CN115903867A - 深水拖曳水池piv系统标定靶姿态调整机构及使用方法 - Google Patents

Abstract

深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构及使用方法，包括与PIV系统连接的姿态调整机构，姿态调整机构的结构为：包括平板基座，其上安装有下调整板，其上方配合安装有上调整板，平板基座的两端分别安装有偏航角调整模块和滚转角调整模块；位于平板基座的底面固定有向下垂直的两根竖支架，两根竖支架之间通过紧固件安装有横支架，横支架下方的两根竖支架之间安装有标定靶框架，所述标定靶框架的内部固定安装标定靶，标定靶框架的上边框和下边框的两端均开有沟槽，沟槽内放置长方体铝棒，位于标定靶框架外端安装有硅反射镜片；位于姿态调整机构的顶面还设置有基准块，所述基准块上固定有两条垂线，垂线的底部为配重物，调节精度高。

Description

深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构及使用方法

技术领域

本发明涉及船舶水动力学试验技术领域，尤其是一种深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构及使用方法，主要是一种深水拖曳水池随车式 Stereo-PIV(简称SPIV)系统标定靶姿态调整机构的工作原理，具体涉及对标定靶的三个自由度位置精确调整及PIV系统激光片光对准。

背景技术

深水拖曳水池随车式SPIV系统属于2D3C类型PIV系统，该类系统的特点是：观测流场区域面积大(一般可以达到300mm*200mm)；属于非接触测量方式，对周围流场干扰小；激光以片光形式照亮测试区域；配置2台相机，通过标定流程将2个两维矢量场组合成1个三维矢量场。

标定一直是PIV测量精度和可靠性的基础。PIV系统的标定与所有其他测量系统一样，标定过程的精度直接反映了测量所需的精度水平。在PIV测试中可以直接获取到的是粒子在图像平面的位移，该位移只是粒子真实位移的缩放值，而PIV校准过程就是为了得到图像平面映射到真实物理空间下对象平面上的映射函数。尽管任何已知尺寸的物体都可以用作确定映射函数的参照物，但还是建议使用标定靶进行物理空间和像平面的转换标定。标定靶表面布满了网格点，有二维标定靶(靶盘面平整，网格点均匀分布在盘面上)和三维标定靶 (一般是双面双层，每个面每一层上均匀分布网格点)。如果使用二维标定靶，则需要利用一个精确定位的位移系统沿垂直于网格点平面的方向移动多个位置，从而实现空间标定，深水拖曳水池现场环境复杂，空间有限，因此在深水拖曳水池使用三维标定靶来标定系统。

此外，在空气中和循环水槽中使用SPIV时可以方便地找到方位参考物，并在参考物附近有足够的空间布置红外十字线等片光对齐工具，利用红外十字线可以调整激光片光的姿态，保证激光片光与被测区域面的平行度极高，然后利用工具将标定靶网格点面置于激光片光中心面内并与片光平行，尽管在实际操作中标定靶位置与片光中心面存在误差，但在激光片光位置是准确的前提下后期可以通过Self-calibration技术进行位置修复；然而在深水拖曳水池中受现场环境约束，方位参考物(给定1个参考方位和1个参考面，参考方位与待测试区域面垂直，即标定靶网格面应与参考方位垂直，参考面与参考方位垂直) 周围空间有限，无法利用红外十字线等片光对齐工具，只能先利用方位参考物和相关姿态调整机构调整标定靶姿态，然后利用标定靶来调整激光片光位置，因此深水拖曳水池标定流程复杂，精度难以把控，制约了水下流场精细化测试的研究水平。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构及使用方法，从而可以有效的解决快速精准调整深水拖曳水池随车式SPIV系统标定靶姿态(偏航角、滚转角和俯仰角)以及准确调整激光片光等问题，可以实现全面的调节手段以及较高的调节精度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，包括与PIV系统连接的姿态调整机构，所述姿态调整机构的结构为：包括平板基座，所述平板基座的上表面通过紧固件安装有下调整板，所述下调整板的上方配合安装有上调整板，所述平板基座的两端分别安装有偏航角调整模块和滚转角调整模块，上调整板的一端设置有滚转角模块连接座，所述滚转角模块连接座与滚转角调整模块连接，所述下调整板上设置有偏航角模块连接座，所述偏航角模块连接座与偏航角调整模块连接；位于平板基座的外部设置有安装架，所述安装架照在上调整板的上方，所述安装架的顶面设置有多个安装孔，用于与标定现场的参照物连接；位于平板基座的底面固定有向下垂直的两根竖支架，两根竖支架之间通过紧固件安装有横支架，横支架下方的两根竖支架之间安装有标定靶框架，所述标定靶框架的内部固定安装标定靶，标定靶框架的上边框和下边框的两端均开有沟槽，沟槽内放置长方体铝棒，位于标定靶框架外端安装有硅反射镜片；位于姿态调整机构的顶面还设置有基准块，所述基准块上固定有两条垂线，垂线的底部为配重物；标定靶框架的顶面固定有数显激光水平尺。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述安装架的截面呈“┏┓”结构。

