光源为两种色光时装置至少使用一台光源，工作时装置全部光源所能发出的单色光种类限定两种，LED光源每种色光的发光脉冲宽度可控，范围为0.1微秒到1000微秒；

所述脉冲同步器2产生相机触发信号，第一次闪光脉冲信号和第二次闪光脉冲信号，相机触发信号连接到帧曝光式数字相机3，两次闪光脉冲信号分别连接到大功率可控脉冲LED光源1的不同单色光；

所述帧曝光式数字相机3为彩色成像，数量不少于2台，曝光时间范围为0.1微秒到10秒，分辨率为30万到1500万像素。

本发明的流体三维速度场及变形体三维形貌的同步测量装置工作的基本过程是：使用大景深镜头4和多台帧曝光式数字相机3同时从多个角度拍摄流场中同一待测区域的示踪粒子和变形体6的清晰图像，在各相机每次曝光的时间内大功率可控脉冲LED光源1闪光2次，闪光的间隔时间由脉冲同步器2精确控制。每次闪光时刻的粒子成像都会叠加到该次曝光图像里最终构成单帧双曝光图像。两次曝光时使用不同单色光，因此依靠各图像上LED光源闪光时示踪粒子像点色彩信息可以把单帧双曝光图像分离成双帧图像，并由通用的3D-PIV粒子互相关算法等计算得到流场三维速度分布。依靠多相机的多视角图像之间的关系可以用立体视觉图像测量原理计算得到同一时刻变形体部分的三维形貌。

本发明的流体三维速度场及变形体三维形貌的同步测量装置利用LED光源的大功率、体发光、高响应和低成本特点取代PIV系统昂贵的激光器及复杂的光路，用脉冲同步器实现单帧内双色光曝光取代昂贵的专用PIV相机的跨帧曝光功能，因而成本大大降低。多相机与多色彩提供了流场与变形体更丰富的原始信息，因而能够方便的同时计算流场与变形体。本发明对低流速的三维复杂流场和流固耦合现象的测量优势显著。

附图说明

图1是实施例1使用4台相机2台LED光源的同步测量装置示意图；

图2是本发明所述的同步测量装置脉冲同步信号时序示意图；

图3是实施例2使用4台相机3台LED光源的同步测量装置示意图；