CN112378615A - 一种用于2d-3c piv试验的离轴对焦装置 - Google Patents

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陈植
周方奇
赵宽
魏志
梁锦敏
李玉平
荣祥森
蒋卫民
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Abstract

本发明公开了一种用于2D‑3C PIV试验的离轴对焦装置。该装置包括L型的支架，支架竖直段开有通孔，通孔内安装单反光学镜头；支架水平段下表面固定连接位移电动调节台，位移电动调节台带动支架前后移动；支架水平段上表面设置有导轨，转接板Ⅰ装卡在导轨上，转接板Ⅰ沿导轨前后移动，转接板Ⅰ的上表面固定通用角度电动调节台，通用角度电动调节台上安装PIV相机；初始状态下，单反光学镜头与PIV相机同轴，单反光学镜头中心正对PIV相机传感器中心；通用角度电动调节台和位移电动调节台的工控机均与PIV图像采集系统安装在同一个操作平台上，或者控制软件均集成在PIV图像采集系统中。该装置价格低廉、维修便捷，角度调节和定位精度高，兼具手动和自动调节功能。

Description

一种用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置
技术领域
本发明属于高速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置。
背景技术
PIV技术利用CCD或者CMOS相机拍摄流场中的示踪粒子、追踪单位时间内的粒子位移，通过连续两张PIV图片计算得到粒子速度。
相机的镜头和传感器是平行布置的，要对测试平面进行对焦，需要将相机正对测试平面，使测试平面(对焦面)、镜头平面和成像平面(传感器)三者平行，然后再通过调整镜头的对焦环即可拍摄清晰的平面照片。
对于二维流动即2D-2C模式，测量测试平面内的两个速度分量时，将相机的镜头、传感器与被拍摄的测试平面保持平行，就能使整个测试平面对焦清晰，得到清晰的二维流动PIV图片。
对于三维流动即2D-3C模式，2D-2C模式的相机的镜头、传感器与测试平面平行的布置方式就无法给出测试平面的法向速度分量，拍摄得到的PIV图片是三维速度在测试平面内的投影，也就是说，法向速度被歪曲了。因此，进行2D-3C PIV测量，需要考虑对测试区域内的第三个速度分量即平面的法向速度分量进行测量。
开展2D-3C PIV测量时，需要使用两台相机同时对测试区域进行拍摄，拍摄时，每台相机与测试区域形成约45°的夹角，这样可以保证两台相机都能测量到测试区域内粒子沿三个正交方向的运动，但是两台相机的布置要遵循离轴对焦原理即Scheimpflug原理。离轴对焦原理要求每台相机的镜头平面和成像平面具有一定的夹角，两台相机的镜头平面和成像平面均对称分布在测试区域的两侧，最终实现两个相机对测试区域全场对焦。
要实现离轴对焦原理，必须对相机和镜头的位置进行系统设计，使相机和镜头具备离轴对焦的能力，并制造配套的离轴对焦角度调节装置。为了获得高质量的离轴对焦效果，离轴对焦角度调节装置需要具备以下几个特性：足够小的角度调节分辨率；足够高的角度定位精度；角度调节装置稳固可靠，且具有角度自锁能力。
目前的商用PIV系统都具有2D-3C PIV测量能力，也都开发了各自附带的离轴对焦角度调节装置。国外的PIV系统起步时间早，技术比较成熟，附带的离轴对焦角度调节装置通常分为手动和自动调节两种，作为单独的产品与PIV系统配套销售，优点在于：装置集成度高，技术成熟；操作比较方便，能够从PIV数据采集软件上进行远程操作，界面设计比较友好，定位精度达到0.1°，精度较高且具有角度自锁能力。缺点主要是：价格昂贵，一套自动调节装置的价格在6万人民币以上；系统高度封装，零部件可替换度低，一旦出现故障需要发往国外进行维修，维修周期长，费用高昂。国产的PIV系统附带的离轴对焦角度调节装置主要是手动调节装置，采用的手动调节装置的方法非常简单：将相机和一根螺杆固定在一起，通过旋转螺杆带动相机旋转，并通过两个压紧螺杆进行定位。这种手动调节装置的缺点比较明显：角度调节无法量化，只能靠操作人员的手感进行调节；不具备角度自锁功能，在使用压紧螺杆进行角度锁定时，由于压紧螺杆本身也在旋转，因此很容易改变相机角度。由于离轴对焦的对焦精度对离轴对焦角度非常敏感，因此，这种手动调节装置的角度调节和定位精度都比较差。由于不具备远程调节能力，调节过程中需要两人进行配合方能完成，工作效率低下。
