CN107948525A - 一种适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置，包括信号采集单元和摄影仪，其中，还包括：时序处理单元，用于输出信号采集单元和摄影仪的同步触发电平信号，来同步触发摄影仪的启停记录以及信号采集单元的信号采集；脉冲发生器，用于将时序处理单元输出的同步触发电平信号转换为两个脉冲信号，其中，摄像仪接收到脉冲信号时，交替启动拍摄和停止拍摄。本发明提供了一种在液体测量方面用于摄影仪采集与传感器测量的基于可编程时序的触发和记录装置，能自动将摄像仪拍摄的图像信号和信号采集单元采集的数字信号在时间轴上匹配起来，以实现流动特征与参数的整体分析。

Description

一种适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录 装置

技术领域

本发明属于流体观测领域，具体涉及一种适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置。

背景技术

高速摄影技术是一种广泛用于高速运动的实验观察方法。对于瞬态变化的运动，高速摄影能够以很高的频率对动态变化过程进行拍摄和记录，其记录的图像可直观反映高速瞬态变化过程的变化趋势，为研究高速运动机理和规律提供可靠数据。在流体领域，有大量流动属于非定常流场或瞬态流动，例如湍流、流体的流速、流场、气泡、沸腾、两相流等。在对这些流动特征的观察和分析中，高速摄影技术起到了不可替代的作用。

大多数情况下，对瞬态流动的综合研究还包括对流动的流场参数、动力学特征等的测量，这部分一般由传感器采集实现。但是高速摄影仪一般通过手动触发或者软件动作触发。另外，由高速摄影的原理可知，高速摄影通常只能进行较短时间的拍摄。因此，高速摄影仪的拍摄一般只记录整个流动中少部分需要观察的区间。这些原因导致在瞬态流动的特征分析中，图像信号的分析与传感器测量分析往往是独立进行的，对流动的整体特征、图像与流场特征的关系很难建立起来。

因此，现有的流体观测方法和装置存在缺陷，还需要改进。

发明内容

本发明之目的是提供一种在流体测量方面用于摄影仪采集与传感器测量的基于可编程时序的触发和记录装置，以实现流动特征与参数的整体分析。

由此，本发明提供了一种高速摄影图像与传感器信号的时序触发和记录装置，包括信号采集单元和摄影仪，其中，还包括：时序处理单元，用于输出信号采集单元和摄影仪的同步触发电平信号，来同步触发摄影仪的启停记录以及信号采集单元的信号采集；脉冲发生器，用于将时序处理单元输出的同步触发电平信号转换为两个脉冲信号，其中，摄像仪接收到脉冲信号时，交替启动拍摄和停止拍摄。

作为优选方式，时序处理单元包括：输入模块，用于接收控制时序；存储单元，用于存储控制时序；高频时钟，用于计时；延时计数器，用于根据高频时钟的时间和控制时序来计算触信号采集单元的采集和述摄影仪的拍摄的触发时间；控制单元，用于根据信号采集单元的采集和述摄影仪的拍摄的触发时间，来生成同步触发电平信号；输出模块，用于输出同步触发电平信号，以触发摄影仪的启停记录以及信号采集单元的信号采集，其中，电平信号的初始态为低电平，当时序触发开启后变为高电平，再次关闭时复位为低电平。

作为优选方式，脉冲发生器包括：反相器，用于接收同步触发电平信号，以输出时钟震荡信号；非门电路，用于将A路的电平信号转换为同向的B 路电平信号和反向的C路电平信号；第一单稳态电路，用于接收时钟震荡信号和B路电平信号，以及输出触发摄影仪开启拍摄的触发电平信号，其中，第一单稳态电路在时钟震荡信号和B路电平信号的触发下，第一单稳态电路从稳态翻转到暂态，并且经过一段时间后，又会自动返回到稳态；第二单稳态电路，用于接收时钟震荡信号和C路电平信号，用于接收时钟震荡信号和 C路电平信号，以及输出触发摄影仪停止拍摄的触发电平信号，其中，第二单稳态电路在时钟震荡信号和C路电平信号的触发下，第二单稳态电路从稳态翻转到暂态，并且经过一段时间后，又会自动返回到稳态；与门电路，用于合成第一单稳态电路和第二单稳态电路输出的触发电平信号，以分别输出开始拍摄和停止拍摄的脉冲信号，来触发摄影仪的启停记录。

作为优选方式，本发明的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置，还包括：主控计算机，用于输入并更改控制时序，输出新的控制时序至时序处理单元，以及接收摄影仪拍摄的图像和信号采集单元采集的传感数据。

