CN108663542A - 一种高精度piv基准速度场装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度PIV基准速度场装置，包括基座和设置在基座上的电机和镗头，所述镗头上安装有高速旋转的刀柄，刀柄一端连接转盘，所述转盘内为空腔结构，设置有加强筋，所述加强筋之间设置有填充物，所述转盘的外表面设置有用于测试的示踪粒子;本发明可有效对PIV设备引入的误差进行试验评估，可以作为PIV试验之前进行测量系统地面调试的手段，为PIV试验数据的可靠性分析提供依据；本发明可为PIV算法研究提供一个标准的试验平台，测试不同的算法的准度、精度、可靠性等参数，进行比较。

Description

一种高精度PIV基准速度场装置

技术领域

本发明涉及空气动力学非接触测量领域，尤其是设计一种高精度PIV基准速度场装置。

背景技术

PIV速度场测量的精准度，是衡量试验结果优劣的最根本依据。PIV结果的精准度受制于很多因素，包括硬件设备、粒子投放、互相关算法、光学环境等，必须综合考虑。一般来讲，PIV生产厂家在售出仪器前就已经对其进行了系统标定, 并提出了一个速度精准度的经验指标，但由于各自算法的差异，还没有一个普遍的通用准则出现。实际应用情况的测试误差要比理想环境大的多，因此具体应用之前，首先应当对其测试精准度进行分析。

针对具体的测试对象，除了进行严格的标定和合理使用恰当的粒子外，使用基准速度场获得的精准度可以集中反映相机聚焦、激光片光质量、图像预处理、参数设置、噪声消除技术等对测试结果的影响程度。基准速度场大体分为两类：一是利用计算机模拟生成基准流场研究测量结果误差；另外一种是采用一些不可压缩定常流作为基准速度场，对实际PIV系统测量误差进行估计和分析。无论何种方法，基准速度场都是PIV系统误差实验评价的关键问题。

国外由GartEur、EUROPIV、PivNet组成的联合机构从2001年开始组织了PIV算法的挑战赛, 通过各家研究机构对相同的真实及合成PIV图像的分析来实现对算法的比较, 对比结果精度和计算效率，以期实现对算法的优化和改进。到目前为止还没有出现一种算法能让研究者公认为最优。2008年以来，ITTC（国际拖曳水池大会）和HTA（水动力学试验联盟）前后启动了水动力学领域的基准流场研究工作，分别初步提出了二维和三维基准流场的设计方案，但结果相差较大，目前还未有统一标准。

2005年，董明哲等人利用匀速转动圆盘上粒子的反射光模拟流场中示踪粒子散射光实现基准速度场，建立了一套二维PIV系统的精准度评价系统，但装置比较简单，其测量速度只有8m/s。2009年马政等提出了基于DSP处理技术的高精度速度标准源设计方案，但其稳定性有待提高。2013年程素斌等人探索了水中PIV试验测试流场与CFD模拟结果的校核方法，给出了基准模型周围流场结果。

随着定量流动显示与测量技术的地位越来越重要，有必要建立一套标准速度场装置，对测量误差的评价方法进行深入研究。

发明内容

本发明的目的是研制一种PIV基准速度场系统、建立PIV系统测量误差的评价方法，实现PIV系统实际测量误差的标定，为试验数据结果提供依据。主要考核指标为可测量最大速度不小于200m/s、基准速度场系统速度误差不大于0.1%。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高精度PIV基准速度场装置，包括基座和设置在基座上的电机和镗头，所述镗头上安装有高速旋转的刀柄，刀柄一端连接转盘，所述电机与镗头通过同步轮进行动力传输，

电机的转轴与设置在电机上的同步轮之间设置有胀紧套，所述胀紧套套在电机转轴上且与同步轮通过螺钉固定连接，所述胀紧套内设置有定位卡槽，胀紧套的圆周方向设置有胀紧套槽；

所述转盘内为空腔结构，设置有加强筋，所述加强筋之间设置有填充物，所述转盘的外表面设置有用于测试的示踪粒子。

在上述技术方案中，所述同步轮的轮齿的形状为弧齿。

在上述技术方案中，所述基座为大刚度框架式结构，基座的上下安装平面平行且平行度优于120μm。

在上述技术方案中，所述示踪粒子为转盘边缘粘贴黑底白点的贴纸，所述贴纸上有随机分布的点。

在上述技术方案中，PIV系统的标定测量试验采用激光投射到测量表面的照明方式，利用柱面透镜成像使光束在单方向放大的特点，利用两组正交的柱面镜，实现体光束的成型，根据光斑大小和所需照明的面积获取计算参数。

在上述技术方案中，通过系统进行基本计算，无其它修正，分别计算出每对图像的速度场。

在上述技术方案中，在计算所有结果的平均值时，每次取转盘圆周面纵向上的任一一条线上分布的速度最大值为最终测量结果。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明可有效对PIV设备引入的误差进行试验评估，可以作为PIV试验之前进行测量系统地面调试的手段，为PIV试验数据的可靠性分析提供依据；

本发明可为PIV算法研究提供一个标准的试验平台，测试不同的算法的准度、精度、可靠性等参数，进行比较。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是基准速度场装置同步传动结构图；

其中：1是电机支座；2是左同步轮；3是螺钉；4是垫圈；5是胀紧套；6是电机；7是键；8是同步带；9是右同步轮。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

实施方式一

如图1所示，包括电机和镗头，电机与镗头之间通过同步带（轮）进行动力传输连接，系统基本原理是：高速电机通过同步带轮将动力传递到镗头上，带动安装在刀柄上的转盘旋转。主要通过以下技术途径保证高精度的转速控制：

