CN112781828A - 流场可视化观测装置与流场可视化观测方法 - Google Patents

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CN112781828A CN202010032170.3A CN202010032170A CN112781828A CN 112781828 A CN112781828 A CN 112781828A CN 202010032170 A CN202010032170 A CN 202010032170A CN 112781828 A CN112781828 A CN 112781828A
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Abstract

本发明公开一种流场可视化观测装置与流场可视化观测方法。该流场可视化观测装置包括腔体、电源供应器、至少一对电极以及至少一流场观测模块。所述流场观测模块包括高速摄像机、光检测组件以及滤光组件。电源供应器输出等离子体产生用的电压，所述对电极设置在腔体内。流场观测模块则设置在腔体外并朝腔体拍摄等离子体所激发的流体粒子图像。滤光组件设置在高速摄像机与述腔体之间。光检测组件取得腔体内的光信息，并传送至滤光组件。

Description

流场可视化观测装置与流场可视化观测方法
技术领域
本发明涉及一种流场可视化技术，且特别涉及一种流场可视化观测装置及观测方法。
背景技术
传统可视化分析通过激光作为照明，以利于高速摄像机的截取画面，因此受限于腔体的形状与抽气影响粒子扰流，且压力须在常压范围，粒子才能有效被拍摄，因此无法测量低压真空CVD(Chemical Vapor Deposition)工艺流场。另也可利用等离子体激发流体产生发光的特性，以等离子体显影取代激光照明的方式，来进行可视化分析。然而基于等离子体的光强度、拍摄背景亮度及光波段的影响等，容易发生高速摄像机取像时有过度曝光的情形，使得拍摄效果不佳，造成流场粒子图像的误判。
另外，传统使用激光光源的可视化分析方式，针对低压真空等离子体显影流场的可视化拍摄范围有所局限，且真实性与准确度不足。传统流场可视化分析方式缺少光强度等检测技术，故难以取得最佳的拍摄像图像，并使得流场可视化的拍摄范围局限且真实性准确度不足。
发明内容
本发明提供一种流场可视化观测装置与一种流场可视化观测方法，能解决等离子体光强度造成的过度曝光，减少流场粒子图像的误判，并提升流场可视化拍摄范围及真实性准确度。
本发明的流场可视化观测装置包括腔体、电源供应器、至少一对电极以及至少一流场观测模块。所述流场观测模块包括高速摄像机、光检测组件以及滤光组件。电源供应器输出等离子体产生用的电压，所述对电极设置在所述腔体内。所述流场观测模块设置在腔体外并朝腔体拍摄等离子体所激发的流体粒子图像。滤光组件设置在高速摄像机与腔体之间，且光检测组件用以取得腔体内的光信息，并传送至滤光组件。
本发明的流场可视化观测方法包括利用设置在一腔体内的等离子体产生器产生等离子体，并设置至少一个流场观测模块于腔体外，再利用流场观测模块的光检测组件取得腔体内的光信息，并传送至滤光组件，然后利用流场观测模块的高速摄像机通过滤光组件拍摄等离子体所激发的流体粒子图像。其中，所述流场观测模块包括高速摄像机、光检测组件以及滤光组件，且光检测组件以及滤光组件设置在高速摄像机与腔体之间。而所述流场观测模块设置在腔体外并朝腔体拍摄等离子体所激发的流体粒子图像。
基于上述，本发明利用等离子体激发气体产生发光的特性，以等离子体显影取代激光照明，并检测流场的光信息，例如光强度信息等，藉由选用适当滤光组件来调整高速摄像机的最佳拍摄光源，可解决因等离子体光强度而导致过度曝光的问题，减少流场粒子图像的误判。
为让本发明的上述特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的第一实施例的一种流场可视化观测装置的示意图。
图2A与图2B是第一实施例的流场可视化观测装置中，滤光组件与滤波组件的一种例子的示意图。
图3A与图3B是第一实施例的流场可视化观测装置中，滤光组件与滤光组件的另一种例子的示意图。
图4A与图4B是依照本发明的第二实施例的两种流场可视化观测方法的步骤图。
附图标记说明：
100：腔体
102：电源供应器
104：一对电极
110：第一电极
112：第二电极
114：等离子体
116：真空设备
120：计算机主机与监视器
200：流场观测模块
202：高速摄像机
220：光检测组件
230：滤光组件