作为优选方式，摄影仪为高速摄影仪。

作为优选方式，信号采集单元包括PXI数据采集卡和/或传感器。

作为优选方式，本发明的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置，还包括：UPS电源，用于向时序控制和记录装置的各个部件供电。

作为优选方式，主控计算机分别与时序处理单元、信号采集单元和摄影仪通过以太网接口连接，以相互传输数据；时序处理单元通过有线或无线分别连接信号采集单元和脉冲发生器，以相互传输数据。

作为优选方式，控制单元为基于PLC的可编程控制器；输出模块采用晶体管输出同步触发电平信号。

作为优选方式，触发电平信号为方波脉冲信号，摄影仪采用TTL上升沿触发，当接收到来自脉冲发生器的方波脉冲信号时，于脉冲上升沿触发开始拍摄，接收到下一个脉冲上升沿时停止拍摄，并自动将拍摄的图像传输至主控计算机存储。

因此，本发明提供的触发和记录方法和装置能自动将摄像仪拍摄的图像信号和信号采集单元采集的数字信号在时间轴上匹配起来，实现了流动特征与参数的整体分析。

具体来说，本发明的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置具有以下好处：

1)能稳定而精确地控制摄影仪采集图像的时间区间，提高了实验的可重复性和稳定性。

2)实现了图像信号与流动参数在时间上的对应，进而可以进行对于流动参数与流动形态之间联系的分析。

3)减少了实验过程中需要手动控制的操作，有利于提高实验操作的自动化和一体化程度，并且减少了误差等。

通过将摄影仪的采集动作集成至控制与测量时序中，可以精确获得采集的图像信号与传感器采集信号、阀门等元器件开关动作之间的时间间隔，进而一方面准确控制图像采集的开始时间点，一方面对于后续数据处理，可以实现对流场信号与图像信号在同一时刻的信号分析，从而建立起可视化测量与流动参数测量的耦合分析。此外，本发明实现了摄影仪的自动触发，对于需要进行可视化观测的过程，将最后一个需要实验中手动控制的因素并入了自动化测控系统中，因而提高了实验过程的自动化程度。

附图说明

图1为适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置的结构和流程的示意框图。

图2为时序处理单元的结构和流程的示意图。

图3为脉冲发生器的电路结构的示意图。

图4为脉冲发生器的触发信号的变化的示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

目前的实验测量中，基于传感器与数据采集卡的测控系统与通过高速摄影仪进行的可视化图像捕捉是两个独立的系统。其中，信号参数采集采用较为成熟的测量控制系统，采用自动控制，时序触发的方式实现，图像采集多采用手动触发高速摄影仪实现。而手动触发图像采集造成的一个重要问题是：不能确知于实验开始后何时进行的图像采集，进而无法建立图像信号与压力，温度等参数变化的对应关系，因此对于图像与其他参数的分析是独立进行的。这一问题导致对某个流动过程的分析常常是片面的，不完善的。

本发明将高速摄影仪的采集过程集成入数据采集与控制系统中，通过高频时钟计时，依照时序要求使高速摄影仪的采集触发与传感器的数据采集在时间上的差值可以精确到毫秒级，从而将流场可视化变化与流场参数的变化联系起来，便于分析瞬态变化过程中流态的精细变化的原因。因此，本发明的重点在于通过主控计算机、时序处理单元和脉冲发生器将高速摄影仪的采集触发集成进目前相对成熟的传感器测量系统中。

示例性方法

下面，参考图1和图2来描述根据本申请实施例的一种适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录方法。

图1图示了适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置的结构和流程。如图1所示，根据本申请实施例的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录方法可以包括：

时序处理单元接收时序处理的触发信号，进入时序工作状态。

在时序工作状态下，时序处理单元根据控制时序在预设时间点输出同步触发电平信号。输出的同步触发电平信号可以为多路电平信号(每一路电平信号可以相同或不同，信号采集单元和摄影仪不一定同时采集，而是根据时序信号分别执行采集动作，若每一路电平均相同则能够同时采集，控制时序是实验人员根据实验需要进行预先设定的，每一路的时序信号都是事先设定好的)。通过该电平信号来触发某一时刻下，信号采集单元和摄影仪的同步采集和拍摄。时序处理单元将该电平信号分别输出至信号采集单元和脉冲发生器，还可以同步输出另一路电平信号来触发元器件的动作。

信号采集单元接收同步触发电平信号，并根据该电平信号，在相应的时刻与摄影仪同步工作来采集数据。

脉冲发生器(例如，单脉冲发生器)接收同步触发电平信号，其中，该电平信号包括用于触发摄影仪拍摄的时序信号。脉冲发生器将时序信号转换为方波脉冲，其中，该方波脉冲为脉冲发生器根据时序信号在触发摄像仪开始记录和停止记录的时序节点上输出的方波脉冲。

