CN109307809A - 一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电场测量相关技术领域，其公开了一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法，所述设备包括示踪粒子、示踪粒子带电系统、视觉测量系统及计算机辅助处理控制系统，所述示踪粒子带电系统及所述视觉测量系统分别连接于所述计算机辅助处理控制系统；所述示踪粒子带电系统用于分批次地给所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子进行上电；所述视觉测量系统用于实时地捕获被测空间电场中运动的所述示踪粒子的图像，并将捕获的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统；所述计算机辅助处理控制系统用于实时地对接收到的图像进行处理以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。本发明能够实现实时测量，且精度及效率较高，灵活性较好。

Description

一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法

技术领域

本发明属于电场测量相关技术领域，更具体地，涉及一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法。

背景技术

随着电子技术的发展，电子设备的应用愈加广泛，从生产制造的工业领域到信号传输的通讯行业，从需要考虑电学污染的环保角度，到必须考虑电磁辐射危险的安全角度，电荷及变化磁场周围空间客观存在的电场及其影响变得越来越重要，所以获知电场强度分布的必要性愈发凸显。常规电场强度和分布的测量都是通过特定天线的感知来完成，受天线尺寸及原理的限制，获取的场强数据为单点采集，无法同时得到空间中各个位置的准确电场强度，从而无法满足空间强电场环境中高精度场强分布的测试需求。故，常见且稳定的电场强度探测方法仅能有效探测一维或者二维平面的电场分布，尚未有较为成熟的三维电场强度探测方法。

现阶段，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如专利201510219250.9公开了一种三维电场强度测量装置，其采用由三副相互垂直的偶极子天线组成的三维电场探头，使得该三维电场强度测量装置能够测量三维电场强度。该测量装置实质上是将三个一维电场强度测量电路采集到的数据经单片机处理计算耦合得到的三维电场强度，可以等效于将单个电场强度测试天线探头在空间电场中移动数千次，并拼合到电场强度云图，然而，这种方式虽然在原理上实现了三维电场的测量，但并未实现同时测量空间电场分布，测量过程需要消耗大量的时间，故只能针对静电场，不能针对动态电场的测量，且测量数据从采集、传输到处理呈现都有较大的误差，数据处理过程庞大且繁琐，导致最终测量数据的精度不高。又如专利201710918389.1公开了一种利用电流变液检测直流电场强度的装置，该装置中所含的电流变液自身性质(如粘度和流动性)等会在外加电场中发生改变，通过检测电流变液的自身属性的改变而得到空间电场强度的变化，这种方式理论上提供了一种测量动态空间电场的解决方法，但是该方式只能检测直流电场的分布，应用范围较小，且该方式需要与存储的数据库进行匹配，将电流变液自身性质与场强分布进行对应标定才能得到具体的电场强度数值，应用率较低且对标定过程要求较高。

再如专利201510149648.X提出了一种完整的PIV测量烟气流场的装置和方法，依靠供能发光的粒子运动和分布图像，可对烟气流场进行高精度的瞬态测量，但是其依托于气流运动的测量方法使其不能应用于空间电场的实时测量中。此外，专利201710967002.1公开了一种基于PIV方法测量荷电灰尘迁移运动特性的测量装置及方法，该装置能够得到荷电灰尘的平均迁移速度和迁移率，但是这种方式针对的只是单点荷电灰尘的运动属性，不能对空间电场的实时分布进行精密化的测量。相应地，本领域存在着发展一种能够以较高精度对空间复杂电场进行实时测量的电场测量设备及方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法，其基于现有空间电场的测量特点，研究及设计了一种能够实现对空间电场进行实时测量的采用粒子图像测速的电场测量设备及方法。所述设备通过将普通示踪粒子带电而转变成带电示踪粒子，并使带电的示踪粒子分批次运动到被测空间电场中的指定位置，且被测空间电场启动后，带电的示踪粒子随空间电场影响而运动，通过实时拍摄运动的示踪粒子的图像，并对所述图像进行三维拼合、求解等处理来得到被测空间电场的强度及分布信息，简单易于实施，效率及精度较高，且实现了实时测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种采用粒子图像测速的电场测量设备，所述电场测量设备包括示踪粒子、示踪粒子带电系统、视觉测量系统及计算机辅助处理控制系统，所述示踪粒子带电系统及所述视觉测量系统分别连接于所述计算机辅助处理控制系统；所述示踪粒子被激光照射后发生散射或者反射；

