一種用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位儀的製作方法

2023-09-17 03:04:50 2

專利名稱：一種用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位的儀器，屬於流體力學 實驗技術領域。
背景技術：
粒子圖像測速儀(Particle Image Velocimetry，縮寫PIV)是一種基於流場圖像 互相關分析的非接觸式流場測量技術，可實現二維和三維流場無擾動測量，是現代流場測 試強有力的工具，研究流場結構的重要手段，在流體力學、生物力學、航空航天、海洋水利等 眾多領域獲得了廣泛的應用。PIV技術相關的設備都有標準商用配置產品出售，國內眾多 研究機構都購置了 PIV設備，主要包括雷射器，圖像採集相機(CCD)，同步控制器，粒子發生 器，數據處理計算機等部件，其工作原理是由雷射片光面(可調範圍0. 5 2. 5mm)在短間 隔時間內多次照射均勻分布粒子的流場待測平面，CCD相機同步捕獲圖像，對連續兩幅流場 圖像進行互相關分析，計算流場速度矢量。而實際使用過程中，獲得精準速度場的前提就是 確保流場待測平面、雷射片光面和CCD相機拍攝平面的三面重合，PIV廠商提供了簡單的標 定平板來達到以上目的，實際上是用肉眼觀察的經驗方法，如板的定位、標識點識別等，耗 時且煩瑣，實用中有很多不確定性，使測量結果具有較大人為誤差，這種不可控的誤差在精 細測量中是不能被容忍的。因此，為提高PIV測量精度和可信度，需要建立規範、科學的標 定裝置。

發明內容
本發明提供一種用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位的儀器，該儀器可以實 現流場待測平面、雷射片光面和CCD相機拍攝平面的三面重合，提高PIV測試精準度。本發明的技術方案如下一種用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位儀，其特徵在於該定位儀包括三 維坐標調節架和雷射片光校正系統；所述的三維坐標調節架包括Z向坐標架、Y向坐標架、X 向坐標架、前定位十字標尺、後定位十字標尺、旋轉基座和底座；所述的雷射片光校正系統 包括上下兩塊結構相同的雷射片光校正板、對焦標尺、光電檢測板和光電指示器；在雷射片 光上校正板和雷射片光下校正板上均平行布置一組不同寬度的狹縫；所述的對焦標尺設置 在兩塊雷射片光校正板對應的狹縫之間；雷射片光通過雷射片光上校正板和雷射片光下校 正板對應的狹縫照射在光電檢測板上，光電檢測板通過信號線與光電指示器相連接；所述 的兩塊雷射片光校正板和光電檢測板由上至下設置在Z向坐標架上，並沿Z向坐標架上下 移動；所述的Z向坐標架垂直安裝在Y向坐標架上，並沿Y方向移動，Y向坐標架安裝在X 向坐標架上，並沿X方向移動；所述的前定位十字標尺和後定位十字標尺平行設置在X向坐 標架兩端；所述的X向坐標架設置在所述的旋轉基座上，旋轉基座安裝在底座上。本發明的技術特徵還在於在Y向坐標架上設有兩條Y向滑軌和Y向絲槓，所述的 Z向坐標架垂直安裝在兩條Y向滑軌上，並與Y向絲槓連接，絲槓轉動帶動Z向坐標架沿滑軌在Y方向移動；在X向坐標架上設有兩條X向滑軌和X向絲槓，所述的Y向坐標架安裝在 X向坐標架上的兩條滑軌上，並與X向絲槓連接，絲槓轉動帶動Y向坐標架沿X向滑軌在X 方向移動。本發明所述的Z向坐標架上設有豎嚮導槽，所述的雷射片光上校正板和雷射片光 下校正板沿導槽上下移動。所述的旋轉基座通過水平調節旋鈕安裝在底座上，並通過角度 調節旋鈕使旋轉基座在水平面內360°旋轉。本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果使用三維坐標調節架可精 確確定測試平面位置，通過雷射片光校正系統實現流場測試平面、雷射片光面和相機拍攝 平面的三面重合，並利用光電檢測裝置自動檢測重合度，避免了以往肉眼觀察等經驗標定 方法帶來的人為誤差，使粒子圖像測速儀標定過程更為簡易、規範和準確。