摄影仪接收到该方波脉冲的上升沿时交替触发开始拍摄和停止拍摄，以同步触发摄像仪的拍摄和信号采集单元的采集，并实现摄像仪的自动启停。摄影仪可以为高速摄影仪。

根据本申请实施例的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录方法还可以包括：

在主控计算机中编写和更新控制时序。

将主控计算机更新的控制时序下载和储存在时序处理单元中。时序处理单元等待主控计算机下达外部触发命令的触发信号，以进入时序工作状态。

图2图示了时序处理单元的结构与流程。在本实施例中，具体地，如图 2所示，可以例如，当时序处理单元接收到来自主控计算机的触发信号上升沿时，进入时序工作状态。还可以例如，将主控计算机更新的控制时序下载和储存在时序处理单元的存储单元中。时序处理单元可以例如通过输入模块来接收到来自主控计算机的触发信号和控制时序。时序处理单元的控制单元可以生成同步触发电平信号，且可以通过输出模块输出该同步触发电平信号至信号采集单元和脉冲发生器，还可以同步输出另一路同步触发电平信号来触发元器件的动作。

主控计算机更新控制时序可以通过对控制时序进行重新编程来实现。时序处理单元实时下载更新的控制时序，并根据控制时序在预设时间点输出电平信号。

输出模块可以提供多个输出通道，例如可以分别对应信号采集单元、脉冲发生器及其他动作单元(动作单元为元器件如阀门，阀门例如电磁阀等)，每个通道只输出一段时间内的控制时序的电平信号，对应特定单元(例如，信号采集单元、脉冲发生器及其他动作单元)的触发。

脉冲发生器可以包括单脉冲发生单元。单脉冲发生单元可以接收用于触发摄影仪的时序信号，并在开始记录和停止记录的时序节点分别输出方波脉冲，且摄影仪通过该方波脉冲的上升沿实现触发。

在一个示例中，信号采集单元可以包括信号处理单元和传感器。当信号处理单元接收到开启PXI的触发信号(该触发信号可以由主控计算机或是时序处理单元发出)后，启动信号处理单元的内置时钟和数据采集卡。信号采集单元可以根据内置时钟来匹配同步触发电平信号，根据电平信号来识别时序，根据时序来输出脉冲，以记录各传感器的数据，例如当电平信号出现上升沿时，输出脉冲触发传感器开始记录，当电平信号出现下降沿时，再次输出脉冲触发传感器停止记录。

在一个示例中，时序处理单元的结构和工作流程如图2所示，包括：

实验前，主控计算机预设控制时序，控制时序经网络传输至时序处理单元。控制时序经时序处理单元的输入模块下载至存储单元中存储，其中，输入模块可以包括网卡和宽带接口等。

时序处理单元等待主控计算机下达开始的触发信号。时序处理单元的输入模块检测到触发信号后，触发延时计数器工作，其中，输入模块还可以包括数据包监听单元，以监听触发信号。

延时计数器可以在延迟T后(如5s)输出使能信号，该使能信号可以为预设的触发信号，延时计数器计算该触发信号设置的延时时间，当到达延时时间时开始工作，并输出使能信号。此时，控制单元调用储存在存储器中的控制时序并开始工作，同时延时触发器触发高频时钟模块开始计数，作为控制单元的时钟信号。延时计数器根据高频时钟的时间和控制时序来计算触信号采集单元的采集和述摄影仪的拍摄(还有其他元器件)的触发时间，在到达触发时刻时自动输出翻转信号。控制单元根据该使能信号来控制输出的电平翻转。该电平实时同步分流输出至信号采集单元和脉冲发生器(还有其他元器件)。信号采集单元自动识别该电平，并按照时序，在到达触发采集的时序节点时，控制传感器进行采集。脉冲发生器在触发启动拍摄和停止拍摄的时序节点，自动分别输出触发摄像仪启动和停止的脉冲。从而实现摄像仪和信号采集单元(还有其他元器件)的自动同步采集。

由此可见，采用根据本申请实施例的方法，能自动将摄像仪拍摄的图像信号和信号采集单元采集的数字信号在时间轴上匹配起来，以实现流动特征与参数的整体分析。

具体来说，根据本申请实施例的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录方法具有以下好处：

1)能稳定而精确地控制摄影仪采集图像的时间区间，提高了实验的可重复性和稳定性。

2)实现了图像信号与流动参数在时间上的对应，进而可以进行对于流动参数与流动形态之间联系的分析。

3)减少了实验过程中需要手动控制的操作，有利于提高实验操作的自动化和一体化程度，并且减少了误差等。

示例性装置

下面，参考图1、图2、图3和图4来描述根据本申请实施例的一种适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置。

