CN109580701B - 基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置及方法 - Google Patents

基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置及方法，其原理为：用折射率不同的互溶的液体之间溶解时的相对流动代替空气的热对流，由此实现模拟图像热扰动的问题；该实验方法包含以下步骤：在待测区域制备散斑；装置的组装与参数的选择；注入液体1并调试双相机系统对被测区域进行三维坐标测量；注入液体2并对被测区域进行测量；根据需要改变实验条件进行不同条件下的测量。本发明可以在短距离内模拟远距离热干扰，具有实验装置可控性高、实验重复性好、可以在室内连续实验的优点。

Description

基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置及方法
技术领域
本发明涉及光测实验固体力学领域，特别是一种基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置及方法。
背景技术
在光测力学领域，图像测量技术对于图像热扰动(由于温度不均引起的空气热对流导致的图像扰动)，尤其是远距离(200到1500米)图像热扰动，一直没有比较好的解决办法。通常需要模拟实验来寻找和优化相关的算法。
模拟实验常采用热吹风机和烤箱等作为热气流源。但是这类方法需要较大的空间进行实验，并不能在短距离或者说几米之内较好的等比例的模拟远距离的图像热扰动。并且这类方法不能保证周围环境温度稳定，给定量实验造成了困难。另外，加热装置的能耗与噪音较大，不便于在封闭空间内实验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置及方法，能够在实验室内以较短的距离用液体等比例近似模拟不同距离图像热扰动。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置，包括：含有三个以上观察窗口的无顶水箱、带有刻度尺的导轨、用于水下照明的灯、两台工业相机、高分辨率镜头、计算机、流量流速计、管件、滑块、水泵、用于盛放泵入液体的容器、水阀、激光器、温度计、温度控制器、搅拌器；
所述带有刻度尺的导轨水平安装于水箱顶部，所述滑块与导轨配合，用于装载或夹持导管、温度计、搅拌器、悬挂被测物体的装置，且在与导轨方向垂直的方向上设置有指针；所述激光器的光线与被测物体待测区域的最下部水平平齐；所述温度计、温度控制器用于检测和控制容器液体温度，搅拌器用于搅拌水箱内液体搅拌，所述水泵、用于盛放泵入液体的容器、水阀、管件、流量流速计构成液体注入系统，用于向水箱内注入两种可以互溶的、折射率不同的液体；所述工业相机、高分辨率镜头、计算机构成双相机系统，用于确定干扰前后被测区域的三维坐标。
一种基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验方法，包括以下步骤：
步骤1、在待测区域制备散斑；
步骤2、组装实验装置，选择实验参数；
步骤3、注入液体1并调试双相机系统对被测区域进行三维坐标测量；
步骤4、注入液体2并对被测区域进行三维坐标测量；
步骤5、根据需要改变实验条件进行不同条件下的测量。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明通过用折射率不同的液体相互溶解时的相互流动代替热气流，可以在短距离在实验室内模拟室外远距离图像热扰动；2)由于可以加装的监控和调节设备较多，可以很好的控制变量，可以控制单一变量进行实验，可控性高，可重复性高，有益于目前光测力学中抗图像扰动这类技术在初期的研究与发展；3)本发明克服了用电吹风或烤箱的方案不能在连续实验的同时保证环境温度不变的缺陷，可在室内保持相同条件连续实验；(4)该实验装置和方法易于操作、可控性高、重复性高。
附图说明
图1为本发明测量装置示意图。
图2为导轨和滑块的示意图。
图3为本发明方法流程图。
具体实施方式
本发明提供一种基于液体相互溶解时相对流动模拟图像热扰动的实验装置及方法，其原理为：用折射率不同的互溶的液体之间溶解时的相对流动代替空气的热对流，由此实现模拟图像热扰动的问题。
一种基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置，包括：含有三个以上观察窗口3的无顶水箱1、带有刻度尺的导轨6、用于水下照明的灯17、两台工业相机13、高分辨率镜头12、计算机15、流量流速计9、管件7、滑块5、水泵10、用于盛放泵入液体的容器11、水阀8、激光器2、温度计、温度控制器4、搅拌器16；
所述带有刻度尺的导轨6水平安装于水箱顶部，所述滑块5与导轨配合，用于装载或夹持导管、温度计、搅拌器、悬挂被测物体的装置，且在与导轨方向垂直的方向上设置有指针；所述激光器的光线与被测物体待测区域的最下部水平平齐；所述温度计、温度控制器4用于检测和控制容器11液体温度，搅拌器16用于搅拌水箱内液体搅拌，所述水泵10、用于盛放泵入液体的容器11、水阀8、管件7、流量流速计9构成液体注入系统，用于向水箱内注入两种可以互溶的、折射率不同的液体；所述工业相机13、高分辨率镜头12、计算机15构成双相机系统，用于确定干扰前后被测区域的三维坐标。
进一步的，工业相机13设置在三脚架14上。
进一步的，滑块5数量为两个以上。
