CN105675918B - 一种用于粒子图像测速的移动定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于粒子图像测速的移动定位装置，属于水利测量技术领域，该装置用于安装粒子图像测速的激光器和PIV相机，该装置包括支撑框架、升降系统、移动定位平台、激光器安装口、相机安装平台；其中，升降系统安装在支撑框架上，能沿垂直方向移动；移动定位平台安装在升降系统上，跟随升降系统垂向移动，并可沿长度方向水平移动；在移动定位平台的面板中部设置镂空区域作为激光器安装口，用于安装PIV激光片光源；相机安装平台包括两组,对称设置在移动定位平台两端，用于架设PIV相机；激光器安装口及相机安装平台可跟随移动定位平台作二维移动，实现双自由度移动定位功能。本装置具有操作方便、定位精度高等特点，具有较好的推广应用前景。
Description
技术领域
本发明属于水利测量技术领域，特别涉及一种用于粒子图像测速的移动定位装置。
背景技术
粒子图像测速(PIV)技术作为一种无干扰、瞬态、全流场测量方法，具有较高的分辨率，在对紊流的脉动特征、相干结构等研究方面具有很大的优势，已广泛应用于水利测量领域。
运用PIV系统进行流场测量时，当测量区域确定后，需要进行一系列的精准定位工作，主要涉及激光片光源的定位(照亮待测区域中的示踪粒子)和相机定位(使测量区域的示踪粒子清晰成像)。以测量明渠纵垂面的二维流场为例，如图1所示，激光片光14需从水槽15的底板竖直向上射入水体，并保证激光片光14与测量平面16重合，相机17水平安装在水槽15的侧面，相机成像面18与测量平面16平行且中心高度相等；当改变测量平面16的展向位置时，需要重新对激光片光14及相机17进行定位。
目前，通常的做法是将激光器12固定在远离测量区域的平台11上，通过导光臂13将光束传导至测量平面下方形成激光片光14，再手动调整导光臂13的三维位置，使激光片光14与测量平面16重合；而相机17则布置在水槽15侧面另一固定平台19上，在测量区域改变时，需分别移动导光臂13和相机17，实现重新定位。上述定位工作耗时耗力，大大降低了PIV系统的测量效率。
发明内容
本发明的目的是为解决已有技术的不足之处，提出一种用于粒子图像测速的移动定位装置，具有操作方便、定位精度高等特点，具有较好的推广应用前景。
本发明提出的一种用于粒子图像测速的移动定位装置，该装置用于安装粒子图像测速的激光器和PIV相机，其特征在于，该装置包括支撑框架、升降系统、移动定位平台、激光器安装口、相机安装平台；其中升降系统安装在支撑框架上，可沿垂直方向上下移动；移动定位平台安装在升降系统上，跟随升降系统垂向移动，并可沿长度方向水平移动；在移动定位平台的面板中部设置镂空区域作为激光器安装口，用于安装PIV激光片光源；相机安装平台包括两组，对称设置在移动定位平台两端，用于架设PIV相机；激光器安装口及相机安装平台可跟随移动定位平台作二维移动，实现双自由度移动定位功能。
所述支撑框架由下框、上框、以及四根连接下框、上框的垂向导轨构成；上框和下框采用矩形不锈钢管焊接而成，每根垂向导轨为滚珠丝杆螺杆，两端分别固定在上框和下框的四个角，用于安装升降系统。