图1图示了适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置的结构和流程。如图1所示，根据本申请实施例的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置可以包括信号采集单元(可以控制传感器采集，传感器可以集成在信号采集单元上或与其单独设置)、摄影仪(例如，高速摄影仪)、时序处理单元和脉冲发生器(例如，单脉冲发生器)。

时序处理单元用于输出信号采集单元和摄影仪的同步触发电平信号，来同步触发摄影仪的启停记录以及信号采集单元的信号采集，还可以同步触发动作单元(例如，元器件)的动作。

脉冲发生器用于将时序处理单元输出的同步触发电平信号转换为两个脉冲信号，其中，摄像仪接收到脉冲信号时，交替启动拍摄和停止拍摄。

因此，本发明的时序处理单元能够同步触发摄像仪和信号采集单元工作，实现图像信号和数字信号在时间轴上的自动匹配。

具体地，本发明的信号采集单元可以包括PXI数据采集卡和/或传感器。为提高实验的精度，优选地，摄影仪可以为高速摄影仪。因为PXI数据采集卡和高速摄影仪均可以通过现有技术实现，因此，本发明不再对上述设备进行赘述。

图2图示了时序处理单元的结构与流程。如图2所示，本实施例进一步优选地，时序处理单元可以包括输入模块、存储单元、高频时钟、延时计数器、控制单元和输出模块。

具体地，输入模块用于接收控制时序。

存储单元用于存储控制时序。

高频时钟用于计时。

延时计数器用于根据高频时钟的时间和控制时序来计算触信号采集单元的采集和述摄影仪的拍摄的触发时间。

控制单元用于根据信号采集单元的采集和述摄影仪的拍摄的触发时间，来生成同步触发电平信号。

输出模块用于输出同步触发电平信号，以触发摄影仪的启停记录以及信号采集单元的信号采集，其中，电平信号的初始态为低电平，当时序触发开启后变为高电平，再次关闭时复位为低电平。

在本实施例中，时序处理单元的输入和输出模块均可以包括网卡和宽带接口等，以与主控计算机、脉冲发生器和信号采集单元进行数据交互。输入模块还可以包括数据包监听单元，以监听主控计算机发出的触发信号，以触发系统各个单元或部件(例如，延时计数器、控制单元、高频时钟、存储单元等等)的工作。脉冲发生器和信号采集单元也可以包括网卡和宽带接口，以和主控计算机、时序处理单元和/或摄像仪进行数据交互。

时序处理单元的输出模块可以提供多个输出通道，例如可以分别对应信号采集单元、脉冲发生器及其他动作单元(动作单元为元器件如阀门，阀门例如电磁阀等)，每个通道只输出一段时间内的控制时序的电平信号，对应特定单元(例如，信号采集单元、脉冲发生器及其他动作单元)的触发。

在一个示例中，时序处理单元为基于PLC可编程控制器的控制模块，可以包括输入输出模块、处理器和存储单元。控制时序在主控计算机上编写，通过输入模块存入存储器中。输出模块采用晶体管输出电平信号。初始态为低电平，当时序触发开启后变为高电平，再次关闭时复位为低电平。输出信号用于触发信号采集单元采集(例如，PXI数据采集卡采集)、各元器件动作及摄影仪记录。

这样一方面实现了无线自动控制采集图像信号和数字信号，另一方面由于输出模块的多通道触发信号的自动分流，实现了生成完全同步的用于触发的电平信号，一路电平信号触发摄像仪拍摄图像信号，另一路电平信号触发采集单元采集数字信号(还可以包括另一路电平信号触发元器件动作)，使得实验的数字信号和图像信号能够自动按照时间，相互稳定且精确地匹配在一起。

图3图示了脉冲发生器(例如，单脉冲发生器)的电路结构。如图3所示，本实施例进一步优选地，脉冲发生器可以包括反向器、非门电路、第一单稳态电路、第二单稳态电路和与门电路。

反相器，用于接收同步触发电平信号，以输出时钟震荡信号；

非门电路，用于将A路的电平信号转换为同向的B路电平信号和反向的C路电平信号。

第一单稳态电路，用于接收时钟震荡信号和B路电平信号，以及输出触发摄影仪开启拍摄的触发电平信号，其中，第一单稳态电路在时钟震荡信号和B路电平信号的触发下，第一单稳态电路从稳态翻转到暂态，并且经过一段时间后，又会自动返回到稳态。