所述上调整板包括有上调整板主体，上调整板主体的两侧各设置有一个一号支撑臂，下调整板的两侧各设置一个二号支撑臂，对应的一号支撑臂和二号支撑臂利用开口销和销轴连接，上调整板主体绕着销轴旋转。

所述下调整板包括下调整板主体，将下调整板主体放置于平板基座上，六角头螺栓自上而下穿过下调整板主体上的通孔和平板基座上的通孔，与平板基座下表面的六角螺母配合拧紧，下调整板可绕六角头螺栓旋转。

单根竖支架呈T型结构。

所述横支架呈工字型结构。

所述偏航角调整模块的安装结构为：偏航角模块连接座上通过一号六角头铰制孔用螺栓安装一号活节螺栓，一号调节螺母压板和一号调节螺母底板之间装入一个一号调节螺母，一号内六角圆柱头螺钉把调节一号调节螺母压板和一号调节螺母底板对齐压紧；一号调节螺母压板、一号调节螺母和一号调节螺母底板作为一个整体装入偏航角调整模块基座的开口槽内，一号活节螺栓穿过一号调节螺母压板，与一号调节螺母装配并穿过一号调节螺母底板和偏航角调整模块基座，一号六角头铰制孔用螺栓穿过一号活节螺栓尾端的开孔环，将开孔环固定在偏航角模块连接座上；一号压紧螺栓拧入偏航角调整模块基座上的螺纹孔；偏航角调整模块基座底部通过焊接方式固定于平板基座上。

滚转角调整模块的安装结构为：二号调节螺母压板和二号调节螺母底板之间装入一个二号调节螺母，二号内六角圆柱头螺钉把二号调节螺母压板和二号调节螺母底板对齐压紧；二号调节螺母压板、二号调节螺母和二号调节螺母底板作为一个整体装入滚转角调整模块基座的开口槽内，并在槽内自由滑动；二号活节螺栓穿过二号调节螺母压板，与二号调节螺母装配并穿过二号调节螺母底板和滚转角调整模块基座，二号六角头铰制孔用螺栓穿过二号活节螺栓尾端的开孔环，将开孔环固定在滚转角模块连接座上；二号压紧螺栓拧入滚转角调整模块基座(606上的螺纹孔，可锁紧调节螺母。

