CN101900744B - 一种用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位仪 - Google Patents

Abstract

一种用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位仪，属于流体力学实验技术领域。该定位仪包括三维坐标调节架和激光片光校正系统，三维坐标调节架包括Z向坐标架、Y向坐标架、X向坐标架、前定位十字标尺、后定位十字标尺、旋转基座和底座；激光片光校正系统包括上下两块结构相同的激光片光校正板、对焦标尺、光电检测板和光电指示器。本发明使用三维坐标调节架可精确确定测试平面位置，通过激光片光校正系统实现流场测试平面、激光片光面和相机拍摄平面的三面重合，并利用光电检测装置自动检测重合度，避免了以往肉眼观察等经验标定方法带来的人为误差，使粒子图像测速仪标定过程更为简易、规范和准确。

Description

一种用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位仪

技术领域

本发明涉及一种用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位的仪器，属于流体力学实验技术领域。

背景技术

粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry，缩写PIV)是一种基于流场图像互相关分析的非接触式流场测量技术，可实现二维和三维流场无扰动测量，是现代流场测试强有力的工具，研究流场结构的重要手段，在流体力学、生物力学、航空航天、海洋水利等众多领域获得了广泛的应用。PIV技术相关的设备都有标准商用配置产品出售，国内众多研究机构都购置了PIV设备，主要包括激光器，图像采集相机(CCD)，同步控制器，粒子发生器，数据处理计算机等部件，其工作原理是由激光片光面(可调范围0.5～2.5mm)在短间隔时间内多次照射均匀分布粒子的流场待测平面，CCD相机同步捕获图像，对连续两幅流场图像进行互相关分析，计算流场速度矢量。而实际使用过程中，获得精准速度场的前提就是确保流场待测平面、激光片光面和CCD相机拍摄平面的三面重合，PIV厂商提供了简单的标定平板来达到以上目的，实际上是用肉眼观察的经验方法，如板的定位、标识点识别等，耗时且烦琐，实用中有很多不确定性，使测量结果具有较大人为误差，这种不可控的误差在精细测量中是不能被容忍的。因此，为提高PIV测量精度和可信度，需要建立规范、科学的标定装置。

发明内容：

本发明提供一种用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位的仪器，该仪器可以实现流场待测平面、激光片光面和CCD相机拍摄平面的三面重合，提高PIV测试精准度。

本发明的技术方案如下：

一种用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位仪，其特征在于：该定位仪包括三维坐标调节架和激光片光校正系统；所述的三维坐标调节架包括Z向坐标架、Y向坐标架、X向坐标架、前定位十字标尺、后定位十字标尺、旋转基座和底座；所述的激光片光校正系统包括上下两块结构相同的激光片光校正板、对焦标尺、光电检测板和光电指示器；在激光片光上校正板和激光片光下校正板上均平行布置一组不同宽度的狭缝；所述的对焦标尺设置在两块激光片光校正板对应的狭缝之间；激光片光通过激光片光上校正板和激光片光下校正板对应的狭缝照射在光电检测板上，光电检测板通过信号线与光电指示器相连接；所述的两块激光片光校正板和光电检测板由上至下设置在Z向坐标架上，并沿Z向坐标架上下移动；所述的Z向坐标架垂直安装在Y向坐标架上，并沿Y方向移动，Y向坐标架安装在X向坐标架上，并沿X方向移动；所述的前定位十字标尺和后定位十字标尺平行设置在X向坐标架两端；所述的X向坐标架设置在所述的旋转基座上，旋转基座安装在底座上。

本发明的技术特征还在于：在Y向坐标架上设有两条Y向滑轨和Y向丝杠，所述的Z向坐标架垂直安装在两条Y向滑轨上，并与Y向丝杠连接，丝杠转动带动Z向坐标架沿滑轨在Y方向移动；在X向坐标架上设有两条X向滑轨和X向丝杠，所述的Y向坐标架安装在X向坐标架上的两条滑轨上，并与X向丝杠连接，丝杠转动带动Y向坐标架沿X向滑轨在X方向移动。