第二单稳态电路，用于接收时钟震荡信号和C路电平信号，用于接收时钟震荡信号和C路电平信号，以及输出触发摄影仪停止拍摄的触发电平信号，其中，第二单稳态电路在时钟震荡信号和C路电平信号的触发下，第二单稳态电路从稳态翻转到暂态，并且经过一段时间后，又会自动返回到稳态。

与门电路，用于合成第一单稳态电路和第二单稳态电路输出的触发电平信号，以分别输出开始拍摄和停止拍摄的脉冲信号，来触发摄影仪的启停记录。

在一个示例中，例如，触发电平信号的上升沿可以表示摄影仪开始拍摄，下降沿可以表示摄影仪停止拍摄。当脉冲发生器接收到上升沿的电平信号时，发出一次脉冲，接收到下降沿的电平信号时，又发出一次脉冲。

在一个示例中，例如，脉冲发生器接受模块接收时序处理单元输出的电平信号。电平改变的时刻，输出模块发出方波脉冲，摄影仪由该脉冲信号触发，开始进行记录。脉冲发生器模块由一个非门，两个单稳态电路和一个与门构成，用于将控制单元输出的电平信号转变成方波脉冲信号，触发摄影仪采集。

在一个示例中，例如，脉冲发生器可以包括单脉冲发生单元。单脉冲发生单元可以接收用于触发摄影仪的时序信号，并在开始记录和停止记录的时序节点分别输出方波脉冲，且摄影仪通过该方波脉冲的上升沿实现触发。

在一个示例中，摄影仪采用TTL上升沿触发，当接收到来自脉冲发生器的方波脉冲信号时，于脉冲上升沿触发开始录制动作，接收到下一个脉冲上升沿时停止录制，并自动将图像下载至主控计算机存储。摄影仪可以为高速摄影仪。

在本实施例中，脉冲发生器的作用主要是在相应的时刻输出启动拍摄和停止拍摄的脉冲信号。因为，时序信号无法直接被摄像仪识别。因此，通过脉冲发生器的作用，将触发的开始拍摄和停止拍摄的电平信号转换为两次脉冲信号来控制摄像仪的启动拍摄和关闭拍摄。这样，一方面便于按照时间轴存储图像数据，以实现图像信号和数字信号的自动匹配。另一方面，这样能够节约存储空间减少数据量，便于观察和分析实验结果。

本实施例进一步优选地，本申请实施例的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置还可以包括主控计算机。主控计算机，用于输入并更改控制时序，输出新的控制时序至时序处理单元，以及接收摄影仪拍摄的图像和信号采集单元采集的传感数据。

在本实施例中，具体地，可以例如，当时序处理单元接收到来自主控计算机的触发信号上升沿时，进入时序工作状态。还可以例如，将主控计算机更新的控制时序下载和储存在时序处理单元的存储单元中。时序处理单元可以例如通过输入模块来接收到来自主控计算机的触发信号和控制时序。时序处理单元的控制单元可以生成同步触发电平信号，且可以通过输出模块输出该同步触发电平信号至信号采集单元和脉冲发生器(还可以包括另一路同步触发电平信号触发元器件动作)。

主控计算机更新控制时序可以通过对控制时序进行重新编程来实现。时序处理单元实时下载更新的控制时序，并根据控制时序在预设时间点输出电平信号。主控计算机还可以实时接收摄像仪拍摄的图像信号和信号采集单元采集的数字信号，并实时显示、绘制将图像信号和数字信号匹配在一起的实验图表，以实时显示实验过程。这样，一方面方便随时变更控制时序。另一方面能在主控计算机上实时且直观地监控实验过程，方便分析实验数据。

在一个示例中，主控计算机分别与时序处理单元、信号采集单元和摄影仪(例如，高速摄影仪)通过以太网接口连接，以相互传输数据。时序处理单元通过有线或无线分别连接信号采集单元和脉冲发生器(例如，单脉冲发生器)，以相互传输数据。

在一个示例中，主控计算机分别与时序处理单元、信号采集单元、摄影仪(例如，高速摄影仪)通过以太网接口连接，时序处理单元与信号采集单元及脉冲发生器(例如，单脉冲发生器)间、信号采集单元与传感器间、脉冲发生器(例如，单脉冲发生器)与摄影仪(例如，高速摄影仪)间通过信号传输电缆连接。