所述示踪粒子带电系统用于分批次地给所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子进行上电，所述示踪粒子在动能的作用下运动到被测空间电场中的特定位置，由此使得所述示踪粒子均匀分布于所述被测空间电场；所述视觉测量系统用于实时地捕获被测空间电场中运动的所述示踪粒子的图像，并将捕获的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统；所述计算机辅助处理控制系统用于实时地对接收到的图像进行三维拼合及分析，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。

进一步地，所述示踪粒子带电系统包括粒子喷枪、上电网格及高压电源，所述粒子喷枪水平设置；所述上电网格与所述粒子喷枪相对设置；所述高压电源分别连接于所述上电网格及所述计算机辅助处理控制系统。

进一步地，所述上电网格通电后能产生离子层；所述粒子喷枪用于将所述示踪粒子喷向所述上电网格，所述示踪粒子经过所述上电网格时获取电能，获取电能后的所述示踪粒子运动到被测空间电场中。

进一步地，所述视觉测量系统包括激光器、光学透镜及CCD相机组，所述光学透镜及所述CCD相机组分别设置在待测空间电场的两侧，所述激光器连接于所述计算机辅助处理控制系统，所述光学透镜设置在所述激光器的出口处，所述CCD相机组用于实时地拍摄待测空间电场中运动的示踪粒子的图像。

进一步地，所述激光器用于发射脉冲激光，所述脉冲激光经所述光学透镜后形成激光片，所述激光片照亮被测空间电场的空间区域。

进一步地，所述CCD相机组包括多个CCD相机，多个所述CCD相机设置于被测空间电场同一侧的不同位置。

按照本发明的另一个方面，提供了一种采用粒子图像测速的电场测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)提供如上所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，并选取所述示踪粒子；

(2)所述示踪粒子带电系统给选取的所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子进行上电，所述示踪粒子在所述动能的作用下运动到被测空间电场中的特定位置，由此使得所述示踪粒子均匀分布于所述被测空间电场；

(3)所述视觉测量系统实时地向被测空间电场发射脉冲激光，并实时地捕获待测空间电场中运动的所述示踪粒子的图像，同时将获取的图像实时传输给所述计算机辅助处理控制系统；

(4)所述计算机辅助处理控制系统依次对接收到的图像进行三维拼合、优化、保存及比对来得到所述示踪粒子所在位置的电场强度及方向，进而得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。

进一步地，步骤(4)中，所述计算机辅助处理控制系统依次对接收到的图像进行三维拼合、优化及保存；之后，所述计算机辅助处理控制系统将保存的图像按照保存的先后顺序进行比对来得到所述示踪粒子所在位置的电场强度及方向；接着，对被测空间电场内每一点的电场强度及方向进行矢量叠加及拼合，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。

进一步地，所述计算机辅助处理控制系统将保存的图像按照所述计算机辅助处理控制系统接收到的时间先后顺序进行比对，并结合捕获时间间隔及所述示踪粒子的运动位移进行求解以得到所述示踪粒子的运动轨迹与运动位移，进而得到所述示踪粒子所在位置的电场强度和方向。

进一步地，步骤(3)之前还包括开启被测空间电场，使得带电的所述示踪粒子开始随被测空间电场的影响而运动。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的采用粒子图像测速的电场测量设备及方法主要具有以下有益效果：

1.本发明采用了粒子图像测速技术，可以实现对空间电场的动态实时测量，突破了现有电场测量方法只能针对静态、平面的技术壁垒，且由于是非接触式测量，则测量过程无需破坏空间布局及电场分布，提高了测量精度，也不会影响空间电场。

2.所述示踪粒子带电系统用于分批次地给所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子进行上电，为进行更多功能性测量和研究提供了粒子基础，突破了传统PIV技术普遍适用于测量流场中的局限性，且通过对所述示踪粒子进行有针对性的处理可以实现对温度场、压力场等不同类型空间物理场强度与方向的测量。