所述升降系统包括基座、固定在基座四周下方的四个垂向传动结构、四个辅助传动结构、与四个垂向传动结构和四个辅助传动结构咬合成一体的传动链条；其中，所述基座由矩形不锈钢管焊接成矩形框架，底面焊接两个不锈钢条，用于安装垂向传动结构和辅助传动结构，每个不锈钢条上有两个钻孔，供支撑框架的垂向导轨通过；所述每个垂向传动结构包括滚珠丝杆螺母、驱动链轮、下部推力轴承、上部推力轴承、轴承支撑板、四根螺丝，滚珠丝杆螺母外侧上部为双侧切边圆柱形，下部为圆柱形，内径设有与支撑框架的垂向导轨螺纹相螺合的内螺纹，驱动链轮同轴焊接在滚珠丝杆螺母下部外侧圆柱面上，与滚珠丝杆螺母同步转动，上部推力轴承、下部推力轴承依次同轴安装在滚珠丝杠螺母端盖的上、下表面，接触面焊接，下部推力轴承的底面固定在轴承支撑板中心，轴承支撑板中部设有钻孔，以使滚珠丝杆螺母下部圆柱通过，轴承支撑板并通过四根螺丝与升降系统的基座连接，使上部推力轴承的上表面与基座紧密贴合；所述传动链条与驱动链轮咬合连接，带动驱动链轮及滚珠丝杆螺母转动并产生轴向推力，经上部推力轴承及下部推力轴承，推动升降系统沿垂直方向移动；辅助传动结构与传动链条咬合连接，用于加紧链条；所述辅助传动结构包括辅助链轮、轴承以及不锈钢轴，辅助链轮装有轴承，通过不锈钢轴与升降系统的基座连接。
所述移动定位平台可由面板、齿条、两根水平导轨、四个直线轴承、水平定位结构组成；其中，每根水平导轨为不锈钢圆柱，两端焊接在基座的内表面，每根水平导轨上安装两个直线轴承，直线轴承固定在面板下表面；面板安装在直线轴承的上表面，可沿水平导轨直线移动；齿条安装在面板上表面一侧，与水平定位结构连接；水平定位结构包括手轮、转轴、转轴固定块、水平定位齿轮、锁紧螺丝，水平定位齿轮与齿条啮合，转轴两端分别与水平定位齿轮、手轮连接，中部安装在转轴固定块中，转轴固定块下端固定安装在升降系统的基座上，在转轴固定块上表面钻孔并攻丝与转轴接触；转动手轮，水平定位齿轮同步转动并通过齿条驱动面板的水平移动，拧紧锁紧螺丝，手轮及面板位置得到固定，从而实现移动定位平台的移动和定位功能。
所述相机安装平台有两个，对称设置在移动定位平台两端，每个平台均包括三个微调组合杆、一块面板，每个微调组合杆上部及下部分别为螺杆，中部为螺母，螺母分别与上下螺杆螺纹配合连接；三个微调组合杆的下端面呈三角形固定在移动定位平台的面板上表面，上端面固定在面板的下底面；通过旋转螺母，面板可小幅度升降，从而实现相机安装平台的微调。
本发明的特点和有益效果在于：
1.操作方便：可同步实现相机和激光系统沿两个自由度方向的移动定位；
2.定位精度高：两个自由度方向定位精度误差小于0.02mm；
3.对称布置两个相机安装平台，既可满足从水槽任一侧面开展测量，又可实现双相机相向同步测量的要求；
4.本装置可有效提高PIV系统测量的工作效率，具有较好的推广应用前景。
附图说明
图1为已有的粒子图像测速装置示意图；
图2为本发明的用于粒子图像测速的移动定位装置示意图；
图3为本发明实施例的升降系统示意图；
图4为本发明实施例的垂向传动结构及辅助传动结构示意图；
图5为本发明实施例的移动定位平台、激光器安装口、相机安装平台示意图；
图6为本发明实施例应用于粒子图像测速的工作方式示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
本发明提出的一种用于粒子图像测速的移动定位装置，该装置用于安装粒子图像测速的激光器和PIV相机，其特征在于，该装置包括支撑框架、升降系统、移动定位平台、激光器安装口、相机安装平台；其中升降系统安装在支撑框架上，可沿垂直方向上下移动；移动定位平台安装在升降系统上，跟随升降系统移动，并可沿长度方向水平移动；在移动定位平台的面板中部设置镂空区域作为激光器安装口，用于安装PIV激光片光源；相机安装平台包括两组，对称设置在移动定位平台两端，用于架设PIV相机；激光器安装口及相机安装平台可跟随移动定位平台作二维移动，实现双自由度移动定位功能。