一是优化的系统设计确保传动比为1：1，使得转盘所需转速即是电机转速。系统的胀紧套装配受力后弹性变形与电机轴、左同步轮联结为一体，同时实现轴向、周向定位锁紧。依照节矩越小，传动精度越高，中心距越短，则允许传动速度越高的原则，确定同步轮（带）的节矩与中心距，齿形选择弧齿，同步带材料选用橡胶。转盘直径0.5m，加工精度控制在±0.05mm以内。

二是采用先进的基于PC的控制技术和高速以太网总线EtherCAT技术相结合的整体控制系统解决方案。控制系统采用EPC作为硬件平台，结合TwinCAT实时内核，使其成为一个实时运动控制器，可以对电机轴进行高精度实时运动控制。高精度编码器反馈达20bit，运动控制驱动部分采用先进的高精度AX5000系列伺服驱动器并结合电机，通过EtherCAT工业实时以太网总线与控制器相连。控制系统软件设计基于TWINCAT PLC软件，实现精确运动控制。

在高转速的情况下通过以下技术途径实现高速转盘的稳定性：

一是选用可靠的伺服电机。选用的电机在400VAC电压下，电机额定转速7300rad/min，理论最高转速9000rad/min。电机实际最高转速可达7746rad/min，对应速度约为203m/s，满足实验对转速的需求。

二是确保系统基础的稳定。为了保持转盘高速旋转时系统平稳不振动，基座设计为大刚度框架式结构。基座安装在平台（平面度176μm）上，基座上下安装平面平行（平行度优于120μm），以保证转盘旋转轴始终平行于水平面。

三是对转盘本身的稳定处理。作为高速旋转部件，转盘材料选为YL12，转动惯量小。在加强筋之间填充硬质泡沫，最大程度减小了高速旋转时的风阻和噪音。并且在实验前对转盘做动平衡实验。

装置在进行PIV标定测量试验时，采用经典的二维PIV测量方法及被标定系统自身的基本互相关处理算法。将速度标准系统安装在检定合格的平台上并调平固定；选取适合视场大小的镜头及测量距离，使相机正对测量区域，镜头平面与测量平面平行；调整激光，使其均匀照亮测量区域，利用系统自带的采集软件通过同步控制器控制相机与激光器同步触发采集。

区别于传统的PIV试验粒子投放方法，由于无法通过投放固态或汽态的粒子材料在高速旋转的圆盘表面来完成，因此本发明采用在圆盘边缘贴黑底白点的贴纸的方法来模拟示踪粒子，贴纸上打有随机分布的点。

传统的PIV测量采用的是片光照明，但在本实验中测量面并不是在空间中，而是在圆盘的表面，片光并不适用。因此采用体激光投射到测量表面的照明方法，利用柱面透镜成像是使光束在单方向放大的特点，利用两组正交的柱面镜，即可实现体光束的成型，根据光斑大小和所需照明的面积计算焦距等参数。

采用典型的二维标定方法，由已知的圆周宽度对应的像素大小换算得到图像放大比。利用系统采集软件控制同步器同步触发相机与激光连续采集50对图像并保存，通过公式计算dt值，代入视场大小与相机分辨率进行计算。

由于不同系统的算法存在一些差别，为了完成相应系统的误差整体标定，利用系统自身的软件进行基本计算。分别计算出每对图像的速度场。

为进一步减小误差，首先对计算的所有结果取平均。由于被测量旋转圆盘的圆周面是一个弧面，整个区域速度分布并不相等，相机虽已正对测量区域，但其水平度及各方向的倾角误差仍不可能完全消除。因此，取纵向任一直线上分布的速度最大值为最终测量结果，可以有效避免以上问题。最终以每次测量的最大值作为结果数据。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种高精度PIV基准速度场装置，包括基座和设置在基座上的电机和镗头，所述镗头上安装有高速旋转的刀柄，刀柄一端连接转盘，所述电机与镗头通过同步轮进行动力传输，

其特征在于：电机的转轴与设置在电机上的同步轮之间设置有胀紧套，所述胀紧套套在电机转轴上且与同步轮通过螺钉固定连接，所述胀紧套内设置有定位卡槽，胀紧套的圆周方向设置有胀紧套槽；

所述转盘内为空腔结构，设置有加强筋，所述加强筋之间设置有填充物，所述转盘的外表面设置有用于测试的示踪粒子。

2.根据权利要求1所述的一种高精度PIV基准速度场装置，其特征在于所述同步轮的轮齿的形状为弧齿。

3.根据权利要求1所述的一种高精度PIV基准速度场装置，其特征在于所述基座为大刚度框架式结构，基座的上下安装平面平行且平行度优于120μm。

4.根据权利要求1所述的一种高精度PIV基准速度场装置，其特征在于所述示踪粒子为转盘边缘粘贴黑底白点的贴纸，所述贴纸上有随机分布的点。

5.根据权利要求1-5任一所述的一种高精度PIV基准速度场装置，其特征在于PIV系统的标定测量试验采用激光投射到测量表面的照明方式，利用柱面透镜成像使光束在单方向放大的特点，利用两组正交的柱面镜，实现体光束的成型，根据光斑大小和所需照明的面积获取计算参数。

6.根据权利要求5所述的一种高精度PIV基准速度场装置，其特征在于通过系统进行基本计算，无其它修正，分别计算出每对图像的速度场。

7.根据权利要求6所述的一种高精度PIV基准速度场装置，其特征在于在计算所有结果的平均值时，每次取转盘圆周面纵向上的任一一条线上分布的速度最大值为最终测量结果。