本发明所述的Z向坐标架上设有竖向导槽，所述的激光片光上校正板和激光片光下校正板沿导槽上下移动。所述的旋转基座通过水平调节旋钮安装在底座上，并通过角度调节旋钮使旋转基座在水平面内360°旋转。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：使用三维坐标调节架可精确确定测试平面位置，通过激光片光校正系统实现流场测试平面、激光片光面和相机拍摄平面的三面重合，并利用光电检测装置自动检测重合度，避免了以往肉眼观察等经验标定方法带来的人为误差，使粒子图像测速仪标定过程更为简易、规范和准确。

附图说明：

图1为本发明三维激光测准定位仪示意图。

图2为三维坐标调节架俯视结构示意图。

图3为三维坐标调节架主视结构示意图。

图4为本发明三维激光测准定位仪的应用示意图。

图中：1-激光片光上校正板；2-激光片光下校正板；3-对焦标尺；4-光电检测板；5-光电指示器；6-Z向坐标架；7-Y向坐标架；8-X向坐标架；9-前定位十字标尺；10-后定位十字标尺；11-旋转基座；12-支座；13-Y向滑轨；14-Y向丝杠；15-Y向丝杠旋钮；16-X向滑轨；17-X向丝杠、18-X向丝杠旋钮、19-角度调节旋钮、20-水平调节旋钮。21-激光头、22-激光头姿态调整架、23-导光臂、24-激光器、25-CCD相机、26-CCD相机姿态调整架、27-PIV控制和采集主机。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、原理、工作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明提供的一种用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位仪的结构示意图，该定位仪包括三维坐标调节架和激光片光校正系统；所述的三维坐标调节架包括Z向坐标架6、Y向坐标架7、X向坐标架8、前定位十字标尺9、后定位十字标尺10、旋转基座11和底座12；所述的激光片光校正系统包括上下两块结构相同的激光片光校正板、对焦标尺3、光电检测板4和光电指示器5；在激光片光上校正板1和激光片光下校正板2上均平行布置一组不同宽度的狭缝；所述的对焦标尺3设置在两块激光片光校正板对应的狭缝之间；激光片光通过激光片光上校正板和激光片光下校正板对应的狭缝照射在光电检测板4上，光电检测板通过信号线与光电指示器5相连接；所述的两块激光片光校正板和光电检测板由上至下设置在Z向坐标架6上，激光片光上校正板1和激光片光下校正板2通过设置在Z向坐标架上的竖向导槽沿Z向坐标架上下移动。所述的Z向坐标架6垂直安装在Y向坐标架7上，并沿Y方向移动，Y向坐标架7安装在X向坐标架8上，并沿X方向移动；所述的前定位十字标尺9和后定位十字标尺10平行设置在X向坐标架8两端；所述的X向坐标架8设置在所述的旋转基座11上，旋转基座11安装在底座12上。旋转基座11通过水平调节旋钮20安装在底座12上，并通过角度调节旋钮19使旋转基座11在水平面内360°旋转。

图2和图3分别为三维坐标调节架俯视和主视的结构示意图。激光片光校正系统安装在三维坐标调节架的Z向坐标架6上，三维坐标调节架实现激光片光校正系统的360°旋转和X、Y、Z三个方向上移动，精确定位流场待测平面，保证流场待测平面和光向校正面重合。

利用本发明可实现PIV流场测试平面、激光片光面和相机拍摄平面的三面重合，以测试平行于风洞纵向对称面的流场为例，应用示意图见图4，包括如下步骤：

a)建立垂直于水平面的激光片光校正面。通过Z向坐标架上的竖向导槽，上下移动激光片光上校正板1和激光片光下校正板2至适当位置，激光片光上校正板1和激光片光下校正板2上对应的狭缝与对焦标尺3构成垂直于支座12的激光片光校正面，通过水平调节旋钮20调整支座12水平，从而实现激光片光校正面位于垂直面内。

b)定位流场测试平面，使测试平面与激光片光校正面重合。流场测试平面是垂直于水平面，与风洞纵向对称面平行的已知平面，结合风洞中的测试设备，如经纬仪，通过前定位十字标尺9和后定位十字标尺10定位与测试平面的位置关系，使用角度调节旋钮19旋转基座12，调整激光片光校正面与流场待测面平行，再利用X向坐标架和Y向坐标架移动激光光向校正面与流场待测平面重合。

