CN115615589A - 一种旋转模型全域压力采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转模型全域压力采集系统，包括CCD相机、信号发生器、频闪脉冲LED光源、光电传感器、预置数计数器和控制器，在旋转模型的测量区域喷涂PSP涂料，非测量区域粘贴有反光贴片；所述光电传感器正对旋转模型布置，光电传感器与信号发生器的输入端相连；所述CCD相机搭载镜头，镜头对准旋转模型且可拍摄完整的旋转模型图像，镜头前安装仅允许PSP涂料发光波段通过的带通滤光片。本发明还公开了一种旋转模型全域压力采集方法。本发明的有益效果为：本发明所述的非接触式测量方法不破坏被测模型和流场，具有亚毫米级的空间分辨率，保证拍摄的旋转模型PSP图像清晰，提高了图像的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及仪器仪表技术领域，具体涉及一种旋转模型全域压力采集系统及方法。
背景技术
压力作为自动化控制的热工三参量(压力、温度、流量)之一，在测量与控制中占有非常重要的地位。但是应用于旋转模型的压力测量在转动平衡、数据传输与实验安全等方面存在很大的困难。
基于计算机视觉与图像处理技术的光学压敏涂料测压技术(Pressure SensitivePaint，PSP)的研究，是非接触式流动显示技术的重要突破。与目前国内传统的点阵式测量技术相比，光学压敏测量技术能够弥补压力探针布孔、压力传感器等对模型的破坏和对流场的干扰以及传统方法数据传输方式的复杂性，并且该测量技术可大幅度提升测量范围，具有无接触、连续测量、试验成本相对低廉、节约时间等优势，受到广大实验工作者的青睐。
光学压敏测压技术的基本原理为：将压力敏感涂料均匀覆盖于被测模型表面，压力敏感涂料由光敏分子和可以透氧的基质组成。在受到特定波长的光激发时，涂料中的光敏分子由原本稳定的基态获得能量而跃迁到高能级的激发态。处于不稳定激发态的光敏分子，受到被测量表面扩散进来的氧分子碰撞，失去激发态的能量而失活回到基态，这种过程并不产生辐射光，从而导致发光强度降低，形成“氧猝灭”现象。氧分子浓度越大，即：在大气中可视为压力越大，氧的猝灭效应越强，涂料在一定光光照下发出的光就越暗。因此，在光照射下，压力敏感涂料的发光强度即可反映被测模型表面所受的压力值。在光照射下拍摄被测模型表面的图像照片，通过对图像照片进行分析，可得到被测模型表面的压力分布，也为旋转模型表面压力分布的测量提供了新思路。
尽管光学压敏涂料测量技术在旋转模型上应用的具有很大潜力，但这也与旋转模型光学压敏实验图像的采集存在矛盾：既希望通过延长曝光时间来提高PSP图像的信噪比，又必须通过缩短曝光时间来降低图像运动模糊。
因此，有必要搭建一套旋转模型全域压力采集系统，实现高信噪比、低模糊的旋转模型PSP图像采集。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种PSP图像清晰且图像信噪比高的旋转模型全域压力采集系统及方法。
本发明采用的技术方案为：一种旋转模型全域压力采集系统，包括CCD相机、信号发生器、频闪脉冲LED光源、光电传感器、预置数计数器和控制器，
在旋转模型的测量区域均匀喷涂有PSP涂料，并在旋转模型同速旋转的非测量区域粘贴有反光贴片；
所述光电传感器正对旋转模型布置，光电传感器与信号发生器的输入端相连；当旋转模型旋转至任意待测相位时，光电传感器发出的光斑打到反光贴片上，光斑反射后被光电传感器接收，并发出信号，触发信号发生器的通道A和通道B发出信号；