3.所述示踪粒子在动能的作用下运动到被测空间电场中的特定位置，由此使得所述示踪粒子均匀分布于所述被测空间电场，即根据示踪粒子的属性及给予的不同的初始动能，示踪粒子分批次进到被测空间电场的指定位置，实现了均匀分布，提高了测量准确性。

4.所述计算机辅助处理控制系统用于实时地对接收到的图像进行三维拼合及分析，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息，通过粒子运动的图像转换为电场信息，简单易于实施，且准确性较高。

5.CCD相机组在不同位置得到不同角度的视觉图像，通过对图像的求解和拼合可得到整体空间数据，进而得到被测空间整体电场的强度和方向分布情况，相比于传统的单点测量，提高了效率及精度，扩大了测量范围。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的采用粒子图像测速的电场测量设备使用时的示意图。

图2是图1中的采用粒子图像测速的电场测量设备的示踪粒子带电系统的示意图。

图3是图1中的采用粒子图像测速的电场测量设备的视觉测量系统的示意图。

图4是采用图1中的采用粒子图像测速的电场测量设备测得的空间电场云图。

图5中的a图及b图分别是采用图1中的采用粒子图像测速的电场测量设备测得的示踪粒子运动与电场线分布之间的耦合关系曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-示踪粒子，2-示踪粒子带电系统，21-粒子喷枪，22-上电网格，23-高压电源，3-视觉测量系统，31-激光器，32-光学透镜，33-CCD相机组，4-计算机辅助处理控制系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2及图3，本发明较佳实施方式提供的采用粒子图像测速的电场测量设备，所述电场测量设备用于以较高精度、大范围及高效率地对空间复杂电场进行实时测量。所述电场测量设备包括示踪粒子1、示踪粒子带电系统2、视觉测量系统3及计算机辅助处理控制系统4，所述示踪粒子带电系统2及所述视觉测量系统3分别连接于所述计算机辅助处理控制系统4。所述示踪粒子带电系统2用于给所述示踪粒子1进行上电，上电后的所述示踪粒子1均匀分布在被测空间电场中，以用于将被测空间电场分布和强度信息实时地表现出来。所述视觉测量系统2用于捕获被测空间电场内的所述示踪粒子1的图像，并将获得的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统4，所述计算机辅助处理控制系统4对接收到的图像数据进行处理、优化及转换后以显示出被测空间电场的分布及强度信息。

所述示踪粒子带电系统2包括粒子喷枪21、上电网格22及高压电源23，所述粒子喷枪21水平设置，其枪口正对所述上电网格22。所述粒子喷枪21用于为所述示踪粒子1提供初始动能。所述上电网格22设置于所述粒子喷枪21与待测空间电场之间，其竖直设置。所述上电网格22位于所述粒子喷枪21的喷射范围内。所述高压电源23的一端与所述上电网格22电性连接，另一端与所述计算机辅助处理控制系统4电性连接，以用于为所述上电网格22及所述计算机辅助处理控制系统4进行供电。所述上电网格22通电后，其能够产生离子层，所述粒子喷枪21将所述示踪粒子1自自身枪口喷向所述上电网格22，所述示踪粒子1通过所述上电网格22时获取电能，获电后的所述示踪粒子1进入被测空间电场中。

所述视觉测量系统3包括激光器31、光学透镜32及CCD相机组33，所述光学透镜32及所述CCD相机组33分别设置在待测空间电场的两侧。所述激光器31连接于所述计算机辅助处理控制系统4，其用于发射脉冲激光。所述光学透镜32设置在所述激光器31的出口处，所述脉冲激光经所述光学透镜32后形成激光片，所述激光片照亮被测空间电场的空间区域。此时，该空间区域内均匀的分布有适量的带电使能的所述示踪粒子1。所述CCD相机组33包括多个具备高速获取图像功能的CCD相机，多个所述CCD相机被设置于被测空间电场的同一侧的不同位置。经由所述光学透镜32整形后脉冲激光照射到所述示踪粒子1上便会自然地散射或者反射，所述CCD相机组33用于实时捕获所述示踪粒子1的散射或者反射的图像，并将获得的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统4。

所述计算机辅助处理控制系统4包括控制模块及处理模块，所述控制模块分别连接于所述激光器31、所述高压电源23、所述CCD相机组33，以对所述激光器31、所述高压电源23及所述CCD相机组33进行控制。所述处理模块用于对接收到的图像数据进行处理及分析，以得到被测空间电场的分布及强度信息。