所述标定靶框架。

一种深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构的使用方法，包括如下操作步骤：

S1：准备工作，首先将三维标定靶固定于标定靶框架内，精密加工的标定靶框架确保框架的四边与标定靶对应的四边平行，标定靶框架通过两根竖支架挂载于调整基座上；

S2：调整基座与参照物连接，给定与标定靶网格面垂直的参照方向；

S3：将数显激光水平尺平放于标定靶框架的上边框，测量标定靶框架的滚转角，利用滚转角调整模块，将标定靶框架的滚转角调整为零度；

S4：将数显激光水平尺平放于标定靶框架的上边框，测量标定靶框架的俯仰角，利用俯仰角调节螺钉，将标定靶框架的俯仰角调整为零度；

S5：标定靶框架的上边框和下边框的两端均开规格一致的一道沟槽，任选三道沟槽，在沟槽内安装一根长方体铝棒，然后根据方位参考物提供的基准块悬置两根垂线下来，分别贴近左右铝棒，用钢尺分别测量垂线与铝棒形成的三个交点到标定靶网格面的距离，三个交点到标定靶网格面的距离一致，通过调整基座上的偏航角调整模块，将标定靶框架的偏航角调整为零度；

S6：打开PIV系统的激光，通过姿态调整机构调整整个PIV雷体的位置，直到两根垂线落在激光片光区域内，结合两根垂线以及激光射在铝棒上形成激烈的反光点，调整激光光路设置，使两根垂线落在片光区域内，且激光射在铝棒上形成剧烈的反光点，反光点至少三个，每个反光点到标定靶网格面的距离一致；

S7：沿垂直于标定靶网格面方向移动PIV系统，使两根垂线均落在片光面内或者使片光落在标定靶框架侧边的硅反射镜片上，观察由硅反射镜片反射的激光照射到PIV雷体上形成的光线痕迹是否和PIV出光口的片光痕迹重合，该结果用于检验激光片光对准质量，如果偏差较大，则需重复S6。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，在极其有限的操作空间和参考方向的背景下，综合考虑现场水平度、平行度等较差的安装平台，设计出具备三个维度转角调整的机构，操作简单方便；本发明可以有效解决在深水拖曳水池中对标定靶三个转角进行精确定量化调整的难点，同时实现了利用标定靶姿态调整机构来精确调整激光片光方向，而激光片光方向直接决定了真实的流场测试面，其重要性已经远超测量精度的范畴，因此可以通过标定靶姿态调整机构极其有效地提高标定精度和PIV试验精度。

同时，本发明还具备如下优点：

(1)在深水拖曳水池参照物及操作空间有限的前提下设计了一种三自由度 (多维度)调节标定靶姿态的机构，通过螺钉/螺母等机械部件可对标定靶框架进行精细化调节并具备位置锁定功能；

(2)用于调节标定靶偏航角的辅助工具可被用来调整激光片光方向，辅助工具利用率高，降低对环境空间占用的需求；

(3)采用多种工具来对齐并验证激光片光方向，调节精度高。

附图说明

图1为本发明标定靶的主视图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明PIV系统与定位机构的安装示意图。

图4为本发明激光片与标定靶的外置关系图。

图5为本发明姿态调整机构的结构示意图。

图6为本发明姿态调整机构另一视角的结构示意图。

图7为本发明姿态调整机构的部分爆炸图。

图8为本发明姿态调整机构的俯视图。

图9为本发明姿态调整机构的主视图。

图10为本发明偏航角调整模块的截面图。

图11为本发明滚转角调整模块的截面图。

图12为本发明工作状态时的结构示意图。

其中：1、安装架；2、上调整板；3、下调整板；4、平板基座；5、偏航角调整模块；6、滚转角调整模块；7、一号螺钉；8、二号螺钉；9、横支架；10、竖支架；11、数显激光水平尺；12、三号螺钉；13、四号螺钉；14、标定靶框架；15、五号螺钉；16、硅反射镜片；17、六号螺钉；18、六角螺母；19、六角头螺栓；20、标定靶；21、沟槽；22、PIV系统；23、姿态调整机构；24、垂线；25、配重物；26、基准块；