圖1為本發明三維雷射測準定位儀示意圖。圖2為三維坐標調節架俯視結構示意圖。圖3為三維坐標調節架主視結構示意圖。圖4為本發明三維雷射測準定位儀的應用示意圖。圖中1_雷射片光上校正板；2-雷射片光下校正板；3-對焦標尺；4-光電檢測板； 5_光電指示器；6-Z向坐標架；7-Y向坐標架；8-X向坐標架；9-前定位十字標尺；10-後定 位十字標尺；11-旋轉基座；12-支座；13-Y向滑軌；14-Y向絲槓；15-Y向絲槓旋鈕；16-X 向滑軌；17-X向絲槓、18-X向絲槓旋鈕、19-角度調節旋鈕、20-水平調節旋鈕。21-雷射 頭、22-雷射頭姿態調整架、23-導光臂、24-雷射器、25-CXD相機、26-CXD相機姿態調整架、 27-PIV控制和採集主機。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發明的具體結構、原理、工作過程，但不應以此限制本 發明的保護範圍。圖1是本發明提供的一種用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位儀的結構示 意圖，該定位儀包括三維坐標調節架和雷射片光校正系統；所述的三維坐標調節架包括Z 向坐標架6、Y向坐標架7、X向坐標架8、前定位十字標尺9、後定位十字標尺10、旋轉基座 11和底座12 ；所述的雷射片光校正系統包括上下兩塊結構相同的雷射片光校正板、對焦標 尺3、光電檢測板4和光電指示器5 ；在雷射片光上校正板1和雷射片光下校正板2上均平 行布置一組不同寬度的狹縫；所述的對焦標尺3設置在兩塊雷射片光校正板對應的狹縫之 間；雷射片光通過雷射片光上校正板和雷射片光下校正板對應的狹縫照射在光電檢測板4 上，光電檢測板通過信號線與光電指示器5相連接；所述的兩塊雷射片光校正板和光電檢 測板由上至下設置在Z向坐標架6上，雷射片光上校正板1和雷射片光下校正板2通過設 置在Z向坐標架上的豎嚮導槽沿Z向坐標架上下移動。所述的Z向坐標架6垂直安裝在Y 向坐標架7上，並沿Y方向移動，Y向坐標架7安裝在X向坐標架8上，並沿X方向移動；所 述的前定位十字標尺9和後定位十字標尺10平行設置在X向坐標架8兩端；所述的X向坐 標架8設置在所述的旋轉基座11上，旋轉基座11安裝在底座12上。旋轉基座11通過水平調節旋鈕20安裝在底座12上，並通過角度調節旋鈕19使旋轉基座11在水平面內360° 旋轉。圖2和圖3分別為三維坐標調節架俯視和主視的結構示意圖。雷射片光校正系統 安裝在三維坐標調節架的Z向坐標架6上，三維坐標調節架實現雷射片光校正系統的360° 旋轉和X、Y、Z三個方向上移動，精確定位流場待測平面，保證流場待測平面和光向校正面重合。利用本發明可實現PIV流場測試平面、雷射片光面和相機拍攝平面的三面重合， 以測試平行於風洞縱向對稱面的流場為例，應用示意圖見圖4，包括如下步驟a)建立垂直於水平面的雷射片光校正面。通過Z向坐標架上的豎嚮導槽，上下移 動雷射片光上校正板1和雷射片光下校正板2至適當位置，雷射片光上校正板1和雷射片 光下校正板2上對應的狹縫與對焦標尺3構成垂直於支座12的雷射片光校正面，通過水平 調節旋鈕20調整支座12水平，從而實現雷射片光校正面位於垂直面內。b)定位流場測試平面，使測試平面與雷射片光校正面重合。流場測試平面是垂直 於水平面，與風洞縱向對稱面平行的已知平面，結合風洞中的測試設備，如經緯儀，通過前 定位十字標尺9和後定位十字標尺10定位與測試平面的位置關係，使用角度調節旋鈕19 旋轉基座12，調整雷射片光校正面與流場待測面平行，再利用X向坐標架和Y向坐標架移動 雷射光向校正面與流場待測平面重合。c)調整雷射片光面與雷射片光校正面重合。雷射器23產生雷射，通過導光臂22 使雷射到達雷射頭21，產生雷射片光面，雷射頭安裝在雷射頭姿態調整架22上，通過姿態 調整架22調整雷射片光面通過雷射片光上、下校正板對應的狹縫，並被光電檢測板4捕獲， 光電指示器5指示雷射片光面與雷射片光校正面重合。d)調整CCD相機拍攝平面與雷射片光校正面重合。通過雷射片光上、下校正板的 狹縫安裝的對焦標尺3，調整CCD相機25的光圈、焦距，並通過相機姿態調整架26調整相機 位置和角度姿態，消除透視和相機透鏡本身的圖像失真，同時在PIV控制和採集計算機27 中監視圖像變化，以獲取對焦標尺的最佳圖像效果，保障CCD相機聚焦平面與光向校正面重合。