[发明专利]一种转子试验台PIV单次锁相信号多次高频拍摄方法

说明书

本发明属于流场速度测试技术领域，涉及流场速度参数的测量装置。本发明公开了一种单次锁相信号高频多次触发相机拍摄的SPIV系统。本发明所提出的单次锁相信号高频多次触发相机拍摄的SPIV系统，能够实现旋转机械转子通道内高频连续拍摄。其特征在于：包含光纤传感器、旋转编码器、降压模块、信号发生器、同步器、CCD相机、高频激光器、导光臂；所述光纤传感器器和旋转编码器可以输出锁相信号；所述降压模块可以对24V高电平信号进行降压至5V标准控制信号电压；所述信号发生器可以在外部触发下生成特定频率和上升沿时间的控制信号；所述同步器负责接受信号发生器传输的控制信号；所述高频激光器是一台双腔Nd：YAG高频激光器。

技术领域

本发明属于流场速度测试技术领域，涉及流场速度参数的测量装置，具体涉及到一种单次锁相信号高频多次触发SPIV系统相机拍摄的方法。

背景技术

目前在航空发动机内流实验测试中，比如压气机、涡轮叶片通道内三维流场参数测量时，包括径向速度、漩涡识别等，一般采用热线、LDV、PIV系统实现。

PIV系统，因其能够对截面上的流体速度场进行捕捉和重现，优于热线对点的速度的捕捉，获得较为广泛的区域的瞬间或者时均的速度场参数，被广泛使用。

PIV系统的技术原理是将示踪粒子撒播在流场中，通过激光片光源将被测截面照亮，截面上运动的粒子的运动轨迹在相对较短的时间内通过相机拍摄记录。根据图像处理的算法，计算出粒子在截面内的运动轨迹长度，除以两张照片的间隔时间，计算出粒子的运动速度。整个截面的粒子速度测量在很短的时间内完成，所得到的是一个速度场。PIV系统根据其可以得到的速度场的维度可以分为二维 PIV系统和三维PIV系统。这两种PIV系统获取速度场的原理相同，不同在于获取第三个维度的速度所需要的相机数量和其摆放方式不同。二维PIV系统只能够捕捉截面两个方向的速度，不能够捕捉垂直于截面的速度参数，如附图1所示。

PIV系统测量流场最为关键的就是获取速度场参数，除去维度上的差别之外， PIV系统的整体工作频率，也就是相同时间内拍摄的照片的张数也是重要的参数。

在航空发动机内流测试领域，强三维、强非定常的流动对于高频三维PIV系统的需求日益迫切。因为发动机内流实验中三个方向的速度均为重要的参数，需要发展三维PIV系统进行捕捉,其系统简图如附图2所示。高拍摄频率带来的技术革新能够给旋转试验件的叶片通道内流场的非定常特征的研究带来质的突破。

在航空发动机研究领域，叶栅实验和转子实验应用较为广泛。叶栅实验，即将发动机叶片转化为静止的叶片，在风洞中开展的平面叶栅实验和环形叶栅实验。转子实验，即模拟真实压气机、涡轮旋转状态下的流场，对其展开实验研究。针对叶栅实验，如附图3所示。由于不涉及转动部件，不需要锁相信号的触发，采用PIV系统的最大拍摄频率进行实验即可。

针对转子实验台，由于转子叶片的高速旋转，如何控制PIV进行拍摄则需要引入外部触发装置。常用的外部触发即为锁相信号，即转子旋转一圈输出一个信号，也可以实现转一圈输出多个信号。输出的信号传输到PIV系统控制相机和激光的同步动作，实现速度场的捕捉和分析。目前采用较多的转子SPIV实验的方法大多采用旋转编码器安装于驱动电机轴的端部，通过拾取一周一个高电平TTL 信号传输到同步器，同步器通过外部触发信号获取功能，触发自身信号发生三个 TTL信号给两台相机和激光器，控制激光器的脉冲激光发射和相机的配合同步拍摄照片。当前的SPIV系统中的高频拍摄，是通过双腔激光器氙灯放电产生高频激光脉冲，配合高速相机，软硬件结合，获得频率较高的拍摄结果。