231a、231b：第一承载件
232a、232b：滤光单元
240：滤波组件
241a、241b：第二承载件
242、242a、242b：滤波单元
S100、S110、S210、S600、S610、S620、S630：步骤
具体实施方式
以下将参考附图来全面地描述本发明的例示性实施例，但本发明还可按照多种不同形式来实施，且不应解释为限于本文所述的实施例。为了清楚起见，区域或结构的相对厚度及位置可能缩小或放大。另外，在各图式中使用相似或相同的元件符号来表示相似或相同的元件。
图1是依照本发明的第一实施例的一种流场可视化观测装置的示意图。
请参照图1，第一实施例的流场可视化观测装置基本包括一腔体100、一电源供应器102、一对电极104以及一流场观测模块200。电源供应器102用以输出等离子体产生用的电压，且电源供应器102通常设置在腔体100外并电性连接至设置在腔体100内的对电极104。所述对电极104具有第一电极110与第二电极112。所述对电极104能藉由来自电源供应器102的电压激发腔体100内的流体(未绘示)而产生等离子体114，其中上述流体例如惰性气体。流场观测模块200则设置在腔体100外并朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。所述流场观测模块200包一括高速摄像机202、一光检测组件220、一滤光组件230，以及一滤波组件240。要说明的是，在一实施例中，可省略设置滤波组件240，也就是仅设置滤光组件230。
在图1中，光检测组件220、滤光组件230以及滤波组件240设置在高速摄像机202与腔体100之间。光检测组件220能取得腔体100内的光信息，例如光强度信息与光波长信息的至少其中之一，并传送至滤光组件230与滤波组件240的至少其中之一，且高速摄像机202通过滤光组件230与滤波组件240中的至少其中之一，朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。本实施例的流场可视化观测装置还可包括一真空设备116，用以使腔体100内保持真空状态。此外，为了进行图像分析，还可设置计算机主机与监视器120，来接收流场观测模块200所拍摄的流体粒子图像并进行分析。因此，本发明的装置可应用于低压真空的腔体内三维立体流场拍摄，以解决传统使用激光与粒子进行流场模拟验证分析时不能在低压进行的问题。
根据一实施例，供应高压电至上述的一对电极104，将会产生等离子体114，并藉由等离子体114激发流体发光，因此能提升流场可视化拍摄范围。再搭配高速摄像机调整频率进行全域速度向量场(Global Velocity Field)截取，就可完成立体流场的拍摄并进行分析。
图2A与图2B是第一实施例的流场可视化观测装置中的滤光组件与滤波组件的一种实施例示意图。请参见图2A，滤光组件230包括一第一承载件231a以及多个滤光单元232a，各滤光单元232a例如包含一滤光片，各滤光片具有不同的遮光性可过滤出不同的光强度。类似地，滤波组件240包括一第二承载件241a以及多个滤波单元242a，各滤波单元242a例如包含一滤波片，各滤波片具有不同的滤波波段。在一实施例中，各滤光片具有不同的遮光性，可衰减光的强度值并改变光的光谱成分，以便过滤选取出合适于高速摄像机202进行拍摄的光强度。在另一实施例中，各滤波片具有不同的滤波波段，可过滤选取出合适于高速摄像机202进行拍摄的范围波段光，并过滤屏蔽不合适的范围波段光。要说明的是，在一实施例中，可省略设置滤波组件240，也就是仅设置滤光组件230。
在本实施例中，第一承载件231a与第二承载件241a为圆盘状，多个滤光单元232a与多个滤波单元242a为圆形片状，但本发明不以此为限，第一承载件与第二承载件也可为方形盘状等，且不同规格的滤光单元232a与滤波单元242a也可以非等距地分别置在第一承载件231a与第二承载件241a上。再者，滤光单元232a与滤波单元242a的数量可相同或不相同。
请同时参照图1以及图2A与图2B，依据本发明的第一实施例的一种流场可视化观测装置，流场观测模块200依据光检测组件220所取得的腔体100内的光强度信息，选用滤光组件230之一适当的滤光单元232a，再使高速摄像机202通过选用的滤光单元232a朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。或者，流场观测模块200依据光检测组件220取得的腔体100内的光波长信息，选用滤波组件240之一适当的滤波单元242a，再使高速摄像机202通过选用的滤波单元242a朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。也就是说，高速摄像机202至少通过滤光组件230与滤波组件240的其中之一，朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。要说明的是，在另一实施例中，也可直接省略设置滤波组件240，仅设置滤光组件230。