201、开口销；202、销轴；203、上调整板主体；204、一号支撑臂；205、滚转角模块连接座；

301、二号支撑臂；302、下调整板主体；303、偏航角模块连接座；304、滚转角模块支撑座；

501、一号压紧螺栓；502、一号调节螺母压板；503、一号活节螺栓；504、一号调节螺母；505、一号调节螺母底板；506、偏航角调整模块基座；507、一号六角头铰制孔用螺栓；508、一号内六角圆柱头螺钉；

601、二号压紧螺栓；602、二号调节螺母压板；603、二号活节螺栓；604、二号调节螺母；605、二号调节螺母底板；606、滚转角调整模块基座；607、二号六角头铰制孔用螺栓；608、二号内六角圆柱头螺钉。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图12所示，本实施例的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，包括与PIV系统22连接的姿态调整机构23，姿态调整机构23的结构为：包括平板基座4，平板基座4的上表面通过紧固件安装有下调整板3，下调整板 3的上方配合安装有上调整板2，平板基座4的两端分别安装有偏航角调整模块 5和滚转角调整模块6，上调整板2的一端设置有滚转角模块连接座205，滚转角模块连接座205与滚转角调整模块6连接，下调整板3上设置有偏航角模块连接座303，偏航角模块连接座303与偏航角调整模块5连接；位于平板基座4 的外部设置有安装架1，安装架1照在上调整板2的上方，安装架1的顶面设置有多个安装孔，用于与标定现场的参照物连接；位于平板基座4的底面固定有向下垂直的两根竖支架10，两根竖支架10之间通过紧固件安装有横支架9，横支架9下方的两根竖支架10之间安装有标定靶框架14，标定靶框架14的内部固定安装标定靶20，标定靶框架14的上边框和下边框的两端均开有沟槽21，沟槽21内放置长方体铝棒，位于标定靶框架14外端安装有硅反射镜片16；位于姿态调整机构23的顶面还设置有基准块26，基准块26上固定有两条垂线24，垂线24的底部为配重物25；标定靶框架14的顶面固定有数显激光水平尺11。

安装架1的截面呈“┏┓”结构。

上调整板2包括有上调整板主体203，上调整板主体203的两侧各设置有一个一号支撑臂204，下调整板3的两侧各设置一个二号支撑臂301，对应的一号支撑臂204和二号支撑臂301利用开口销201和销轴202连接，上调整板主体203绕着销轴202旋转。

下调整板3包括下调整板主体302，将下调整板主体302放置于平板基座4 上，六角头螺栓19自上而下穿过下调整板主体302上的通孔和平板基座4上的通孔，与平板基座4下表面的六角螺母18配合拧紧，下调整板3可绕六角头螺栓19旋转。

单根竖支架10呈T型结构。

横支架9呈工字型结构。

偏航角调整模块5的安装结构为：偏航角模块连接座303上通过一号六角头铰制孔用螺栓507安装一号活节螺栓503，一号调节螺母压板502和一号调节螺母底板505之间装入一个一号调节螺母504，一号内六角圆柱头螺钉508 把调节一号调节螺母压板502和一号调节螺母底板505对齐压紧；一号调节螺母压板502、一号调节螺母504和一号调节螺母底板505作为一个整体装入偏航角调整模块基座506的开口槽内，一号活节螺栓503穿过一号调节螺母压板502，与一号调节螺母504装配并穿过一号调节螺母底板505和偏航角调整模块基座506，一号六角头铰制孔用螺栓507穿过一号活节螺栓503尾端的开孔环，将开孔环固定在偏航角模块连接座303上；一号压紧螺栓501拧入偏航角调整模块基座506上的螺纹孔；偏航角调整模块基座506底部通过焊接方式固定于平板基座4上。