本发明提出的用于粒子图像测速的移动定位装置实施例结构如图1所示，该装置用于安装粒子图像测速的激光器和PIV相机，包括由下框21、上框23、以及四根连接下框21、上框23的垂向导轨22组成的支撑框架、由基座31、四个垂向传动结构32、传动链条33、四个辅助传动结构34组成的升降系统、由设置有激光器安装口的面板41、齿条42、两根水平导轨43、四个直线轴承44、水平定位结构45组成的移动定位平台、两个由六个微调组合杆51、两块面板52组成的相机安装平台；其中，升降系统安装在支撑框架上、下框之间，可通过垂向导轨22沿垂直方向移动；移动定位平台安装在升降系统上，跟随升降系统垂向移动，并可沿长度方向水平移动；激光器安装口设置在移动定位平台的面板中部镂空区域，用于安装PIV激光片光源；两组相机安装平台设置在移动定位平台两端，用于架设PIV相机；激光器安装口及相机安装平台可跟随移动定位平台作二维移动，实现双自由度移动定位功能。
上述各部分的具体实施方式及功能结合附图分别说明如下：
本实施例的支撑框架，如图2所示，包括下框21、上框23、以及四根连接下框21、上框23的垂向导轨22；其中，上框23和下框21是采用规格为20×10×1.2mm矩形不锈钢管焊接而成的长×宽×高为500×300×20mm的矩形框架，每根垂向导轨22为M16滚珠丝杆螺杆，两端分别固定在上框23和下框21的四个角，用于安装升降系统。
本实施例的升降系统，如图3所示，包括基座31、固定在基座四周下方的四个垂向传动结构32、四个辅助传动结构34、与四个垂向传动结构32和四个辅助传动结构34咬合成一体的传动链条33；其中，所述基座31由35×10×1.2mm矩形不锈钢管焊接成长×宽×高为550×320×35mm的矩形框架，底面焊接两个320×50×10mm的不锈钢条311，用于安装垂向传动结构32和辅助传动结构34，每个不锈钢条上有两个M18的钻孔312，供支撑框架的垂向导轨22通过；每个垂向传动结构32的具体结构，如图4所示，包括滚珠丝杆螺母321、驱动链轮322、下部推力轴承323、上部推力轴承324、轴承支撑板325、四个螺丝326，滚珠丝杆螺母321外侧上部为双侧切边圆柱形下部为圆柱形，内径为16mm并设有与支撑框架的垂向导轨22螺纹相螺合的内螺纹，驱动链轮322的标称轴直径为28mm，同轴焊接在滚珠丝杆螺母321下部外侧圆柱面上，与滚珠丝杆螺母321同步转动，上部推力轴承324、下部推力轴承323的内径分别为16mm、28mm，依次同轴安装在滚珠丝杠螺母321端盖的上、下表面，接触面焊接，下部推力轴承323的底面固定在轴承支撑板325中心，轴承支撑板325中部设有直径29mm的钻孔，以使滚珠丝杆螺母321下部圆柱通过，轴承支撑板325并通过四根螺丝326与升降系统的基座31连接，使上部推力轴承324的上表面与基座31紧密贴合；传动链条33与驱动链轮322咬合连接，带动驱动链轮322及滚珠丝杆螺母321转动并产生轴向推力，经上部推力轴承324及下部推力轴承323，推动升降系统沿垂直方向移动；辅助传动结构34与传动链条33咬合连接，用于加紧链条，如图4所示，辅助传动结构34包括辅助链轮341、轴承342以及不锈钢轴343，辅助链轮341装有轴承342，通过不锈钢轴343与升降系统的基座31连接。
本实施例的移动定位平台，如图5所示，包括面板41、齿条42、两根水平导轨43、四个直线轴承44、水平定位结构45，其中，每根水平导轨43为M16不锈钢圆柱，两端焊接在基座31的内表面，每根水平导轨43上安装两个SCS16UU型号的直线轴承44，直线轴承44固定在面板41下表面；面板41为一矩形面板，其长度至少比支撑框架的长度和两个相机安装平台长度之和略长，其宽度小于支撑框架的宽度，安装在直线轴承44的上表面，可沿水平导轨43直线移动；齿条42安装在面板41上表面一侧，与水平定位