请见图2B，第一承载件231a具有一第一旋转轴，第二承载件241a具有一第二旋转轴，在本实施例中，第一旋转轴相同于第二旋转轴，且均为几何中心旋转轴。可藉由仅仅驱动其中一个旋转轴来转动第一承载件231a，使一滤光单元232a与一滤波单元242a重叠；也可藉由仅仅驱动一个旋转轴来转动第二承载件241a，使一滤波单元242a与一滤光单元232a重叠。又另可同时驱动两个旋转轴来转动第一承载件231a以及第二承载件241a，使一滤光单元232a与一滤波单元242a重叠。
如图1、图2A与图2B，在又一实施例中，高速摄像机202至少通过滤光组件230与滤波组件240的其中之一，朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。也就是说，在高速摄像机202进行拍摄时，滤光单元232a与滤波单元242a可不产生重叠。例如在图2A中，可以分别地以一透光片或一贯穿圆孔来取代一滤光单元232a与一滤波单元242a的置放，即可实现此又一实施例。要说明的是，在另一实施例中，也可直接省略设置滤波组件240，仅设置滤光组件230。
图3A与图3B是第一实施例的流场可视化观测装置中，滤光组件与滤波组件的另一种实施例示意图。与图2A及图2B所不同的是，第一承载件与第二承载件的类型。
在图3A中，第一承载件231b与第二承载件241b可相对性地进行平移，使一滤光单元232b与一滤波单元242b重叠。
在图3B中，第一承载件231b与第二承载件241b分别将多个滤光单元232b与多个滤波单元242b收纳于高速摄像机202的拍摄取像范围之外。
请同时参照图1以及图3A与图3B，在本实施例中，流场观测模块200依据光检测组件220所取得的腔体100内的光强度信息，选用滤光组件230之一适当的滤光单元232b后，将此选用的滤光单元231b移出至高速摄像机202的拍摄取像范围之内，再使高速摄像机202通过选用的滤光单元232b朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。在又一实施例中，流场观测模块200依据光检测组件220取得的腔体100内的光波长信息，选用滤波组件240b之一适当的滤波单元242b后，将此选用的滤波单元242b移出至高速摄像机202的拍摄取像范围之内，再使高速摄像机202透选用的滤波单元242b朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。
如图1、图3A与图3B，在此实施例中，高速摄像机202至少通过滤光组件230与滤波组件240的其中之一，朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。也就是说，在高速摄像机进行拍摄时，滤光单元232b与滤波单元242b可不产生重叠。例如在图3A与图3B中，可以分别地以一透光片或一贯穿孔来取代一滤光单元232b与一滤波单元242b的置放，即可实现此又一实施例。又，滤光单元232b与滤波单元242b的数量可相同或不相同。
依据本发明的第一实施例的一种流场可视化观测装置，在此实施例中，流场观测模块200依据光检测组件220所取得的腔体100内的光强度信息，选用滤光组件230之一适当的滤光单元232b，再使高速摄像机202通过选用的滤光单元232b朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。或者，流场观测模块200依据光检测组件220取得的腔体100内的光波长信息，选用滤波组件240之一适当的滤波单元242b，再使高速摄像机202透选用的滤波单元242b朝腔体100拍摄等离子体114所激发的流体粒子图像。要说明的是，在另一实施例中，可省略设置滤波组件240，仅设置滤光组件230。
图4A与图4B是依照本发明的第二实施例的两种流场可视化观测方法的步骤图。
请先参照图4A，进行步骤S600，利用设置在腔体内的等离子体产生器产生等离子体，其中等离子体产生器包括如第一实施例所述的一对电极。