滚转角调整模块6的安装结构为：二号调节螺母压板602和二号调节螺母底板605之间装入一个二号调节螺母604，二号内六角圆柱头螺钉608把二号调节螺母压板602和二号调节螺母底板605对齐压紧；二号调节螺母压板602、二号调节螺母604和二号调节螺母底板605作为一个整体装入滚转角调整模块基座606的开口槽内，并在槽内自由滑动；二号活节螺栓603穿过二号调节螺母压板602，与二号调节螺母604装配并穿过二号调节螺母底板605和滚转角调整模块基座606，二号六角头铰制孔用螺栓607穿过二号活节螺栓603尾端的开孔环，将开孔环固定在滚转角模块连接座205上；二号压紧螺栓601拧入滚转角调整模块基座(606上的螺纹孔，可锁紧调节螺母604。

标定靶框架14。

本实施例的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构的使用方法，包括如下操作步骤：

S1：准备工作，首先将三维标定靶20固定于标定靶框架14内，精密加工的标定靶框架14确保框架的四边与标定靶20对应的四边平行，标定靶框架14 通过两根竖支架10挂载于调整基座上；

S2：调整基座与参照物连接，给定与标定靶网格面垂直的参照方向；

S3：将数显激光水平尺11平放于标定靶框架14的上边框，测量标定靶框架14的滚转角，利用滚转角调整模块6，将标定靶框架14的滚转角调整为零度；

S4：将数显激光水平尺11平放于标定靶框架14的上边框，测量标定靶框架14的俯仰角，利用俯仰角调节螺钉，将标定靶框架14的俯仰角调整为零度；

S5：标定靶框架14的上边框和下边框的两端均开规格一致的一道沟槽21，任选三道沟槽21，在沟槽21内安装一根长方体铝棒，然后根据方位参考物提供的基准块26悬置两根垂线24下来，分别贴近左右铝棒，用钢尺分别测量垂线24与铝棒形成的三个交点到标定靶网格面的距离，三个交点到标定靶网格面的距离一致，通过调整基座上的偏航角调整模块5，将标定靶框架14的偏航角调整为零度；

S6：打开PIV系统22的激光，通过姿态调整机构23调整整个PIV雷体的位置，直到两根垂线24落在激光片光区域内，结合两根垂线24以及激光射在铝棒上形成激烈的反光点，调整激光光路设置，使两根垂线24落在片光区域内，且激光射在铝棒上形成剧烈的反光点，反光点至少三个，每个反光点到标定靶网格面的距离一致；

S7：沿垂直于标定靶网格面方向移动PIV系统22，使两根垂线24均落在片光面内或者使片光落在标定靶框架14侧边的硅反射镜片16上，观察由硅反射镜片16反射的激光照射到PIV雷体上形成的光线痕迹是否和PIV出光口的片光痕迹重合，该结果用于检验激光片光对准质量，如果偏差较大，则需重复S6。

本发明所述的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构的具体结构和功能如下：

平板基座4两侧的凸台上各有两个螺纹通孔，通过一号螺钉7将安装架1 与平板基座4精准固定，安装架1上表面有八个螺纹通孔，用于和标定现场的参照物连接固定。

如图8所示，上调整板2两侧各有一个一号支撑臂204(带通孔)，通过开口销201和销轴202配合可将一号支撑臂204与下调整板3的二号支撑臂301 (带通孔)稳定衔接，并允许上调整板主体203绕销轴202旋转；滚转角模块连接座205与滚转角调整模块6连接。

下调整板3放置于平板基座4上，六角头螺栓19自上而下穿过下调整板主体302上的通孔和平板基座4上的通孔，与平板基座4下表面的六角螺母18 配合拧紧，下调整板3可绕六角头螺栓19旋转；偏航角模块连接座303与偏航角调整模块5连接。

两根T型竖支架10从下往上穿过平板基座4和下调整板主体302，用六号螺钉17固定于上调整板主体203的下表面，竖支架10和上调整板主体203与六号螺钉17配合的开孔均为螺纹通孔；利用二号螺钉8“工”字型横支架9的两端分别与两根竖支架10连接，横支架9和竖支架10与二号螺钉8配合的开孔均为螺纹通孔，两根横支架9可提升两根竖支架10之间的平行度。