c)调整激光片光面与激光片光校正面重合。激光器23产生激光，通过导光臂22使激光到达激光头21，产生激光片光面，激光头安装在激光头姿态调整架22上，通过姿态调整架22调整激光片光面通过激光片光上、下校正板对应的狭缝，并被光电检测板4捕获，光电指示器5指示激光片光面与激光片光校正面重合。

d)调整CCD相机拍摄平面与激光片光校正面重合。通过激光片光上、下校正板的狭缝安装的对焦标尺3，调整CCD相机25的光圈、焦距，并通过相机姿态调整架26调整相机位置和角度姿态，消除透视和相机透镜本身的图像失真，同时在PIV控制和采集计算机27中监视图像变化，以获取对焦标尺的最佳图像效果，保障CCD相机聚焦平面与光向校正面重合。

通过以上步骤，调整实现了流场测试平面、激光片光面、CCD相机拍摄平面皆与激光片光校正面重合，从而实现了流场测试平面、激光片光面、CCD相机拍摄平面的三面重合。

在拍摄垂直面流场时，除图4中激光片光从上向下照射外，还有一种常用的方式，即激光头水平放置，片光从左向右(或从右向左)垂直水平面照射。针对这种情况，在X-Z平面内90度旋转Z方向坐标架6，使设置在其上的激光片光校正系统旋转90度即可实现，其它部件保持不变。

当需要拍摄水平面流场时，在Y-Z平面内90度旋转Z方向坐标架6，同样设置在其上的激光片光校正系统也在Y-Z平面旋转90度，激光头和CCD相机相互调换位置，即片光从左向右(或从右向左)平行水平面照射，CCD相机垂直水平面向下拍摄。

Claims (4)

1.一种用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位仪，其特征在于：该定位仪包括三维坐标调节架和激光片光校正系统；所述的三维坐标调节架包括Z向坐标架(6)、Y向坐标架(7)、X向坐标架(8)、前定位十字标尺(9)、后定位十字标尺(10)、旋转基座(11)和底座(12)；所述的激光片光校正系统包括上下两块结构相同的激光片光校正板、对焦标尺(3)、光电检测板(4)和光电指示器(5)；在激光片光上校正板(1)和激光片光下校正板(2)上均平行布置一组不同宽度的狭缝；所述的对焦标尺(3)设置在两块激光片光校正板对应的狭缝之间；激光片光通过激光片光上校正板和激光片光下校正板对应的狭缝照射在光电检测板(4)上，光电检测板通过信号线与光电指示器(5)相连接；所述的两块激光片光校正板和光电检测板由上至下设置在Z向坐标架(6)上，并沿Z向坐标架上下移动；所述的Z向坐标架(6)垂直安装在Y向坐标架(7)上，并沿Y方向移动，Y向坐标架(7)安装在X向坐标架(8)上，并沿X方向移动；所述的前定位十字标尺(9)和后定位十字标尺(10)平行设置在X向坐标架(8)两端；所述的X向坐标架(8)设置在所述的旋转基座(11)上，旋转基座(11)安装在底座(12)上。

2.根据权利要求1所述的用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位仪，其特征在于：在Y向坐标架(7)上设有两条Y向滑轨(13)和Y向丝杠(14)，所述的Z向坐标架(6)垂直安装在两条Y向滑轨上，并与Y向丝杠连接，Y向丝杠(14)转动带动Z向坐标架(6)沿Y向滑轨在Y方向移动；在X向坐标架(8)上设有两条X向滑轨(16)和X向丝杠(17)，所述的Y向坐标架(7)安装在X向坐标架(8)上的两条X向滑轨上，并与X向丝杠连接，X向丝杠转动带动Y向坐标架(7)沿X向滑轨在X方向移动。

3.根据权利要求1或2所述的用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位仪，其特征在于：在Z向坐标架(6)上设有竖向导槽，所述的激光片光上校正板(1)和激光片光下校正板(2)沿导槽上下移动。

4.按照权利要求1所述的用于粒子图像测速仪的三维激光测准定位仪，其特征在于：旋转基座(11)通过水平调节旋钮(20)安装在底座(12)上，并通过角度调节旋钮(19)使旋转基座(11)在水平面内360°旋转。

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