专利名称：基于单幅图像的粒子运动速度测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种粒子成像测试系统，特别是一种通过控制相机曝光时间获取的单幅图像得到粒子运动速度的测试系统。
背景技术：
粒子成像测速技术(Particle Image Velocimetry，简称PIV)是一种基于光学图像的速度测试技术，它通过散布在流体中示踪粒子对光的散射作用，将粒子在流场中的位置记录在图像媒介上，再利用粒子对流场的跟随性来测量粒子所在流体的运动速度。目前，在粒子成像测速技术中，通常是采用脉宽为纳秒级、专用的双脉冲激光器对一特定的平面内粒子在一定时间间隔内两次照明，并利用照相技术将这二次照明得到的瞬时粒子图像记录并储存，通过后续的图像处理，获得粒子在两次照亮时间间隔中的位移，进而获得速度分布；或者采用高速摄像机在很短的时间间隔内采集两幅图像，通过图像处理实现粒子速度的测量。上述两种方法的共同点是，通过记录有一定时间间隔的两幅图像，利用其中的差异获取粒子的位移信息，测量中它们要求单幅图像的曝光时间都尽可能的短。 但它们存在的缺点在于由于上述方案中要么采用脉宽为纳秒级的双脉冲激光器，要么采用高速摄像机，这使得PIV测试设备造价昂贵；另外，镜头都是固定设置于测试区域的垂直位置附近，位置不可调节，测试时主要利用粒子垂直方向较弱的散射光，因此激光器输出光强要求很高；另外，这两种方案也无法获得两次曝光之间的粒子速度和运动方向的实时变化情况。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于单幅图像的粒子成像测速系统，它能够通过控制相机的曝光时间获得粒子在微秒量级或者更长时间的运动轨迹的单幅图像，并能实时显示或通过处理得到粒子速度变化和分布，以及粒子的粒径分布等参数，大幅降低测试设备的造价。本发明的目的是通过以下技术方案实现的，基于单幅图像的粒子运动速度测试系统，它是由激光器、柱透镜、可调狭缝、相机、计算机以及喷头组成，柱透镜、可调狭缝依次设置在激光器的出射光路上，相机用于接收激光经喷雾区域粒子后的散射光，相机的输出连接计算机；其特征是激光器采用连续激光器，相机的镜头采用移轴镜头，移轴镜头在与激光光源垂直方向夹角0° 80°范围内水平位置可调；移轴镜头与相机的光敏面以及激光光源经柱透镜和可调狭缝后的片光源三者所在的平面相交于一条直线。上述移轴镜头固定于微型二维平移台上，通过二维平移台上平移位置调节机构实现移轴镜头的水平位置移动，通过二维平移台上的旋转角度机构实现移轴镜头与相机光敏面夹角的调节，使得移轴镜头与相机的光敏面以及片光源三者所在的平面相交于一条直线。本发明工作时，通过相机快门控制采集的粒子散射光图像的曝光时间，并根据测
3试对象的特点，将相机快门时间设置为合适的曝光时间，可获得包含粒子在相机快门打开时间内粒子连续运动轨迹的单幅图像，该图像反映了粒子在相机快门打开时间范围内的速度和运动方向的实时变化情况，然后，利用图像处理方法对图像中粒子运动轨迹的宽度、长度和方向进行分析，可以获得粒子的速度变化和分布、以及粒子的粒径分布等参数。本发明在系统结构上采用连续激光器作为片光源照射测试区域，虽然它相对于传统的脉冲激光器其输出光密度较低，易导致因片光源照射的粒子在垂直方向产生的散射光较弱，引起粒子图像曝光不足。