所述CCD相机搭载镜头，镜头对准旋转模型且可拍摄完整的旋转模型图像，镜头前安装仅允许PSP涂料发光波段通过的带通滤光片，阻止环境光和光源发光进入相机感光芯片；所述CCD相机通过数据连接线与计算机相连，计算机用于控制CCD相机的曝光时间,CCD相机采集到PSP发光信号后，经过光电转换并由数据线传输至计算机，形成PSP图像；CCD相机的外触发接口与信号发生器的通道A相连，信号发生器通过通道A向CCD相机发送信号，控制CCD相机的起始曝光时间，CCD相机的曝光时间长短通过计算机控制；
所述频闪脉冲LED光源与旋转模型正对布置，频闪脉冲LED光源发出的光可覆盖待测区域；所述频闪脉冲LED光源与预置数计数器的继电器开关一端相连，预置数计数器的继电器开关另一端与信号发生器的通道B相连，信号发生器的通道B发出信号控制频闪脉冲LED光源的单次脉冲发光时间和发光频率；
所述信号发生器的通道与预置数计数器的计数端相连。
本发明还提供了一种旋转模型全域压力采集方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述旋转模型全域压力采集系统的各组件；
步骤二、在旋转模型静止状态下，安装CCD相机和频闪脉冲LED光源；
步骤三、将频闪脉冲LED光源设置为连续发光，采用CCD相机自动触发的方式拍摄待测区域静止状态下的图像I1，作为参考图像，并发送至计算机，计算机记录此时CCD相机的曝光时间T1；
步骤四、开启光电传感器，对准模型同步旋转的非测量区域，将反光贴片贴附于此时光电传感器发出的光斑达到模型的位置；
步骤五、关闭光电传感器，将频闪脉冲LED光源调整至调制外触发模式，由信号发生器的通道B发送信号控制其发光，CCD相机调整至外触发模式；
步骤六、根据实验转速n设置信号发生器5的通道B的信号脉冲宽度t，也即频闪脉冲LED光源单次发光的时间；
步骤七、设置频闪脉冲LED光源的发光次数N,预置数计数器的预置数设置为N，CCD相机的曝光时间T2不低于旋转模型旋转N圈的时间；
步骤八、开启旋转模型，使得旋转模型转速达到测量转速n，当旋转模型旋转到静止参考状态所在的相位后，光电传感器向信号发生器发出触发信号，控制CCD相机开始曝光，同时控制信号发生器触发频闪脉冲LED光源开始发光；
步骤九、当旋转模型叶片的旋转次数达到N次后，频闪脉冲LED光源停止发光；
步骤十、CCD相机曝光时间达到T2后，输出实验图像I2至计算机；
步骤十一、计算两幅图像的光强比，通过光强-压力校准公式计算得到压力分布。
按上述方案，在步骤二中，安装CCD相机和频闪脉冲LED光源时，调节涂有PSP涂料的位置，使CCD相机可拍摄涂有PSP涂料的全部区域；调整频闪脉冲LED光源的测量距离，使得发出的光可覆盖全部待测区域。
按上述方案，在步骤七中，频闪脉冲LED光源的发光次数N应当满足N＝T1/t，即实验图像内频闪脉冲LED光源的发光总时间与静止参考图像一致。
按上述方案，在步骤十一中，光强-压力校准公式为：
I2/I1＝A+B×P2/P1，
上式中，P1为旋转模型静止状态的环境压力，P2为旋转模型运动状态的表面压力，P1和P2通过压力传感器测得；A和B为校准系数，是常数。
按上述方案，校准系数A和B的获取方法为：在压力可调的舱体内，放置涂有PSP涂料的样片，将舱内压力调整至P1，通过相机采集此时涂料发光图像Ic；多次调整舱内压力P，通过相机捕捉相应的发光图像I；将多次采集的数据带入校准公式I/Ic＝A+B×P/P1,形成二元一次方程组，变量为A和B；通过最小二乘法，计算得到A和B。