本发明还提供一种基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验方法，包括以下步骤：
步骤1、散斑制备：在待测区域制备散斑；
步骤2、组装实验装置，选择实验参数；
步骤3、双相机系统的调试与被测物三维坐标的确定：注入液体1并调试双相机系统对被测区域进行三维坐标测量；
步骤4、注入液体2进行测量：注入液体2并对被测区域进行测量；
步骤5、根据需要改变实验条件进行不同条件下的测量。
进一步的，步骤2具体为：
按照需要选定液体1和液体2的种类、浓度、温度、体积，选定注入液体2的流量Q2、流速u2；选定注入液体2的管件在导轨上的位置、被测物在导轨上的位置，组装实验装置，在观察窗口附近放置好双相机系统；所述液体1、液体2为两种可以互溶的折射率不同的液体；所述双相机系统包括两台工业相机和对应的高分辨率镜头。优选的，液体1为水，液体2为饱和氯化钠溶液、饱和蔗糖溶液或饱和葡萄糖溶液。
进一步的，步骤3具体为：
向水箱注入液体1，使得液体1液面高于被测区域最高处至少8cm,记录下注入液体1的体积V1，测得水箱内液体1的温度T1，待液面稳定后，调试双相机系统，测量获得待测区域的三维坐标。
进一步的，步骤4具体为：
打开激光器，使激光器的光线与被测区域的最下部水平平齐，以恒定的流量Q2、流速u2向水箱内注入温度为T2、体积为V2的液体2；透过观察窗口平视被测区域最底端，当看到最底端激光光线出现弯折时，关闭激光器并开始测量；用双相机系统对被测区域表面预先设置的散斑进行追踪，由此，对被测区域进行有模拟干扰下的三维坐标测算。
进一步的，步骤5，根据需要来改变实验条件进行不同条件下的测量，测量方案有：
(1)对于干扰源与被测物体不同间距下的测量：仅改变夹持干扰源即导轨上夹持导管滑块的位置，保持其他所有因素不变，先重复步骤3再重复步骤4；反之，改变导轨上夹持被测物体滑块的位置，保持其他所有因素不变，先重复步骤3，再重复步骤4。
(2)对于是否有搅拌情况下的测量：操作步骤3，仅改变搅拌器的工作功率，保持其他因素不变，再重复步骤4。
(3)对于注入不同种类或者浓度的液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的种类或浓度，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
(4)对于注入不同温度T2的液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的温度T2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
(5)对于以不同流量Q2注入液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的流量Q2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
(6)对于以不同流速u2注入液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的流速u2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
(7)对于注入不同体积V2的液体2情况下的测量：仅改变注入液体2的体积V2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
(8)对于不同温度T1的液体1情况下进行的测量：仅改变液体1的温度T1，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
(9)对于不同体积V1的液体1情况下进行的测量：仅改变注入液体1的体积V1，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
(10)对于注入不同种类或者浓度的液体1情况下进行的测量：仅改变液体1的种类或浓度，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
(11)对于开始注入液体2后不同时刻进行的测量：保持其他条件不变，操作步骤3，在步骤4中所述“注入温度为T2、体积为V2的液体2”的同时开始计时，根据需要在注入液体2之后不同的时刻对被测区域进行测量；
上述方案均可以根据需要来决定是否操作。
下面结合附图和具体实施例对本发明方案作进一步的说明。
实施例
如图1和图2所示，一种基于液体相互溶解时相对流动模拟图像热扰动的实验装置，该装置包括以下设备：
一个内部尺寸长1.5m宽0.8m高0.6m的含有至少三个观察窗口3的无顶的水箱1、一个带有刻度尺的导轨6、至少一个用于水下照明的灯17、两台工业相机13、至少两套高分辨率镜头12、两个三脚架14、计算机15、一个流量流速计9、管件若干7、至少两个滑块5、一个小型水泵10、至少一个用于盛放泵入液体的容器11、至少一个水阀8、至少一组激光器2、至少一个温度计图中包含在温度控制器中、至少两个温度控制器4、搅拌器16。高分辨率镜头的分辨率为500万以上。
带有刻度尺的导轨可以水平安装在水箱顶部，导轨长150cm宽20cm，导轨带有的刻度尺长150cm，刻度尺最小分度值1cm，导轨的强度和刚度应较高，此处建议使用碳纤维材料做导轨。
滑块可以与导轨配合，可以拆卸与固定，与导轨方向垂直的方向上具有指针，可以装载或夹持导管、温度计、搅拌器、悬挂被测物体的装置等设备。