这样便于实时更新控制时序，以及接收实验数据，对实验数据进行直观的检测。

本实施例进一步优选地，信号采集单元可以包括信号处理单元和传感器。当信号处理单元接收到开启的触发信号(该触发信号可以由主控计算机或是时序处理单元发出，若信号采集单元连接PXI总线，则该触发信号为PXI 开启的触发信号)后，启动信号处理单元的内置时钟和数据采集卡。信号采集单元根据内置时钟来匹配同步触发电平信号，根据电平信号来识别时序，根据时序来输出脉冲，以记录各传感器的数据，例如当电平信号出现上升沿时，输出脉冲触发传感器开始记录，当电平信号出现下降沿时，再次输出脉冲触发传感器停止记录。

在一个示例中，信号采集单元包括PXI数据采集卡和/或传感器。

具体地，信号采集单元为采用PXI总线的自动测量系统，通过信号传输电缆提供采集通道，将各传感器的原始信号进行采集、过滤、转换和分析，并上传给总控计算机。信号采集单元接收由时序处理单元提供的触发信号并启动数据采集。

在本实施例中，信号处理单元的作用主要是按照时序，在相应的时刻输出开始采集的信号，以控制传感器开始采集。传感器接到开始采集的信号在一定时间内持续采集数据。这样，一方面便于按照时间轴存储图像数据，以实现图像信号和数字信号的自动匹配。另一方面，便于观察和分析实验结果。

本实施例进一步优选地，本发明的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置，还包括：UPS电源，用于向时序控制和记录装置的各个部件供电。

在一个示例中，主控计算机分别与时序处理单元、信号采集单元、摄影仪通过以太网接口连接。时序处理单元下游输出模块连接信号采集单元和脉冲发生器，UPS电源通过电源线向整个系统供电。

信号采集单元可以包括信号处理单元和传感器，其中，信号处理单元和传感器上均设置有用于无线连接的通讯模块，例如蓝牙模块、WIFI模块或移动蜂窝模块等。信号处理单元通过无线连接向传感器发送开始采集的信号。传感器通过无线连接向信号处理单元上传采集的实验数据。

上述适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置中的各个单元和模块的具体功能和操作已经在上面参考图1和图2描述的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录方法中详细介绍，并因此，将省略其重复描述。

表1典型时序顺序表

绝对时间(ms)	相对时间(ms)	控制	动作
				0	0	PXI触发	开
T1		阀门1	开
				T2		摄影仪	开
T3		阀门1	关
				T3		摄影仪	关
T4	T4	PXI触发	关

信号采集单元包括PXI数据采集卡和传感器。一个典型的控制时序如表 1所示，当时钟信号计时至T1时刻(T1为控制时序预先设置的时间节点) 后，PXI触发开启，时序处理单元的输出模块的电平信号分别通过控制通道 1输出给信号采集单元，控制通道3输出给摄像仪，控制通道2输出给其他其他动作单元(动作单元为元器件如阀门，阀门例如电磁阀等)。当控制通道1的输出变为高电平，信号采集单元识别到触发信号并开始工作，且传感器开始记录。当时序处理单元计时至T2(T2为控制时序预先设置的时间节点)后，控制通道2输出变为高电平，启动其他动作单元的动作。当时序处理单元计时至T3(T3为控制时序预先设置的时间节点)时，控制摄影仪的触发信号变为高电平，被脉冲发生器的单脉冲发生单元接收，并输出一个方波脉冲信号，触发摄影仪(例如，高速摄影仪)记录。当计时至控制动作变为关时，各路控制信号输出由高电平变为低电平，结束各路控制，同时信号采集单元和摄影仪记录的数据上传至主控计算机。

时序处理单元选用基于PLC的硬件控制，硬件控制的优点在于：1.基于 PLC的时序编程控制是一项相对成熟的技术方案，实现简便，硬件易得，可推广性极强；2.时序处理单元输出的触发信号分成多通道，每一个通道仅对应一个控制，即分别对应触发传感器采集、高速摄影仪采集、其他各种阀门等的触发，对于输出多路简单信号，电子硬件实现相较于软件具有过程简单，实现简便等优势。另外，输出的触发信号为一电平信号，时序表中每一个元器件(PXI、高速摄影仪、阀门)都仅对应一个输出通道，对应一个电平信号，初始输出全部为低电平0V，即使至对应元器件开启时刻时，对应通道电平由低变高，作为触发信号触发元器件开始工作或阀门开启，当计时至对应器件关时刻时，电平再次变为0V，元器件停止工作或阀门重新关闭。所采用的时序通过主控计算机进行编写，进行实验前下载至处理单元中。重复同一过程时，采用的实验时序是完全相同的。对于不同过程，可编写不同的控制时序。