请参阅图4及图5，本发明还提供了一种采用粒子图像测速的电场测量方法，所述电场测量方法主要包括以下步骤：

步骤一，提供如上所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，并选取所述示踪粒子1，所述示踪粒子1被激光照射后发生散射或者反射。具体地，所述示踪粒子1直接反应流场的特性，电场情况通过所述示踪粒子1的运动情况信息来进行反应，所述示踪粒子1需具有以下性质：被激光照射后能够散射或者反射；能够控制带电且带电量需保证同种、等量、很少；无毒；无腐蚀；无磨损；化学性质稳定；良好的跟随性及散射性；浓度适中。

步骤二，将选取的所述示踪粒子1放入所述粒子喷枪21中，将所述上电网格22通电，所述粒子喷枪21将所述示踪粒子1分批次朝向所述上电网格22喷出，经由所述上电网格22获电后的所述示踪粒子1运动到被测空间电场中的特定位置。

具体地，将选取好的所述示踪粒子1放置于所述粒子喷枪21中待用；接着，将所述上电网格22通电，并调节所述高压电源23来使所述上电网格22的格间电压满足要求，以能够产生离子层；之后，所述粒子喷枪21将所述示踪粒子1以特别小的动能喷射出，所述示踪粒子1经过所述上电网格22获电后进入到被测空间电场中即静止，且均匀的分布在被测空间电场中。

步骤三，所述视觉测量系统3实时地向被测空间电场发射脉冲激光，被测空间电场中处于运动状态的所述示踪粒子1发生散射或者反射，所述视觉测量系统3并实时地获取所述示踪粒子1的图像，并将获取的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统4。

具体地，开启被测空间电场，使得带电使能的所述示踪粒子1开始随电场影响而运动；之后，调节所述激光器31来调节其发射出的脉冲激光的功率参数，使得脉冲激光通过所述光学透镜32投射到并照亮被测空间电场的整个空间区域；被测空间电场中运动的所述示踪粒子1发生散射或者反射，所述CCD相机组33高速捕获瞬态的粒子场的图像，并将得到的图像实时地传输给所述计算机辅助处理控制系统4。其中，所述CCD相机组33在时间上需要与所述脉冲激光进行匹配，以记录图像捕获的时间间隔。

步骤四，所述计算机辅助处理控制系统4依次对接收到的图像进行三维拼合、优化及保存，之后，所述计算机辅助处理控制系统4将保存的图像按照保存的先后顺序进行比对来得到所示示踪粒子1所在位置的电场强度及方向；接着，对被测空间电场内每一点的电场强度及方向进行矢量叠加及拼合，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。

具体地，首先，所述计算机辅助处理控制系统4对接收到的图像进行处理和优化，并进行保存；之后，将保存的图像按照所述计算机辅助处理控制系统4接收到的时间先后顺序进行比对，并结合捕获时间间隔及所述示踪粒子1的运动位移，通过相关算法进行求解以得到所述示踪粒子1的运动轨迹与运动位移，进而得到所述示踪粒子所在位置的电场强度和方向；接着，将被测空间电场中每一点的电场强度和方向进行矢量叠加和拼合，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。

其中，由于PIV技术的捕获时间间隔较小，所以通过比对同一示踪粒子在相邻图像中的位置，可以得到示踪粒子在该处的运动速度矢量v和运动加速度矢量a，已知粒子质量m，带电量q，所以

可得：

示踪粒子加速度的方向即为该处电场的方向，在不考虑示踪粒子间的碰撞损耗，便可得到示踪粒子所在位置的电场强度和方向，将被测空间电场中每一点的电场强度和方向进行矢量叠加和拼合，即可得到被测空间电场的整体电场分布及其强度信息。

本发明提供的采用粒子图像测速的电场测量设备及方法，所述电场测量设备采用了PIV技术，且结合带电示踪粒子及图像处理分析方法，实现了对空间电场的实时地、高精度的测量，测量范围较广泛，灵活性较高，适用性较强。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：