然后，设置至少一个流场观测模块在腔体外，流场观测模块包括高速摄像机、光检测组件以及滤光组件。且，光检测组件以及滤光组件设置在高速摄像机与腔体之间。在步骤S610中，利用流场观测模块朝腔体拍摄等离子体所激发的流体粒子图像。
另外，在进行步骤S610之前，可先利用流场观测模块的光检测组件，取得腔体内的光信息(步骤S100)，光信息包含有光强度信息与光波长信息的至少其中之一；在图4A的实施例中，依据所取得的光信息中的光强度信息选用滤光组件之一滤光单元(步骤S110)，再使流场观测模块的高速摄像机通过所选用的滤光单元朝腔体拍摄等离子体所激发的流体粒子图像(步骤S610)。
在图4B的另一实施例中，流场观测模块还包括一滤波组件，滤波组件设置在高速摄像机与腔体之间，滤波组件包括多个滤波单元；在进行步骤S610之前，先利用流场观测模块的光检测组件，取得腔体内的光信息(步骤S100)，并依据所取得的光信息中的光强度信息选用滤光组件的一滤光单元(步骤S110)；此外，在进行步骤S610之前，也可依据所取得的光信息中的光波长信息选用滤波组件的一滤波单元(步骤S210)，再使流场观测模块的高速摄像机通过所选用的滤波单元朝腔体拍摄等离子体所激发的流体粒子图像(步骤S610)。要说明的是，流场观测模块可依据光检测组件所取得的光信息，选用一滤光单元与一滤波单元的至少其中之一，且流场观测模块的高速摄像机可通过所选用的滤光单元与所选用的滤波单元的至少其中之一，朝腔体拍摄等离子体所激发的流体粒子图像。
详细来说，在步骤S110与步骤S210中，滤光组件包括一第一承载件与多个滤光单元，多个滤光单元设置在第一承载件上且各滤光单元包含一滤光片；滤波组件包括一第二承载件与多个滤波单元，多个滤波单元设置在第二承载件上且各滤波单元包含一滤波片；至于滤光单元与滤波单元的选用方式，例如上述实施例的流场可视化观测装置，在一实施例中，第一承载件与第二承载件具有一共同旋转轴，在拍摄等离子体所激发的流体粒子图像之前，第一承载件与第二承载件依据共同旋转轴进行旋转，使一滤光单元与一滤波单元产生重叠；在又一实施例中，第一承载件与第二承载件可相对性地进行平移，在拍摄等离子体所激发的流体粒子图像之前，第一承载件与第二承载件相对性地进行平移，使一滤光单元与一滤波单元产生重叠。
依据本发明的第二实施例的一种流场可视化观测方法，流场观测模块的高速摄像机通过滤光组件与滤波组件的至少其中之一朝腔体拍摄等离子体所激发的流体粒子图像。
另外，在进行步骤S600之前，可先在腔体内通入流体(步骤S620)，且所通入的流体例如惰性气体。此外，若是待测流场是用于低压真空状态，则在进行步骤S600之前，需对腔体抽真空(步骤S630)。
依据本发明的第二实施例的一种流场可视化观测方法，可藉由等离子体激发气体发光，并由高速摄像机调整频率进行全域速度向量场(Global Velocity Field)截取；然后利用计算机主机设定全域面积或体积，再分成多个相等面积(避免气体粒子速度过快造成配对误差)，以追踪气体粒子在空间移动的状况，并记录成流场速度图。
综上所述，本发明利用等离子体激发流体(例如气体)发光的现象(即等离子体显影)取代传统激光照明，因此无需顾虑角度问题，即可直接截取画面，达成立体流场拍摄的效果，并可应用于低压腔体内的流场模拟验证分析，如多重反应气体流量、气压、化学行为监测等。本发明利用等离子体激发气体产生发光的特性，以等离子体显影取代激光照明，并检测流场的光信息(如光强度信息与光波长信息的至少其中之一)，藉由选用适当滤光组件和/或滤波组件来调整高速摄像机的最佳拍摄光源，可解决因等离子体光强度而导致过度曝光的问题，减少流场图像的误判。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (20)

1.一种流场可视化观测装置，其特征在于所述装置包括：
腔体；
电源供应器，其输出等离子体产生用的电压；
至少一对电极，设置在该腔体内，该至少一对电极藉由来自该电源供应器的电压激发该腔体内的流体而产生等离子体；以及
至少一流场观测模块，设置在该腔体外并朝该腔体拍摄该等离子体所激发的流体粒子图像，该流场观测模块包括：
高速摄像机；
滤光组件，设置在该高速摄像机与该腔体之间；以及
光检测组件，取得该腔体内的光信息，并传送至该滤光组件。
2.如权利要求1所述的流场可视化观测装置，还包括真空设备，用以使所述腔体内保持真空状态。
3.如权利要求1所述的流场可视化观测装置，其中该流体包括惰性气体。
4.如权利要求1所述的流场可视化观测装置，其中该高速摄像机至少通过该滤光组件与该滤波组件的其中之一朝该腔体拍摄该等离子体所激发的该流体粒子图像。