当前，亟需发展一种调节精度高、成本低廉的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置。
本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特点是，所述的离轴对焦装置包括L型的支架，支架的竖直段开有通孔，通孔内安装单反光学镜头；支架的水平段下表面固定连接位移电动调节台，位移电动调节台带动支架前后移动；支架的水平段上表面设置有导轨，转接板Ⅰ装卡在导轨上方，转接板Ⅰ沿导轨前后移动，转接板Ⅰ的上表面固定通用角度电动调节台，通用角度电动调节台上安装PIV相机；初始状态下，单反光学镜头与PIV相机同轴，单反光学镜头中心正对PIV相机传感器中心；
所述的通用角度电动调节台的工控机与PIV图像采集系统安装在同一个操作平台上，或者通用角度电动调节台的控制软件集成在PIV图像采集系统中；
所述的位移电动调节台的工控机与PIV图像采集系统安装在同一个操作平台上，或者位移电动调节台的控制软件集成在PIV图像采集系统中。
进一步地，所述的支架的竖直段通孔内安装有镜头转接环，单反光学镜头装卡在镜头转接环中。
进一步地，所述的支架的竖直段通孔外安装有顶紧螺钉，顶紧螺钉顶紧镜头转接环。
进一步地，所述的支架的水平段下表面通过转接板Ⅱ固定连接位移电动调节台。
进一步地，所述的转接板Ⅰ为中间凸起的台阶板，中间的台阶的上表面固定有通用角度电动调节台，两侧的台阶开有平行于导轨的通槽，转接板Ⅰ通过穿过通槽的螺栓定位并固定。
进一步地，所述的通用角度电动调节台上固定有安装座，安装座为方框形状，PIV相机装卡在方框内。
进一步地，所述的通用角度电动调节台为市售产品。
进一步地，所述的位移电动调节台为市售产品。
进一步地，所述的导轨的截面形状为矩形、三角形、燕尾形或者圆柱形。
本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置采用单反光学镜头，通过导轨移动相机能够方便地调整镜头平面到成像平面的距离。
本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置中的支架的作用是整合镜头、相机、通用角度电动调节台和位移电动调节台，保证镜头、相机的定位精度，从而提高PIV图片拍摄精度。
本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置中的通用角度电动调节台的作用是精确调节传感器平面与镜头平面的夹角，使其满足离轴对焦原理。通用角度电动调节台采用市售产品，具有以下优点：兼具手动和远程自动角度调节功能；具有类似的连接形式和接口；调节精度通常优于0.1°，甚至优于0.05°；采用蜗轮蜗杆结构，具有角度自锁功能；价格便宜，容易采购。解决了国外的PIV系统附带的离轴对焦角度调节装置封装度过高、维修不便、价格昂贵等问题，以及国产的PIV系统附带的离轴对焦角度调节装置定位精度不高、无法远程控制等问题。
本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置相比进口同类产品，在性能指标相当的前提下，成本不到前者的1/6；相比国内同类产品，角度定位精度和可操作性远远超出，且具有前者不具备的远程电动调节能力，成本也便宜一半以上；采用的核心元件是市售的通用角度电动调节台，后期维修非常方便，可替换性极佳。
综上所述，本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置价格低廉、调节迅速、部件替代性好、维修便捷，角度调节和定位精度高，兼具手动和自动远程调节功能，能够推广应用于工程实践中。
附图说明
图1为本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置的结构示意图；
图2为本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置的应用示意图。
图中，1.支架 2.转接板Ⅰ 3.通用角度电动调节台 4.安装座 5.镜头转接环6.单反光学镜头 7.转接板Ⅱ 8.位移电动调节台 9.顶紧螺钉 10.导轨 11.PIV相机；
S.测试区域；
S0.测试区域S所在的平面；
A6.离轴对焦装置A的单反光学镜头；