结构45连接；水平定位结构45，包括手轮451、转轴452、转轴固定块453、水平定位齿轮454、锁紧螺丝455；其中，水平定位齿轮454与齿条42啮合，转轴452两端分别与水平定位齿轮454、手轮451连接，中部安装在转轴固定块453中，转轴固定块453下端固定安装在基座31上，在其上表面钻孔并攻丝，直径为5mm，攻丝深度与转轴452接触，锁紧螺丝455规格为M5，与转轴固定块453上的钻孔螺纹连接；转动手轮451，水平定位齿轮454同步转动并通过齿条42驱动面板41水平移动，拧紧锁紧螺丝455，手轮451及面板41位置得到固定，从而实现移动定位平台的移动和定位功能。
本实施例的激光器安装口为移动定位平台的面板41中部的镂空区域411，用于安装PIV激光片光源，如图5所示。
本实施例的相机安装平台有两组，对称设置在移动定位平台两端，如图5所示，每个平台均包括三个微调组合杆51、一块面板52，每个微调组合杆51上部及下部分别为螺杆513、螺杆511，规格为M16，中部为螺母512，螺母512分别与螺杆511、螺杆513螺纹配合连接；三个微调组合杆51的下端面呈三角形固定在移动定位平台的面板41上表面，上端面固定在面板52的下底面。通过旋转螺母512，面板52可小幅度升降，从而实现相机安装平台的微调。
以测量明渠纵垂面的二维流场为例，结合附图2、图5和图6对本实施例的工作方式进行说明。应用本发明提出的用于粒子图像测速的移动定位装置进行明渠纵垂面二维流场测量的整体布置如图6所示，本发明的移动定位装置设置于水槽15下方，激光器12安装在移动定位平台的面板41中部的镂空区域411(激光片光14从水槽15的底板竖直向上射入水体)，相机17安装在相机安装平台的面板52上，通过转动手轮451、驱动传动链条33即可分别实现水平方向和垂直方向的移动定位，完成粒子图像测速的移动定位工作。操作过程中水平方向和垂直方向的移动定位无操作顺序限制，亦可同时进行，根据实际情况而定。
以先水平方向后垂直方向的顺序为例对工作方式进行说明：流场测量平面16确定后，转动手轮451，移动定位平台沿水平方向移动，激光器12、激光片光14、相机17跟随移动定位平台同步运动，至激光片光14与测量平面16重合时停止转动手轮451并拧紧锁紧螺丝455，为使测量平面16能够清晰成像于相机成像面18，可适当调整相机17在面板52上的水平位置或调整镜头焦距，至此水平方向移动定位结束。进而驱动传动链条33，升降系统及移动定位平台沿垂向移动，相机17跟随移动定位平台同步运动，至相机成像面18与测量平面16平行且中心高度相等时停止驱动传动链条33，垂直方向移动定位结束，若有必要，可通过三个微调组合杆51对相机垂向位置进行微调。
当改变测量平面16的展向位置时，需要重新对激光片光14及相机17进行定位。本发明提出的用于粒子图像测速的移动定位装置只需转动手轮451，使激光片光14、相机17跟随移动定位平台同步水平运动，至激光片光14与测量平面16重合即可实现重新定位工作。
以上移动定位工作操作方便，省时省力，可同步实现相机和激光系统沿两个自由度方向的移动定位，定位精度高(两个自由度方向定位精度误差小于0.02mm)。
同时，本发明实施例既可满足从水槽任一侧面开展测量，又可通过在两个相机安装平台上布置两套相机17、在移动定位平台的面板41中部的镂空区域411布置两套激光器12，实现双相机相向同步测量的要求，可大大提高PIV系统测量的工作效率，具有较好的推广应用前景。
Claims (7)