5.如权利要求1所述的流场可视化观测装置，其中，该滤光组件包括多个滤光单元。
6.如权利要求5所述的流场可视化观测装置，其中，该流场观测模块依据该光检测组件取得的该腔体内的该光信息中的光强度信息，选用该滤光组件中的一个该滤光单元，使该高速摄像机通过该选用的该滤光单元朝该腔体拍摄该等离子体所激发的该流体粒子图像。
7.如权利要求5所述的流场可视化观测装置，其中，该流场观测模块还包括滤波组件，该滤波组件设置在该高速摄像机与该腔体之间；该滤波组件包括多个滤波单元；该流场观测模块依据该光检测组件取得的该腔体内的该光信息中的光波长信息，选用该滤波组件中的一个该滤波单元，使该高速摄像机通过该选用的该滤波单元朝该腔体拍摄该等离子体所激发的该流体粒子图像。
8.如权利要求7所述的流场可视化观测装置，其中，该滤光组件包括第一承载件，该多个滤光单元设置在该第一承载件上；该滤波组件包括第二承载件，该多个滤波单元设置在该第二承载件上。
9.如权利要求8所述的流场可视化观测装置，其中，该第一承载件具有第一旋转轴，该第一承载件依据该第一旋转轴进行转动，使一个该滤光单元与一个该滤波单元重叠。
10.如权利要求8所述的流场可视化观测装置，其中，该第二承载件具有第二旋转轴，该第二承载件依据该第二旋转轴进行转动，使一个该滤波单元与一个该滤光单元重叠。
11.如权利要求8所述的流场可视化观测装置，其中，该第一承载件与该第二承载件具有共同旋转轴，该第一承载件与该第二承载件依据该共同旋转轴进行旋转，使一个该滤光单元与一个该滤波单元重叠。
12.如权利要求8所述的流场可视化观测装置，其中，该第一承载件与该第二承载件可相对性地进行平移，使一个该滤光单元与一个该滤波单元重叠。
13.一种流场可视化观测方法，其特征在于所述方法包括：
利用设置在腔体内的等离子体产生器产生等离子体，其中该等离子体产生器包括至少一对电极；
设置至少一个流场观测模块在该腔体外，该流场观测模块包括高速摄像机、光检测组件以及滤光组件，其中，该光检测组件以及该滤光组件设置在该高速摄像机与该腔体之间；
利用该流场观测模块的该光检测组件取得该腔体内的光信息，并传送至该滤光组件；以及
利用该流场观测模块的该高速摄像机通过该滤光组件朝该腔体拍摄该等离子体所激发的流体粒子图像。
14.如权利要求13所述的流场可视化观测方法，其中在产生该等离子体之前还包括在该腔体内通入该流体，且该流体包括惰性气体。
15.如权利要求13所述的流场可视化观测方法，其中在产生该等离子体之前还包括对该腔体抽真空。
16.如权利要求13所述的流场可视化观测方法，其中，该滤光组件包括多个滤光单元。
17.如权利要求16所述的流场可视化观测方法，其中，在取得该腔体内的该光信息中的光强度信息之后，并在拍摄该等离子体所激发的流体粒子图像之前，还包括依据该光强度信息选用该滤光组件的一个该滤光单元，使该高速摄像机通过该选用的该滤光单元朝该腔体拍摄该等离子体所激发的该流体粒子图像。
18.如权利要求16所述的流场可视化观测方法，其中，该流场观测模块还包括滤波组件，该滤波组件设置在该高速摄像机与该腔体之间，该滤波组件包括多个滤波单元；在取得该腔体内的该光信息中的光波长信息之后，并在拍摄该等离子体所激发的流体粒子图像之前，还包括依据该光波长信息选用该滤波组件的一个该滤波单元，使该高速摄像机通过该选用的该滤波单元朝该腔体拍摄该等离子体所激发的该流体粒子图像。
19.如权利要求18所述的流场可视化观测方法，其中该滤光组件包括第一承载件与多个滤光单元，该多个滤光单元设置在该第一承载件上且各该滤光单元包含滤光片；该滤波组件包括包括第二承载件与多个滤波单元，该多个滤波单元设置在该第二承载件上且各该滤波单元包含滤波片；其中，该第一承载件与该第二承载件具有共同旋转轴；在拍摄该等离子体所激发的该流体粒子图像之前，还包括：依据该共同旋转轴旋转该第一承载件与该第二承载件，使一个该滤光单元与一个该滤波单元重叠。
20.如权利要求18所述的流场可视化观测方法，其中该滤光组件包括第一承载件与多个滤光单元，该多个滤光单元设置在该第一承载件上且各该滤光单元包含滤光片；该滤波组件包括包括第二承载件与多个滤波单元，该多个滤波单元设置在该第二承载件上且各该滤波单元包含滤波片；其中，该第一承载件与该第二承载件可相对性地进行平移；在拍摄该等离子体所激发的该流体粒子图像之前，还包括：相对性地平移该第一承载件与该第二承载件，使一个该滤光单元与一个该滤波单元重叠。
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