A11.离轴对焦装置A的PIV相机；
A6L.A6所在的镜头平面；
A11L.A11所在的成像平面；
A0.镜头平面A6L、成像平面A11L和测试区域平面S0的交线；
B6.离轴对焦装置B的单反光学镜头；
B11.离轴对焦装置B的PIV相机；
B6L.B6所在的镜头平面；
B11L.B11所在的成像平面；
B0.镜头平面B6L、成像平面B11L和测试区域平面S0的交线；
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置包括L型的支架1，支架1的竖直段开有通孔，通孔内安装单反光学镜头6；支架1的水平段下表面固定连接位移电动调节台8，位移电动调节台8带动支架1前后移动；支架1的水平段上表面设置有导轨10，转接板Ⅰ2装卡在导轨10上方，转接板Ⅰ2沿导轨10前后移动，转接板Ⅰ2的上表面固定通用角度电动调节台3，通用角度电动调节台3上安装PIV相机11；初始状态下，单反光学镜头6与PIV相机11同轴，单反光学镜头6中心正对PIV相机11传感器中心；
所述的通用角度电动调节台3的工控机与PIV图像采集系统安装在同一个操作平台上，或者通用角度电动调节台3的控制软件集成在PIV图像采集系统中；
所述的位移电动调节台8的工控机与PIV图像采集系统安装在同一个操作平台上，或者位移电动调节台8的控制软件集成在PIV图像采集系统中。
进一步地，所述的支架1的竖直段通孔内安装有镜头转接环5，单反光学镜头6装卡在镜头转接环5中。
进一步地，所述的支架1的竖直段通孔外安装有顶紧螺钉9，顶紧螺钉9顶紧镜头转接环5。
进一步地，所述的支架1的水平段下表面通过转接板Ⅱ7固定连接位移电动调节台8。
进一步地，所述的转接板Ⅰ2为中间凸起的台阶板，中间的台阶的上表面固定有通用角度电动调节台3，两侧的台阶开有平行于导轨10的通槽，转接板Ⅰ2通过穿过通槽的螺栓定位并固定。
进一步地，所述的通用角度电动调节台3上固定有安装座4，安装座4为方框形状，PIV相机11装卡在方框内。
进一步地，所述的通用角度电动调节台3为市售产品。
进一步地，所述的位移电动调节台8为市售产品。
进一步地，所述的导轨10的截面形状为矩形、三角形、燕尾形或者圆柱形。
实施例1
本实施例需要使用两个本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，分别为离轴对焦装置A和离轴对焦装置B，每个离轴对焦装置的安装过程如下：
a1.将安装座4用螺栓拉紧固定在通用角度电动调节台3的上表面；
a2.将PIV相机11装卡在安装座4的方框内；
a3.将通用角度电动调节台3的下表面通过螺栓与下方的转接板Ⅰ2固定连接；
a4.将转接板Ⅰ2装卡在支架1的水平段上表面的导轨10上；
a5.转接板Ⅰ2沿导轨10前后移动，调整好PIV相机11的前后位置后，拧紧转接板Ⅰ2两侧通槽上的螺栓固定，并做好标记；
a6.将镜头转接环5安装在支架1竖直段的通孔内，并用顶紧螺钉9顶紧；
a7.在镜头转接环5内安装单反光学镜头6；
a8.将支架1的水平段下表面通过转接板Ⅱ7固定连接在位移电动调节台8上。
离轴对焦装置A和B的离轴对焦布局过程如下：
b1.如图2所示，将离轴对焦装置A和离轴对焦装置B在测试区域S的两侧对称放置，测试区域S所在的平面为测试区域平面S0；
b2.离轴对焦装置A的单反光学镜头6即A6所在的镜头平面为A6L，离轴对焦装置A的PIV相机11即A11所在的成像平面为A11L，A6L与A11L重合，镜头平面A6L与测试区域S所在的平面S0的交角大约45°；
b3.离轴对焦装置B的单反光学镜头6即B6所在的镜头平面为B6L，离轴对焦装置B的PIV相机11即B11所在的成像平面为B11L，B6L与B11L重合，镜头平面B6L与测试区域S所在的平面S0的交角大约-45°；
b4.分别观察离轴对焦装置A和离轴对焦装置B，调整对焦装置A和离轴对焦装置B的位置，直至离轴对焦装置A和离轴对焦装置B的合焦区域为测试区域S中心的同一个很小的区域；
b5.手动调节离轴对焦装置A的通用角度电动调节台3上的蜗杆，蜗杆带动通用角度电动调节台3转动，从而在测试区域平面S0和镜头平面A6L均保持不变的情况下，改变了A11所在的成像平面A11L的角度，持续观察A11的实时拍摄画面，当光路系统逐渐趋近离轴对焦原理时，会发现A11拍摄画面中的合焦区域由测试区域S中心的很小的区域逐渐向左右两侧扩展，直至整个测试区域S都处于合焦状态，表明离轴对焦装置A的离轴对焦角度调节完成，再微调A6的对焦环，直至A11拍摄图像达到最佳合焦状态，此时镜头平面A6L、成像平面A11L和测试区域平面S0相交于位于法向的交线A0；