本发明的有益效果为：本发明所述的非接触式测量方法不破坏被测模型和流场；拍摄的PSP图像上的每个像素代表了一个压力探针，具有亚毫米级的空间分辨率；选用具有短脉冲频闪功能且光功率稳定性高的频闪脉冲LED光源来激发PSP涂料，保证拍摄的旋转模型PSP图像清晰；采用具有较长曝光时间的CCD相机来捕捉PSP涂料发光，通过多次短时PSP发光叠加的方式提高图像亮度，提高了图像的信噪比；根据PSP测量技术的要求，在静止的参考状态和高速实验状态总发光强度尽可能相等，故本发明对曝光时间内光源的发光总量进行控制，通过预置数计数器来控制光源发光次数，再根据单次脉冲发光时间，计算得到总发光时间，与静止参考状态的发光时间应当一致。本发明系统配置简单，稳定性高，能够适用于转速在150kr/min以下的旋转模型测量；所拍摄的图像信噪比高，且模糊程度低，经试验，能够测量叶尖速度最高达到500m/s的旋转模型；系统对转速波动干扰不敏感；所拍摄的图像无需图像质量方面的数据处理；系统组成所需设备为常用仪器，无需定制。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的整体结构示意图。
图2为本实施例中图像I1的示意图。
图3为本实施例中图像I2的示意图。
其中：1、CCD相机；2、镜头；3、带通滤光片；4、频闪脉冲LED光源；5、信号发生器；6、光电传感器；7、预置数计数器；8、计算机；9、PSP涂料；10、反光贴片；11、旋转模型。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种旋转模型11全域压力采集系统，包括CCD相机1、信号发生器5、频闪脉冲LED光源4、光电传感器6、预置数计数器7和控制器，
在旋转模型11的测量区域均匀喷涂有压力敏感涂料(以下简称PSP涂料9)，并在旋转模型11同速旋转的非测量区域粘贴有反光贴片10；
所述光电传感器6正对旋转模型11布置，光电传感器6与信号发生器5的输入端相连；当旋转模型11旋转至任意待测相位时，光电传感器6发出的光斑打到反光贴片10上，光斑反射后被光电传感器6接收，并发出信号，触发信号发生器5的通道A和通道B发出信号；
所述CCD相机1搭载镜头2，镜头2对准旋转模型11且可拍摄完整的旋转模型11图像，镜头2前安装仅允许PSP涂料9发光波段通过的带通滤光片3，阻止环境光和光源发光进入相机感光芯片；所述CCD相机1通过数据连接线与计算机8相连，计算机8用于控制CCD相机1的曝光时间,CCD相机1采集到PSP发光信号后，经过光电转换并由数据线传输至计算机8，形成PSP图像；CCD相机1的外触发接口与信号发生器5的通道A相连，信号发生器5通过通道A向CCD相机1发送信号，控制CCD相机1的起始曝光时间，CCD相机1的曝光时间长短通过计算机8控制；
所述频闪脉冲LED光源4与旋转模型11正对布置，频闪脉冲LED光源4发出的光可覆盖待测区域；所述频闪脉冲LED光源4与预置数计数器7的继电器开关一端相连，预置数计数器7的继电器开关另一端与信号发生器5的通道B相连，信号发生器5的通道B发出信号控制频闪脉冲LED光源4的单次脉冲发光时间和发光频率；
所述信号发生器5的通道B与预置数计数器7的计数端相连，用于记录通道B发出的信号数量；当达到预设值时，断开预置数计数器7的继电器开关，停止频闪脉冲LED光源4的发光。
一种旋转模型全域压力采集方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述旋转模型11全域压力采集系统的各组件。
步骤二、在旋转模型11静止状态下，安装CCD相机1和频闪脉冲LED光源4，手动调节涂有PSP涂料9的位置，使CCD相机1可拍摄涂有PSP涂料9的全部区域，调整频闪脉冲LED光源4的测量距离，使得发出的光可覆盖全部待测区域。