如图3所示，一种基于液体相互溶解时相对流动模拟图像热扰动的实验方法，包括以下步骤：
步骤1、散斑制备：在物体表面待测区域制备散斑。
步骤2、装置的组装与参数的选择：按照需要选定液体1和液体2的种类、浓度、温度、体积，选定注入液体2的流量Q2、流速u2。选定注入液体2的管件在导轨上的位置、被测物在导轨上的位置，组装装置，在观察窗口附近放置好DIC设备(相机、镜头、计算机)。其中，液体1、液体2为两种可以互溶的折射率不同的液体，液体1建议使用水，液体2建议使用饱和氯化钠溶液、饱和蔗糖溶液、饱和葡萄糖溶液等。
步骤3、双相机系统的调试与被测物三维坐标的确定：向水箱注入液体1，使得液体1液面高于被测区域最高处至少8cm,记录下注入液体1的体积V1，测得水箱内液体1的温度T1，待液面稳定后，调试双相机系统设备，测量获得被测区域的三维坐标。本步骤运用到了数字相关技术(DIC)。
步骤4、注入液体2进行测量：打开激光器，使激光器的光线与被测区域的最下部水平平齐，以恒定的流量Q2、流速u2向水箱内注入温度为T2、体积为V2的液体2。透过观察窗口平视被测区域最底端，当看到最底端激光光线出现弯折时，关闭激光器并开始测量。用双相机通过数字图像相关技术对被测区域表面预先设置的散斑进行追踪，由此，对被测区域进行有模拟干扰下的三维坐标测算。
步骤5、根据需要来改变实验条件进行不同条件下的测量，可用的方案(子步骤)有：
步骤5.1、对于干扰源与被测物体不同间距下的测量：仅改变夹持干扰源即导轨上夹持导管滑块的位置，保持其他所有因素不变，先重复步骤3再重复步骤4；反之，改变导轨上夹持被测物体滑块的位置，保持其他所有因素不变，先重复步骤3，再重复步骤4。
步骤5.2、对于是否有搅拌情况下的测量：操作步骤3，仅改变搅拌器的工作功率，保持其他因素不变，再重复步骤4。
步骤5.3、对于注入不同种类或者浓度的液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的种类或浓度，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
步骤5.4、对于注入不同温度T2的液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的温度T2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
步骤5.5、对于以不同流量Q2注入液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的流量Q2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
步骤5.6、对于以不同流速u2注入液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的流速u2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
步骤5.7、对于注入不同体积V2的液体2情况下的测量：仅改变注入液体2的体积V2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
步骤5.8、对于不同温度T1的液体1情况下进行的测量：仅改变液体1的温度T1，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
步骤5.9、对于不同体积V1的液体1情况下进行的测量：仅改变注入液体1的体积V1，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
步骤5.10、对于注入不同种类或者浓度的液体1情况下进行的测量：仅改变液体1的种类或浓度，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4。
步骤5.11、对于开始注入液体2后不同时刻进行的测量：保持其他条件不变，操作步骤3，在步骤4中所述“注入温度为T2、体积为V2的液体2”的同时开始计时，根据需要在注入液体2之后不同的时刻对被测区域进行测量。
步骤5的上述若干子步骤均可以根据需要来选取操作。

Claims (9)

1.一种基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置，其特征在于，包括：含有三个以上观察窗口（3）的无顶水箱（1）、带有刻度尺的导轨（6）、用于水下照明的灯（17）、两台工业相机（13）、高分辨率镜头（12）、计算机（15）、流量流速计（9）、管件（7）、滑块（5）、水泵（10）、用于盛放泵入液体的容器（11）、水阀（8）、激光器（2）、温度计、温度控制器（4）、搅拌器（16）；
所述带有刻度尺的导轨（6）水平安装于水箱顶部，所述滑块（5）与导轨配合，用于装载或夹持导管、温度计、搅拌器、悬挂被测物体的装置，且在与导轨方向垂直的方向上设置有指针；所述激光器的光线与被测物体待测区域的最下部水平平齐；所述温度计、温度控制器（4）用于检测和控制容器（11）液体温度，搅拌器（16）用于搅拌水箱内液体搅拌，所述水泵（10）、用于盛放泵入液体的容器（11）、水阀（8）、管件（7）、流量流速计（9）构成液体注入系统，用于向水箱内注入两种可以互溶的、折射率不同的液体；所述工业相机（13）、高分辨率镜头（12）、计算机（15）构成双相机系统，用于确定干扰前后被测区域的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置，其特征在于，工业相机（13）设置在三脚架（14）上。