通過以上步驟，調整實現了流場測試平面、雷射片光面、CCD相機拍攝平面皆與激 光片光校正面重合，從而實現了流場測試平面、雷射片光面、CCD相機拍攝平面的三面重合。在拍攝垂直面流場時，除圖4中雷射片光從上向下照射外，還有一種常用的方式， 即雷射頭水平放置，片光從左向右(或從右向左)垂直水平面照射。針對這種情況，在X-Z 平面內90度旋轉Z方向坐標架6，使設置在其上的雷射片光校正系統旋轉90度即可實現， 其它部件保持不變。當需要拍攝水平面流場時，在Y-Z平面內90度旋轉Z方向坐標架6，同樣設置在其 上的雷射片光校正系統也在Y-Z平面旋轉90度，雷射頭和CCD相機相互調換位置，即片光 從左向右(或從右向左)平行水平面照射，CCD相機垂直水平面向下拍攝。
權利要求
一種用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位儀，其特徵在於該定位儀包括三維坐標調節架和雷射片光校正系統；所述的三維坐標調節架包括Z向坐標架(6)、Y向坐標架(7)、X向坐標架(8)、前定位十字標尺(9)、後定位十字標尺(10)、旋轉基座(11)和底座(12)；所述的雷射片光校正系統包括上下兩塊結構相同的雷射片光校正板、對焦標尺(3)、光電檢測板(4)和光電指示器(5)；在雷射片光上校正板(1)和雷射片光下校正板(2)上均平行布置一組不同寬度的狹縫；所述的對焦標尺(3)設置在兩塊雷射片光校正板對應的狹縫之間；雷射片光通過雷射片光上校正板和雷射片光下校正板對應的狹縫照射在光電檢測板(4)上，光電檢測板通過信號線與光電指示器(5)相連接；所述的兩塊雷射片光校正板和光電檢測板由上至下設置在Z向坐標架(6)上，並沿Z向坐標架上下移動；所述的Z向坐標架(6)垂直安裝在Y向坐標架(7)上，並沿Y方向移動，Y向坐標架(7)安裝在X向坐標架(8)上，並沿X方向移動；所述的前定位十字標尺(9)和後定位十字標尺(10)平行設置在X向坐標架(8)兩端；所述的X向坐標架(8)設置在所述的旋轉基座(11)上，旋轉基座(11)安裝在底座(12)上。
2.根據權利要求1所述的用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位儀，其特徵在於 在Y向坐標架(7)上設有兩條Y向滑軌(13)和Y向絲槓(14)，所述的Z向坐標架(6)垂直 安裝在兩條Y向滑軌上，並與Y向絲槓連接，絲槓(14)轉動帶動Z向坐標架(6)沿滑軌在 Y方向移動；在X向坐標架⑶上設有兩條X向滑軌(16)和X向絲槓(17)，所述的Y向坐 標架(7)安裝在X向坐標架(8)上的兩條滑軌上，並與X向絲槓連接，絲槓轉動帶動Y向坐 標架(7)沿X向滑軌在X方向移動。
3.根據權利要求1或2所述的用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位儀，其特徵在 於在Z向坐標架(6)上設有豎嚮導槽，所述的雷射片光上校正板(1)和雷射片光下校正板 (2)沿導槽上下移動。
4.按照權利要求1所述的用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位儀，其特徵在於 旋轉基座(11)通過水平調節旋鈕(20)安裝在底座(12)上，並通過角度調節旋鈕(19)使 旋轉基座(11)在水平面內360°旋轉。
全文摘要
一種用於粒子圖像測速儀的三維雷射測準定位儀，屬於流體力學實驗技術領域。該定位儀包括三維坐標調節架和雷射片光校正系統，三維坐標調節架包括Z向坐標架、Y向坐標架、X向坐標架、前定位十字標尺、後定位十字標尺、旋轉基座和底座；雷射片光校正系統包括上下兩塊結構相同的雷射片光校正板、對焦標尺、光電檢測板和光電指示器。本發明使用三維坐標調節架可精確確定測試平面位置，通過雷射片光校正系統實現流場測試平面、雷射片光面和相機拍攝平面的三面重合，並利用光電檢測裝置自動檢測重合度，避免了以往肉眼觀察等經驗標定方法帶來的人為誤差，使粒子圖像測速儀標定過程更為簡易、規範和準確。
文檔編號G01P1/00GK101900744SQ20101021703
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月23日 優先權日2010年6月23日
發明者周凱, 張衛國, 張洪軍, 徐勝金 申請人:清華大學