步骤三、将频闪脉冲LED光源4设置为连续发光，采用CCD相机1自动触发的方式拍摄待测区域静止状态下的图像I1，作为参考图像，并发送至计算机8，计算机8记录此时CCD相机1的曝光时间T1。
本实施例中，试验转速为2800rpmT1＝23.52ms，图像I1如图2所示。
步骤四、开启光电传感器6，对准模型同步旋转的非测量区域，将反光贴片10贴附于此时光电传感器6发出的光斑达到模型的位置，保证在旋转时，模型每转到这一相位处，光电传感器6接受到反光贴片10的反射信号，实现旋转模型11的相位锁定。
步骤五、关闭光电传感器6，将频闪脉冲LED光源4调整至调制外触发模式，由信号发生器5的通道B发送信号控制其发光，CCD相机1调整至外触发模式。
步骤六、根据实验转速n设置信号发生器55的通道B的信号脉冲宽度t，也是频闪脉冲LED光源4单次发光的时间。
本实施例中，t＝6微秒。
步骤七、设置频闪脉冲LED光源4的发光次数N,预置数计数器7的预置数设置为N，CCD相机1的曝光时间T2应当不低于旋转模型11旋转N圈(频闪脉冲LED光源4发光N次)的时间。为了保证参考图像与实验图像的光强基本相近以获得高信噪比的压力分布，频闪脉冲LED光源4的发光次数N应当满足N＝T1/t，即实验图像内频闪脉冲LED光源4的发光总时间与静止参考图像一致。
本实施例中，N＝3920。
步骤八、开启旋转模型11，使得旋转模型11转速达到测量转速n，当旋转模型11旋转到静止参考状态所在的相位后，光电传感器66向信号发生器5发出触发信号，控制CCD相机1开始曝光，同时控制信号发生器55触发频闪脉冲LED光源4开始发光。
步骤九、当旋转模型11叶片的旋转次数达到N次后，预置数计数器7的继电器开关闭合，此时信号发生器5与频闪脉冲LED光源4之间的电路为断路，频闪脉冲LED光源4停止发光。
步骤十、CCD相机1曝光时间达到T2后，输出实验图像I2至计算机8。
本实施例中，图像I2如图3所示。
步骤十一、计算两幅图像的光强比,通过实验后的光强-压力校准公式计算得到压力分布，校准公式为I2/I1＝A+B×P2/P1，其中P1为静止状态的环境压力，P2为运动状态的表面压力，通过压力传感器测得，P2/P1为相对压力，A和B为校准系数，需要通过校准得到。
校准的方法为：在压力可调的舱体内，放置涂有PSP涂料9的样片，将舱内压力调整至P1，通过相机采集此时涂料发光图像Ic；多次调整舱内压力P，通过相机捕捉相应的发光图像I；将多次采集的数据带入校准公式I/Ic＝A+B×P/P1,形成二元一次方程组，变量是A和B；通过最小二乘法，计算得到A和B，根据I2/I1＝A+B×P2/P1，计算得到旋转状态的压力P2。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种旋转模型全域压力采集系统，其特征在于，包括CCD相机、信号发生器、频闪脉冲LED光源、光电传感器、预置数计数器和控制器，
在旋转模型的测量区域喷涂PSP涂料，并在旋转模型同速旋转的非测量区域粘贴有反光贴片；
所述光电传感器正对旋转模型布置，光电传感器与信号发生器的输入端相连；当旋转模型旋转至任意待测相位时，光电传感器发出的光斑打到反光贴片上，光斑反射后被光电传感器接收，并发出信号，触发信号发生器的通道A和通道B发出信号；
所述CCD相机搭载镜头，镜头对准旋转模型且可拍摄完整的旋转模型图像，镜头前安装仅允许PSP涂料发光波段通过的带通滤光片，阻止环境光和光源发光进入相机感光芯片；所述CCD相机通过数据连接线与计算机相连，计算机用于控制CCD相机的曝光时间,CCD相机采集到PSP发光信号后，经过光电转换并由数据线传输至计算机，形成PSP图像；CCD相机的外触发接口与信号发生器的通道A相连，信号发生器通过通道A向CCD相机发送信号，控制CCD相机的起始曝光时间，CCD相机的曝光时间长短通过计算机控制；