信号采集单元可以包括传感器和数据采集卡，转接机柜。数据采集卡为信号采集单元内置的一个信号采集系统。传感器将对应流场变化参数反应为电压或电流的信号变化，通过转接机柜将其传输至数据采集卡，数据采集卡根据预设的采样频率，传感器量程与电压或电流的上下限关系将电压等变化转换成真实的参数信号，并自动转存至主控计算机内。其中，预设采样频率应与传感器的采样频率一致。

图3图示了脉冲发生器(例如，单脉冲发生器)的电路结构。脉冲发送器可以包括单脉冲发生单元。如图3所示，单脉冲发生单元可以由反相器、单稳电路、和非门电路组成。单稳电路采用上升沿触发，当外部输入由低电平变为高电平时，单稳电路输出一个方波脉冲。摄影仪通过方波信号的上升沿实现触发。触发信号被分成两路，每一路信号分别输入到一个单稳电路中，最后通过一个与门电路汇成一路。在本实施例中，可以认为位于上方的单稳电路是第一单稳电路，位于下方的单稳电路是第二单稳电路。

图4图示了脉冲发生器(例如，单脉冲发生器)的触发信号变化图。脉冲发送器可以包括单脉冲发生单元。参见图4，初始态，触发信号置低电平，经反向后反向端为高电平，单稳电路输出均为低电平。

在开始触发到来时，正常端由低变高，反向端由高变低。单稳电路包括第一单稳电路(单稳1)和第二单稳电路(单稳2)。当第一单稳电路收到开始触发的触发信号时，输出单方波脉冲信号，第二单稳电路维持低电平。结束触发到来时，正常端由高变低，反向端由低变高，第一单稳电路维持低电平。第二单稳电路收到结束触发的触发信号时，输出单方波脉冲信号。第一单稳电路和第二单稳电路的单方波脉冲信号进行与运算后，用于触发摄影仪的启动和停止。该信号表现为于控制摄影仪的开始拍摄与结束拍摄的时刻，各输出一个单方波脉冲。摄影仪通过该单方波脉冲信号的上升沿交替触发开始拍摄与结束拍摄的动作。

在脉冲发生器结构中，反向端指通过非门电路后的电平触发信号，对应下面一个单稳电路的触发，正常端为上面一个电路的触发信号。所述触发输出是指两路信号经过与门电路后输出用于高速摄影仪记录开始与停止的控制信号。所述TTL上升沿触发是一种触发方式：触发信号为数字信号，当电平由低翻转变为高电平的瞬间，元器件实现触发。高速摄影仪一般带有该触发模式与手动模式，可自行选择。

由此可见，采用根据本申请实施例的装置，能自动将摄像仪拍摄的图像信号和信号采集单元采集的数字信号在时间轴上匹配起来，以实现流动特征与参数的整体分析。

具体来说，根据本申请实施例的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置具有以下好处：

1)能稳定而精确地控制摄影仪采集图像的时间区间，提高了实验的可重复性和稳定性。

2)实现了图像信号与流动参数在时间上的对应，进而可以进行对于流动参数与流动形态之间联系的分析。

3)减少了实验过程中需要手动控制的操作，有利于提高实验操作的自动化和一体化程度，并且减少了误差等。

对于本发明提到的优点，通过将摄影仪的采集动作集成至控制与测量时序中，可以精确获得采集的图像信号与传感器采集信号、阀门等元器件开关动作之间的时间间隔，进而一方面准确控制图像采集的开始时间点，一方面对于后续数据处理，可以实现对流场信号与图像信号在同一时刻的信号分析，从而建立起可视化测量与流动参数测量的耦合分析。此外，本发明实现了摄影仪(例如，高速摄影仪)的自动触发，对于需要进行可视化观测的过程，将最后一个需要实验中手动控制的因素并入了自动化测控系统中，因而提高了实验过程的自动化程度。

如上，根据本申请实施例，该适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录设备可以是相互独立的，也可以是集成的。

在一个示例中，根据本申请实施例的高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置可以作为一个软件模块和/或硬件模块而集成到该高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录设备中。例如，该高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录可以是该高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录设备的操作系统中的一个软件模块，或者可以是针对于该高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录设备所开发的一个应用程序；当然，该高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置同样可以是该高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录设备的众多硬件模块之一。

替换地，在另一示例中，该高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置与该适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录设备也可以是分立的设备，并且该高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置可以通过有线和/或无线网络连接到该高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录设备，并且按照约定的数据格式来传输交互信息。