如图1所示，标定靶20的四周有四个螺纹盲孔，标定靶框架14两侧边框均开有一个通孔和一个螺纹通孔，下边框开有一个螺纹通孔，标定靶框架14 上的三个螺纹通孔的位置和孔径与标定靶20的螺纹盲孔规格相匹配，四号螺钉13通过上述螺纹通孔将标定靶20固定于标定靶框架14内，且通过精密加工手段保障标定靶20四周的四条侧边与标定靶框架14上对应的边框平行，这样可利用标定靶框架14上边框的偏航角、俯仰角和纵倾角来表征标定靶20的偏航角、俯仰角和纵倾角。三号螺钉12经过特殊处理，端头打磨光滑，尺寸与标定靶框架14两侧边框的通孔规格相匹配，两个三号螺钉12将标定靶框架14悬挂在竖支架10下端，标定靶框架14可绕三号螺钉12旋转，竖支架10与三号螺钉12配合的开孔为螺纹通孔。

如图6和图8所示，一号调节螺母压板502和一号调节螺母底板505之间装入一个一号调节螺母504，一号内六角圆柱头螺钉508把调节一号调节螺母压板502和一号调节螺母底板505对齐压紧(有细微余量可供一号调节螺母504 转动)；一号调节螺母压板502、一号调节螺母504和一号调节螺母底板505作为一个整体装入偏航角调整模块基座506的开口槽内，并可以在槽内自由滑动；一号活节螺栓503穿过一号调节螺母压板502，与一号调节螺母504装配并穿过一号调节螺母底板505和偏航角调整模块基座506，一号六角头铰制孔用螺栓507穿过一号活节螺栓503尾端的开孔环，将开孔环固定在偏航角模块连接座303上；一号压紧螺栓501拧入偏航角调整模块基座506上的螺纹孔，可锁紧一号调节螺母504；偏航角调整模块基座506底部通过焊接方式固定于平板基座4上。

如图9所示，二号调节螺母压板602和二号调节螺母底板605之间装入一个二号调节螺母604，二号内六角圆柱头螺钉608把二号调节螺母压板602和二号调节螺母底板605对齐压紧(有细微余量可供二号调节螺母604转动)；二号调节螺母压板602、二号调节螺母604和二号调节螺母底板605作为一个整体装入滚转角调整模块基座606的开口槽内，并可以在槽内自由滑动；二号活节螺栓603穿过二号调节螺母压板602，与二号调节螺母604装配并穿过二号调节螺母底板605和滚转角调整模块基座606，二号六角头铰制孔用螺栓607 穿过二号活节螺栓603尾端的开孔环，将开孔环固定在滚转角模块连接座205 上；二号压紧螺栓601拧入滚转角调整模块基座606上的螺纹孔，可锁紧二号调节螺母604；滚转角调整模块基座606底部通过焊接方式固定于滚转角模块支撑座304上。

调节顺序为：滚转角调整、俯仰角调整、偏航角调整、迭代微调上述三种角度、激光片光对齐和激光片光对齐验证。

滚转角调整：

拧转滚转角调整模块6中的二号调节螺母604来改变二号调节螺母604和二号活节螺栓603的相对位置，同时二号调节螺母压板602、二号调节螺母604 和二号调节螺母底板605作为一个整体在滚转角调整模块基座606的开口槽内滑动，从而通过二号活节螺栓603和滚转角模块连接座205带动上调整板主体 203围绕销轴202旋转，这样可改变标定靶20的滚转角。将数显激光水平尺11 平放于标定靶框架14上边框来测量滚转角，调整滚转角调整模块6，使数显激光水平尺11的示数为0或者接近0。