1.一种用于粒子图像测速的移动定位装置，该装置用于安装粒子图像测速的激光器和PIV相机，该装置包括支撑框架、升降系统、移动定位平台、激光器安装口、相机安装平台；其中，升降系统安装在支撑框架上，能沿垂直方向移动；移动定位平台安装在升降系统上，跟随升降系统垂向移动，并可沿长度方向水平移动；在移动定位平台的面板中部设置镂空区域作为激光器安装口，用于安装PIV激光片光源；相机安装平台包括两组,对称设置在移动定位平台两端，用于架设PIV相机；激光器安装口及相机安装平台可跟随移动定位平台作二维移动，实现双自由度移动定位功能。
2.如权利要求1所述用于粒子图像测速的移动定位装置，其特征在于，所述支撑框架由下框、上框、以及四根连接下框、上框的垂向导轨构成；上框和下框采用矩形不锈钢管焊接而成，每根垂向导轨为滚珠丝杆螺杆，两端分别固定在上框和下框的四个角，用于安装升降系统。
3.如权利要求2所述用于粒子图像测速的移动定位装置，其特征在于，所述升降系统包括基座、固定在基座四周下方的四个垂向传动结构、四个辅助传动结构、与四个垂向传动结构和四个辅助传动结构咬合成一体的传动链条；其中，所述基座为矩形不锈钢管焊接成的矩形框架，底面焊接两个不锈钢条，用于安装垂向传动结构和辅助传动结构，每个不锈钢条上有两个钻孔，供支撑框架的垂向导轨通过。
4.如权利要求3所述用于粒子图像测速的移动定位装置，其特征在于，所述每个垂向传动结构包括滚珠丝杆螺母、驱动链轮、下部推力轴承、上部推力轴承、轴承支撑板、四根螺丝，滚珠丝杆螺母外侧上部为双侧切边圆柱形，下部为圆柱形，内径设有与支撑框架的垂向导轨螺纹相螺合的内螺纹，驱动链轮同轴焊接在滚珠丝杆螺母下部外侧圆柱面上，与滚珠丝杆螺母同步转动，上部推力轴承、下部推力轴承依次同轴安装在滚珠丝杠螺母端盖的上、下表面，接触面焊接，下部推力轴承的底面固定在轴承支撑板中心，轴承支撑板中部设有钻孔，以使滚珠丝杆螺母下部圆柱通过，轴承支撑板并通过四根螺丝与升降系统的基座连接，使上部推力轴承的上表面与基座紧密贴合；传动链条与驱动链轮咬合连接，带动驱动链轮及滚珠丝杆螺母转动并产生轴向推力，经上部推力轴承及下部推力轴承，推动升降系统沿垂直方向移动；辅助传动结构与传动链条咬合连接，用于加紧链条；所述辅助传动结构包括辅助链轮、轴承以及不锈钢轴，辅助链轮装有轴承，通过不锈钢轴与升降系统的基座连接。
5.如权利要求1所述用于粒子图像测速的移动定位装置，其特征在于，所述移动定位平台包括面板、齿条、两根水平导轨、四个直线轴承、水平定位结构，其中，每根水平导轨为不锈钢圆柱，两端焊接在基座的内表面，每根水平导轨上安装两个直线轴承，直线轴承固定在面板下表面；面板安装在直线轴承的上表面，可沿水平导轨直线移动；齿条安装在面板上表面一侧，与水平定位结构连接。
6.如权利要求5所述用于粒子图像测速的移动定位装置，其特征在于，所述水平定位结构包括手轮、转轴、转轴固定块、水平定位齿轮、锁紧螺丝；其中，水平定位齿轮与齿条啮合，转轴两端分别与水平定位齿轮、手轮连接，中部安装在转轴固定块中，转轴固定块下端固定安装在升降系统的基座上，在转轴固定块上表面钻孔并攻丝与转轴接触；转动手轮，水平定位齿轮同步转动并通过齿条驱动面板水平移动，拧紧锁紧螺丝，手轮及面板位置得到固定，从而实现移动定位平台的移动和定位功能。
7.如权利要求1所述用于粒子图像测速的移动定位装置，其特征在于，所述相机安装平台有两个，对称设置在移动定位平台两端，每个平台均包括三个微调组合杆、一块面板，每个微调组合杆上部及下部分别为螺杆，中部为螺母，螺母分别与上下螺杆螺纹配合连接；三个微调组合杆的下端面呈三角形固定在移动定位平台的面板上表面，上端面固定在面板的下底面；通过旋转螺母，面板可小幅度升降，从而实现相机安装平台的微调。
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