3.根据权利要求1所述的基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置，其特征在于，滑块（5）数量为两个以上。
4.一种基于权利要求1所述基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在待测区域制备散斑；
步骤2、组装实验装置，选择实验参数；
步骤3、注入液体1并调试双相机系统对被测区域进行三维坐标测量；
步骤4、注入液体2并对被测区域进行三维坐标测量；
步骤5、根据需要改变实验条件进行不同条件下的测量。
5.根据权利要求4所述基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置的实验方法，其特征在于，步骤2具体为：
按照需要选定液体1和液体2的种类、浓度、温度、体积，选定注入液体2的流量Q2、流速u2；选定注入液体2的管件在导轨上的位置、被测物在导轨上的位置，组装实验装置，在观察窗口附近放置好双相机系统；所述液体1、液体2为两种可以互溶的折射率不同的液体；所述双相机系统包括两台工业相机和对应的高分辨率镜头。
6.根据权利要求5所述基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置的实验方法，其特征在于，液体1为水，液体2为饱和氯化钠溶液、饱和蔗糖溶液或饱和葡萄糖溶液。
7.根据权利要求4所述基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置的实验方法，其特征在于，步骤3具体为：
向水箱注入液体1，使得液体1液面高于被测区域最高处至少8cm,记录下注入液体1的体积V1，测得水箱内液体1的温度T1，待液面稳定后，调试双相机系统，测量获得待测区域的三维坐标。
8.根据权利要求4所述基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置的实验方法，其特征在于，步骤4具体为：
打开激光器，使激光器的光线与被测区域的最下部水平平齐，以恒定的流量Q2、流速u2向水箱内注入温度为T2、体积为V2的液体2；透过观察窗口平视被测区域最底端，当看到最底端激光光线出现弯折时，关闭激光器并开始测量；用双相机系统对被测区域表面预先设置的散斑进行追踪，由此，对被测区域进行有模拟干扰下的三维坐标测算。
9.根据权利要求4所述基于液体互溶时相对流动模拟图像热扰动的实验装置的实验方法，其特征在于，步骤5，根据需要来改变实验条件进行不同条件下的测量，不同条件下的测量方案有：
对于干扰源与被测物体不同间距下的测量：仅改变夹持干扰源即导轨上夹持导管滑块的位置，保持其他所有因素不变，先重复步骤3再重复步骤4；反之，改变导轨上夹持被测物体滑块的位置，保持其他所有因素不变，先重复步骤3，再重复步骤4；
对于是否有搅拌情况下的测量：操作步骤3，仅改变搅拌器的工作功率，保持其他因素不变，再重复步骤4；
对于注入不同种类或者浓度的液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的种类或浓度，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4；
对于注入不同温度T2的液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的温度T2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4；
对于以不同流量Q2注入液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的流量Q2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4；
对于以不同流速u2注入液体2情况下进行的测量：仅改变液体2的流速u2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4；
对于注入不同体积V2的液体2情况下的测量：仅改变注入液体2的体积V2，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4；
对于不同温度T1的液体1情况下进行的测量：仅改变液体1的温度T1，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4；
对于不同体积V1的液体1情况下进行的测量：仅改变注入液体1的体积V1，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4；
对于注入不同种类或者浓度的液体1情况下进行的测量：仅改变液体1的种类或浓度，保持其他因素不变，操作步骤3，再重复步骤4；
对于开始注入液体2后不同时刻进行的测量：保持其他条件不变，操作步骤3，在步骤4中注入液体2的同时开始计时，根据需要在注入液体2之后不同的时刻对被测区域进行测量。
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