但根据散射相关理论，粒子前向或者后向散射光较强，本发明在片光源照射的粒子后的散射光路上将相机的镜头选用移轴镜头，通过对移轴镜头的水平位置移动调节，使移轴镜头偏离片光源垂直方向一定角度，就可显著提高粒子图像的曝光强度，满足测试需求；同时，为避免当移轴镜头偏离片光源垂直方向后导致粒子图像的局部模糊，本发明还根据Scheimpflug原理，在使移轴镜头偏离片光源垂直方向一定角度后，再通过调节移轴镜头和相机敏感面的夹角，使移轴镜头、相机的光敏感面与片光源三者所在的平面相交于一条直线上，最终实现镜头偏离垂直位置时的测试区域所有粒子的清晰成像。本发明与现有的技术相比其显著的优点是(1)采用廉价的连续激光器作为片光源，大幅降低了设备造价；( 通过控制相机的曝光时间获得粒子的运动轨迹的单幅图像， 可实时反映粒子在曝光时间内速度和运动方向的变化情况，并通过进一步处理，可得到流场中粒子的速度变化和分布、以及粒子的粒径分布等参数，相机可采用普通相机或数码相机，进一步降低了设备成本；C3)采用移轴镜头，使其偏转角度与片光源的垂直方向的夹角可调，并有效利用了被照射粒子前向或者后向的散射光强度特点，显著降低了对激光器输出光强度的要求；(4)本发明可在喷雾测试中，用于雾滴尺寸径向分布、喷雾速度的径向分布等工作参数的测试，适用于喷雾冷却、喷雾干燥、喷雾燃烧、纺织加湿、钢坯除鳞、农药等行业使用。并对于上述行业改善喷嘴雾化性能、提高喷雾利用效率有着积极的意义；(5)本发明还可以应用于添加了示踪粒子的流场测试中，相对于传统的双脉冲光源的PIV测试方法，只需利用一幅图像就可以获得双脉冲曝光或高速摄影的结果。本发明的具体结构由以下附图和实施例给出。


图1是根据本发明所述基于单幅图像的粒子运动速度测试系统在喷雾测试中工作原理示意图。图2是移轴镜头、相机光敏面和片光源三者的相对位置示意图。
具体实施例方式下面结合附图，以本发明在喷雾测试中的应用为例，对本发明的具体结构原理作进一步详细描述。以下实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。参见图1，根据本发明制作的用于喷雾测试的基于单幅图像的粒子运动速度测试系统，它是由激光器1、柱透镜2、可调狭缝3、喷头5、移轴镜头6、相机7以及计算机8组成， 激光器1为连续激光器，其输出功率为200mW，柱透镜2直径为8mm，可调狭缝3的缝宽可在 0 IOmm调节，柱透镜2和可调狭缝3设置于连续激光器1的输出光路上，喷头5的喷雾区域在可调狭缝3后的光路上；移轴镜头6的焦距在30 85mm可调，倾斜角度在0° 15° 可调，相机7型号为IMC-17FT，曝光时间可在1 μ s 3600s调节，调节间隔为1 μ s ；移轴镜头6与相机7通过相机皮腔相连接，移轴镜头6科固定于一微型二维平移台上，实现旋转和平移二维操作。通过调节微型二维平移台的平移位置，可以实现移轴镜头6的光轴水平移动，使移轴镜头6偏离片光源4垂直方向α角度；通过调节微型二维平移台的旋转角度可以实现移轴镜头6与相机7光敏面夹角β的调节，使得当移轴镜头6与相机7光敏面夹角 β改变后，移轴镜头6仍然能够将测试区域的图像投射到相机敏感面上，参见图2。移轴镜头6、相机7和二维平移台作为一个整体安装在一个环形导轨上，通过导轨的滑动可以实现移轴镜头6和片光源4垂直方向夹角α的调节。本实例的工作过程是由连续激光器1输出激光，经过柱透镜2和可调狭缝3后被扩展为一扇形的片光源4，并透过投射喷头5的喷雾区域，片光源4厚度的调节可以通过改变可调狭缝3的缝宽实现，本例缝宽约为0. 5mm。