示例性电子设备

本申请实施例的电子设备可以是可以是相互独立的，也可以是集成的。处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其他组件以执行期望的功能。

存储器可以包括一个或多个计算机程序产品，计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器 (cache)等。非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器可以运行程序指令，以实现上文的本申请的各个实施例的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录方法以及/或者其他期望的功能。在计算机可读存储介质中还可以存储诸如输入图像和数字信号、信号分量、噪声分量等各种内容。

在一个示例中，电子设备还可以包括：输入装置和输出装置，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构互连。

例如，输入装置可以是鼠标、键盘、触摸屏或麦克风或麦克风阵列。输入装置还可以是通信网络连接器，用于接收所采集的输入信号。

该输出装置可以向外部输出各种信息，包括确定出的距离信息、方向信息等。该输出设备可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出设备等等。

示例性计算机程序产品和计算机可读存储介质

除了上述方法和设备以外，本申请的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，计算机程序指令在被处理器运行时使得处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的方法中的步骤。

计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。

此外，本申请的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，计算机程序指令在被处理器运行时使得处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录方法中的步骤。

计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种适用于高速摄影图像与传感器信号的时序控制和记录装置，包括信号采集单元和摄影仪，其特征在于，还包括：

时序处理单元，用于输出所述信号采集单元和所述摄影仪的同步触发电平信号，来同步触发所述摄影仪的启停记录以及所述信号采集单元的信号采集；

脉冲发生器，用于将所述时序处理单元输出的同步触发电平信号转换为两个脉冲信号，其中，所述摄像仪接收到脉冲信号时，交替启动拍摄和停止拍摄。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述时序处理单元包括：

输入模块，用于接收控制时序；

存储单元，用于存储控制时序；

高频时钟，用于计时；

延时计数器，用于根据所述高频时钟的时间和控制时序来计算触所述信号采集单元的采集和述摄影仪的拍摄的触发时间；

控制单元，用于根据所述信号采集单元的采集和述摄影仪的拍摄的触发时间，来生成同步触发电平信号；

输出模块，用于输出同步触发电平信号，以触发所述摄影仪的启停记录以及所述信号采集单元的信号采集，其中，电平信号的初始态为低电平，当时序触发开启后变为高电平，再次关闭时复位为低电平。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲发生器包括：

反相器，用于接收同步触发电平信号，以输出时钟震荡信号；

非门电路，用于将A路的电平信号转换为同向的B路电平信号和反向的C路电平信号；

第一单稳态电路，用于接收时钟震荡信号和B路电平信号，以及输出触发所述摄影仪开启拍摄的触发电平信号，其中，所述第一单稳态电路在时钟震荡信号和B路电平信号的触发下，所述第一单稳态电路从稳态翻转到暂态，并且经过一段时间后，又会自动返回到稳态；

第二单稳态电路，用于接收时钟震荡信号和C路电平信号，用于接收时钟震荡信号和C路电平信号，以及输出触发所述摄影仪停止拍摄的触发电平信号，其中，所述第二单稳态电路在时钟震荡信号和C路电平信号的触发下，所述第二单稳态电路从稳态翻转到暂态，并且经过一段时间后，又会自动返回到稳态；

与门电路，用于合成第一单稳态电路和第二单稳态电路输出的触发电平信号，以分别输出开始拍摄和停止拍摄的脉冲信号，来触发所述摄影仪的启停记录。

4.如权利要求1所述的装置，其中，还包括：

主控计算机，用于输入并更改控制时序，输出新的控制时序至所述时序处理单元，以及接收所述摄影仪拍摄的图像和所述信号采集单元采集的传感数据。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述摄影仪为高速摄影仪。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述信号采集单元包括PXI数据采集卡和/或传感器。

7.如权利要求1所述的装置，其中，还包括：

UPS电源，用于向时序控制和记录装置的各个部件供电。

8.如权利要求4所述的装置，其中，

所述主控计算机分别与所述时序处理单元、信号采集单元和摄影仪通过以太网接口连接，以相互传输数据；

所述时序处理单元通过有线或无线分别连接所述信号采集单元和脉冲发生器，以相互传输数据。

9.如权利要求2所述的装置，其中，

所述控制单元为基于PLC的可编程控制器；

所述输出模块采用晶体管输出同步触发电平信号。

10.如权利要求4所述的装置，其中，所述触发电平信号为方波脉冲信号，所述摄影仪采用TTL上升沿触发，当接收到来自所述脉冲发生器的方波脉冲信号时，于脉冲上升沿触发开始拍摄，接收到下一个脉冲上升沿时停止拍摄，并自动将拍摄的图像传输至所述主控计算机存储。