俯仰角调整：

竖支架10上装有两个五号螺钉15，分别在标定靶框架14上边框的两侧，五号螺钉15所在位置可以与标定靶框架14的上边框触碰，拧动五号螺钉15 可推动标定靶框架14围绕三号螺钉12旋转，从而改变标定靶20的俯仰角。将数显激光水平尺11平放于标定靶框架14上边框来测量俯仰角，拧动五号螺钉 15，使数显激光水平尺11的示数为0或者接近0。

偏航角调整：

拧转偏航角调整模块5中的一号调节螺母504来改变一号调节螺母504和一号活节螺栓503的相对位置，同时一号调节螺母压板502、一号调节螺母504 和一号调节螺母底板505作为一个整体在偏航角调整模块基座506的开口槽内滑动，从而通过一号活节螺栓503和偏航角模块连接座303带动下调整板主体 302围绕六角头螺栓19旋转，本发明中上调整板2和下调整板3在偏航姿态上不存在相对位移，因此上调整板2也围绕六角头螺栓19旋转，与之相关的竖支架10、标定靶框架14和标定靶20也围绕六角头螺栓19旋转，这样可改变标定靶20的偏航角。标定靶框架14的上边框和下边框的两端均开有规格一致的一道沟槽21(每道沟槽21距与之相近的侧边框的距离相同)，在标定靶框架14 的一条侧边框上也开有与上下边框规格一致的沟槽21，该沟槽21的位置位于四号螺钉13下方。如图7所示，在标定靶框架14的上边框和下边框中任选的三道沟槽21内安装长方体铝棒，长方体铝棒可在沟槽21内移动，然后用内六角圆柱头螺钉固定，本发明保证长方体铝棒与标定靶20的网格面垂直并能根据需要调整长方体铝棒伸出标定靶框架14的上边框/下边框的距离；接下来根据方位参考物提供的参考面悬置两根垂线24，垂线24末端系上配重物25指向地心，分别贴近左右长方体铝棒，用钢尺等量具测量垂线24与长方体铝棒形成的3个交点到标定靶20网格面的距离；调整偏航角调整模块5，使三个交点到标定靶20网格面的距离一致或偏差较小。

迭代微调：

初步调整好滚转角、俯仰角和偏航角后，继续重复上述步骤，对标定靶20 的三个自由度进行精细调节，直至满足标定要求，最后用一号压紧螺栓501锁紧一号调节螺母504，避免标定靶20的偏航角发生变化，用二号压紧螺栓601 锁紧二号调节螺母604，避免标定靶20的滚转角发生变化，用两个五号螺钉15 抵住标定靶框架14上边框，避免标定靶20的俯仰角发生变化。

激光片光对齐：

如图3所示，打开PIV系统22的激光，通过姿态调整机构23调整PIV系统22的位置(说明：姿态调整机构23以方位参考物提供的参考方位为依据，可在至少两个维度上移动PIV系统22)，使两根垂线24大致落在激光片光区域内；如图10中所示，在标定靶框架14的上边框、下边框和侧边框的槽上安装三根长方体铝棒，激光片光在这三根长方体铝棒上留下剧烈的照射点，用尺子测量三根长方体铝棒上的照射点距标定靶20的网格面的距离分别为L1、L2和 L3，调节PIV系统激光光路，使得L1＝L2＝L3，利用姿态调整机构23控制PIV 系统22沿着垂直于标定靶20网格面的方向朝标定靶20移动，移动距离为L1，这样可使标定靶20的网格面落在激光片光中心，此时认为激光片光对齐工作已完成。

激光片光对齐验证：

利用姿态调整机构23细微调整PIV系统22的位置，使得两根垂线24落在激光片光区域内，此步骤用于检验激光片光的对齐质量；另外，在标定靶框架 14的一个侧边框上装有多枚硅反射镜片16，也用于验证激光片光的对齐质量，具体操作流程为：先通过姿态调整机构23调整PIV系统22的位置，直到激光片光基本照射在硅反射镜片16的中心线上，然后寻找被硅反射镜片16反射的激光片光在PIV系统22上留下的反射光痕迹，最后判断反射光痕迹是否与在 PIV系统22激光出射模块上激光片光生成的出射光痕迹重合。若偏差较大，则需要进一步细化实施激光片光对齐流程。