b6.重复步骤B5的调节方式，调节离轴对焦装置B，直至B11拍摄图像达到最佳合焦状态，此时镜头平面B6L、成像平面B11L和测试区域平面S0相交于位于法向的交线B0。
通过本实施例的样机加工和PIV试验测试证明：本发明的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置能够方便、精确的完成2D-3C PIV的离轴对焦工作。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，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。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特征在于，所述的离轴对焦装置包括L型的支架(1)，支架(1)的竖直段开有通孔，通孔内安装单反光学镜头(6)；支架(1)的水平段下表面固定连接位移电动调节台(8)，位移电动调节台(8)带动支架(1)前后移动；支架(1)的水平段上表面设置有导轨(10)，转接板Ⅰ(2)装卡在导轨(10)上方，转接板Ⅰ(2)沿导轨(10)前后移动，转接板Ⅰ(2)的上表面固定通用角度电动调节台(3)，通用角度电动调节台(3)上安装PIV相机(11)；初始状态下，单反光学镜头(6)与PIV相机(11)同轴，单反光学镜头(6)中心正对PIV相机(11)传感器中心；
所述的通用角度电动调节台(3)的工控机与PIV图像采集系统安装在同一个操作平台上，或者通用角度电动调节台(3)的控制软件集成在PIV图像采集系统中；
所述的位移电动调节台(8)的工控机与PIV图像采集系统安装在同一个操作平台上，或者位移电动调节台(8)的控制软件集成在PIV图像采集系统中。
2.根据权利要求1所述的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特征在于，所述的支架(1)的竖直段通孔内安装有镜头转接环(5)，单反光学镜头(6)装卡在镜头转接环(5)中。
3.根据权利要求1所述的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特征在于，所述的支架(1)的竖直段通孔外安装有顶紧螺钉(9)，顶紧螺钉(9)顶紧镜头转接环(5)。
4.根据权利要求1所述的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特征在于，所述的支架(1)的水平段下表面通过转接板Ⅱ(7)固定连接位移电动调节台(8)。
5.根据权利要求1所述的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特征在于，所述的转接板Ⅰ(2)为中间凸起的台阶板，中间的台阶的上表面固定有通用角度电动调节台(3)，两侧的台阶开有平行于导轨(10)的通槽，转接板Ⅰ(2)通过穿过通槽的螺栓定位并固定。
6.根据权利要求1所述的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特征在于，所述的通用角度电动调节台(3)上固定有安装座(4)，安装座(4)为方框形状，PIV相机(11)装卡在方框内。
7.根据权利要求1所述的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特征在于，所述的通用角度电动调节台(3)为市售产品。
8.根据权利要求1所述的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特征在于，所述的位移电动调节台(8)为市售产品。
9.根据权利要求1所述的用于2D-3C PIV试验的离轴对焦装置，其特征在于，所述的导轨(10)的截面形状为矩形、三角形、燕尾形或者圆柱形。
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Application publication date: 20210219

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