片光源4照射喷雾区域中的雾滴9产生的散射光被移轴镜头6收集并成像在相机7的图像感应面上，调节移轴镜头6焦距，然后通过微型二维平移台上的旋转和平移二维操作，调节移轴镜头6的与片光源4垂直方向的夹角 α和移轴镜头6与相机7光敏面之间夹角β，以获得雾滴9最佳的曝光强度和成像效果， 夹角α的调节范围为0° 80°，本例α为45°，β为12°。设置相机7的快门宽度可以获得曝光时间从微秒级到数秒时间内粒子连续运动的单幅图像，该图像通由计算机8接收并储存，本实例中当快门宽度为3μ s时效果最佳。本测试系统获得的图像中雾滴9是连续的轨迹，其中的雾滴9的运动轨迹的长短和方向反映了雾滴9在相机7曝光期间的位移，该位移除以相机7曝光时间可以得到粒子在相机7曝光期间的平均运动速度；而粒子连续运动轨迹的宽度与粒子的直径成线性关系。采用图像处理的方法，进而可以获得测试区域内的喷雾速度分布、雾滴尺寸分布等参数。本实施例中基于单幅图像的粒子运动速度测试系统，它的相机7的曝光时间的设置需要通过预估喷雾中雾滴9的速度和移轴镜头6的放大率进行设置，或者通过尝试进行设置。曝光时间设置如果过长，粒子的轨迹就会叠加在一起，或者跑出相机7的敏感面，无法实现粒子速度的测量；如果曝光时间太短，粒子轨迹很短，也难以利用单幅图像实现粒子速度的测量。对于移轴镜头6的调节可以首先调节其焦距，使粒子能够在图像的中心的一竖直区域清晰成像后，然后调整移轴镜头6和片光源4垂直方向夹角α，实现全场粒子的清晰成像。
权利要求
1.一种基于单幅图像的粒子运动速度测试系统，它是由激光器[1]、柱透镜[2]、可调狭缝[3]、相机[7]、计算机[8]以及喷头[5]组成，柱透镜[2]、可调狭缝[3]依次设置在激光器[1]的出射光路上，相机[7]用于接收激光经喷雾区域粒子后的散射光，相机[7]的输出连接计算机[8]；其特征是激光器[1]采用连续激光器，相机[7]的镜头采用移轴镜头 W]，移轴镜头[6]在与激光光源垂直方向夹角0° 80°范围内水平位置可调；移轴镜头 [6]与相机[7]的光敏面以及激光光源经柱透镜[2]和可调狭缝[3]后的片光源[4]三者所在的平面相交于一条直线。
2.根据权利要求1所述的一种基于单幅图像的粒子运动速度测试系统，其特征是上述移轴镜头W]固定于微型二维平移台上，通过二维平移台上平移位置调节机构实现移轴镜头W]的水平位置移动，通过二维平移台上的旋转角度机构实现移轴镜头W]与相机[7] 光敏面夹角的调节，使得移轴镜头[6]与相机[7]的光敏面以及片光源[4]三者所在的平面相交于一条直线。
全文摘要
本发明公开了一种基于单幅图像的粒子运动速度测试系统，它采用连续激光器作为激光光源，采用移轴镜头作为相机镜头，并通过对移轴镜头的水平位置调节，使移轴镜头偏离片光源垂直方向一定角度，显著提高粒子图像的曝光强度，还通过对移轴镜头和相机敏感面的夹角调节，使移轴镜头、相机的光敏感面与片光源三者所在的平面相交于一条直线上，实现测试区域所有粒子的清晰成像。本发明由相机控制曝光时间，只需获得粒子运动轨迹的单幅图像，即可实时反映粒子在曝光时间内速度和运动方向的变化情况，经处理还可得到流场中粒子的速度变化和分布、以及粒子的粒径分布等参数，本发明设备成本和造价低；本发明可广泛应用于各种喷雾以及流场的粒子参数测试中。
文档编号G01N15/02GK102393473SQ20111021840
公开日2012年3月28日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者倪晓武, 张宏超, 沈中华, 王振东, 陆建 申请人:南京理工大学