所述电场测量设备包括示踪粒子(1)、示踪粒子带电系统(2)、视觉测量系统(3)及计算机辅助处理控制系统(4)，所述示踪粒子带电系统(2)及所述视觉测量系统(3)分别连接于所述计算机辅助处理控制系统(4)；所述示踪粒子(1)被激光照射后发生散射或者反射；

所述示踪粒子带电系统(2)用于分批次地给所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子(1)进行上电，所述示踪粒子(1)在动能的作用下运动到被测空间电场中的特定位置，由此使得所述示踪粒子(1)均匀分布于所述被测空间电场；所述视觉测量系统(3)用于实时地捕获被测空间电场中运动的所述示踪粒子(1)的图像，并将捕获的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统(4)；所述计算机辅助处理控制系统(4)用于实时地对接收到的图像进行三维拼合及分析，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。

2.如权利要求1所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述示踪粒子带电系统(2)包括粒子喷枪(21)、上电网格(22)及高压电源(23)，所述粒子喷枪(21)水平设置；所述上电网格(22)与所述粒子喷枪(21)相对设置；所述高压电源(23)分别连接于所述上电网格(22)及所述计算机辅助处理控制系统(4)。

3.如权利要求2所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述上电网格(22)通电后能产生离子层；所述粒子喷枪(21)用于将所述示踪粒子(1)喷向所述上电网格(22)，所述示踪粒子(1)经过所述上电网格(22)时获取电能，获取电能后的所述示踪粒子(1)运动到被测空间电场中。

4.如权利要求1所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述视觉测量系统(3)包括激光器(31)、光学透镜(32)及CCD相机组(33)，所述光学透镜(32)及所述CCD相机组(33)分别设置在待测空间电场的两侧，所述激光器(31)连接于所述计算机辅助处理控制系统(4)，所述光学透镜(32)设置在所述激光器(31)的出口处，所述CCD相机组(33)用于实时地拍摄待测空间电场中运动的示踪粒子(1)的图像。

5.如权利要求4所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述激光器(31)用于发射脉冲激光，所述脉冲激光经所述光学透镜(32)后形成激光片，所述激光片照亮被测空间电场的空间区域。

6.如权利要求4所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述CCD相机组(33)包括多个CCD相机，多个所述CCD相机设置于被测空间电场同一侧的不同位置。

7.一种采用粒子图像测速的电场测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)提供权利要求1-6任一项所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，并选取所述示踪粒子(1)；

(2)所述示踪粒子带电系统(2)给选取的所述示踪粒子(1)提供动能并对所述示踪粒子(1)进行上电，所述示踪粒子(1)在所述动能的作用下运动到被测空间电场中的特定位置，由此使得所述示踪粒子(1)均匀分布于所述被测空间电场；

(3)所述视觉测量系统(3)实时地向被测空间电场发射脉冲激光，并实时地捕获待测空间电场中运动的所述示踪粒子(1)的图像，同时将获取的图像实时传输给所述计算机辅助处理控制系统(4)；

(4)所述计算机辅助处理控制系统(4)依次对接收到的图像进行三维拼合、优化、保存及比对来得到所述示踪粒子(1)所在位置的电场强度及方向，进而得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。

8.如权利要求7所述的采用粒子图像测速的电场测量方法，其特征在于：步骤(4)中，所述计算机辅助处理控制系统(4)依次对接收到的图像进行三维拼合、优化及保存；之后，所述计算机辅助处理控制系统(4)将保存的图像按照保存的先后顺序进行比对来得到所述示踪粒子(1)所在位置的电场强度及方向；接着，对被测空间电场内每一点的电场强度及方向进行矢量叠加及拼合，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。

9.如权利要求8所述的采用粒子图像测速的电场测量方法，其特征在于：所述计算机辅助处理控制系统(4)将保存的图像按照所述计算机辅助处理控制系统(4)接收到的时间先后顺序进行比对，并结合捕获时间间隔及所述示踪粒子(1)的运动位移进行求解以得到所述示踪粒子(1)的运动轨迹与运动位移，进而得到所述示踪粒子(1)所在位置的电场强度和方向。

10.如权利要求7所述的采用粒子图像测速的电场测量方法，其特征在于：步骤(3)之前还包括开启被测空间电场，使得带电的所述示踪粒子(1)开始随被测空间电场的影响而运动。