所述频闪脉冲LED光源与旋转模型正对布置，频闪脉冲LED光源发出的光可覆盖待测区域；所述频闪脉冲LED光源与预置数计数器的继电器开关一端相连，预置数计数器的继电器开关另一端与信号发生器的通道B相连，信号发生器的通道B发出信号控制频闪脉冲LED光源的单次脉冲发光时间和发光频率。
2.一种旋转模型全域压力采集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、提供权利要求1所述旋转模型全域压力采集系统的各组件；
步骤二、在旋转模型静止状态下，安装CCD相机和频闪脉冲LED光源；
步骤三、将频闪脉冲LED光源设置为连续发光，采用CCD相机自动触发的方式拍摄待测区域静止状态下的图像I1，作为参考图像，并发送至计算机，计算机记录此时CCD相机的曝光时间T1；
步骤四、开启光电传感器，对准模型同步旋转的非测量区域，将反光贴片贴附于此时光电传感器发出的光斑达到模型的位置；
步骤五、关闭光电传感器，将频闪脉冲LED光源调整至调制外触发模式，由信号发生器的通道B发送信号控制其发光，CCD相机调整至外触发模式；
步骤六、根据实验转速n设置信号发生器5的通道B的信号脉冲宽度t，也即频闪脉冲LED光源单次发光的时间；
步骤七、设置频闪脉冲LED光源的发光次数N,预置数计数器的预置数设置为N，CCD相机的曝光时间T2不低于旋转模型旋转N圈的时间；
步骤八、开启旋转模型，使得旋转模型转速达到测量转速n，当旋转模型旋转到静止参考状态所在的相位后，光电传感器向信号发生器发出触发信号，控制CCD相机开始曝光，同时控制信号发生器触发频闪脉冲LED光源开始发光；
步骤九、当旋转模型叶片的旋转次数达到N次后，频闪脉冲LED光源停止发光；
步骤十、CCD相机曝光时间达到T2后，输出实验图像I2至计算机；
步骤十一、计算两幅图像的光强比，通过光强-压力校准公式计算得到压力分布。
3.如权利要求2所述的旋转模型全域压力采集方法，其特征在于，在步骤二中，安装CCD相机和频闪脉冲LED光源时，调节涂有PSP涂料的位置，使CCD相机可拍摄涂有PSP涂料的全部区域；调整频闪脉冲LED光源的测量距离，使得发出的光可覆盖全部待测区域。
4.如权利要求2所述的旋转模型全域压力采集方法，其特征在于，在步骤七中，频闪脉冲LED光源的发光次数N应当满足N＝T1/t，即实验图像内频闪脉冲LED光源的发光总时间与静止参考图像一致。
5.如权利要求2所述的旋转模型全域压力采集方法，其特征在于，在步骤十一中，光强-压力校准公式为：
I2/I1＝A+B×P2/P1，
其中，P1为旋转模型静止状态的环境压力，P2为旋转模型运动状态的表面压力，P1和P2通过压力传感器测得；A和B为校准系数，是常数。
6.如权利要求5所述的旋转模型全域压力采集方法，其特征在于，校准系数A和B的获取方法为：在压力可调的舱体内，放置涂有PSP涂料的样片，将舱内压力调整至P1，通过相机采集此时涂料发光图像Ic；多次调整舱内压力P，通过相机捕捉相应的发光图像I；将多次采集的数据带入校准公式I/Ic＝A+B×P/P1,形成二元一次方程组，变量为A和B；通过最小二乘法，计算得到A和B。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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