实际工作过程中，通过如下步骤完成：

第一步：三维标定靶固定于标定靶框架14内，精密加工的标定靶框架14 确保框架的四边与标定靶对应的四边严格平行，标定靶框架14通过两根支架挂载于调整基座上，调整基座与参照物(给定与标定靶网格面垂直的参照方向) 连接；

第二步：将数显激光水平尺11合理平放于标定靶框架14上边框，测量标定靶框架14的滚转角，利用调整基座上的滚转角调整模块6，可将标定靶框架 14的滚转角调整为接近零度；

第三步：将数显激光水平尺11合理平放于标定靶框架14上边框，测量标定靶框架14的俯仰角，利用调整基座上的俯仰角调节螺钉，可将标定靶框架 14的俯仰角调整为接近零度；

第四步：标定靶框架14的上边框和下边框的两端均开有规格一致的一道沟槽21(每道沟槽21距与之相近的侧边框的距离相同)，任选三道沟槽21，在槽内安装一根长方体铝棒，然后根据方位参考物提供的参考面悬置两根垂线24 下来，分别贴近左右铝棒，用钢尺等量具分别测量垂线24与铝棒形成的三个交点到标定靶网格面的距离，通过调整基座上的偏航角调整模块5，可将标定靶框架14的偏航角调整为接近零度(三个交点到标定靶网格面的距离一致)；

第五步：重复上述第二、三、四步，逐渐将偏航角、滚转角和俯仰角微调到零度；

第六步：打开PIV激光，通过姿态调整机构23调整整个PIV雷体的位置，直到两根垂线24大致落在激光片光区域内，结合两根垂线24以及激光射在铝棒上形成激烈的反光点，调整激光光路设置，使两根垂线24落在片光区域内，且激光射在铝棒上形成剧烈的反光点(至少三个)到标定靶网格面的距离一致；

第七步：沿垂直于标定靶网格面方向移动PIV系统22，使两根垂线24均落在片光面内或者使片光落在标定靶框架14侧边的硅反射镜片16上，观察由硅反射镜片16反射的激光照射到PIV雷体上形成的光线痕迹是否和PIV出光口的片光痕迹重合，该结果用于检验激光片光对准质量，如果偏差较大，则需重复第六步。

本发明只需利用螺母螺栓和螺钉等简单的机械部件即可实现对深水拖曳水池随车式PIV系统标定靶的三自由度姿态调整，既实现了对标定靶姿态的精细调整(含位置锁定)，又尽可能优化姿态调整机构23的尺寸空间，降低对周围有限的操作空间的要求；本发明整体机构操作简单便捷，提升使用效率，且能利用常规的量具对标定靶的姿态进行定量化的检验，使标定靶姿态调整机构23 在深水拖曳水池具备广泛的适用性。

本发明突出了标定靶姿态调整机构23的多功能性，此机构可被用于精确对齐激光片光方向，并提供了多种方法来验证片光方向的对齐质量。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，其特征在于：包括与PIV系统(22)连接的姿态调整机构(23)，所述姿态调整机构(23)的结构为：包括平板基座(4)，所述平板基座(4)的上表面通过紧固件安装有下调整板(3)，所述下调整板(3)的上方配合安装有上调整板(2)，所述平板基座(4)的两端分别安装有偏航角调整模块(5)和滚转角调整模块(6)，上调整板(2)的一端设置有滚转角模块连接座(205)，所述滚转角模块连接座(205)与滚转角调整模块(6)连接，所述下调整板(3)上设置有偏航角模块连接座(303)，所述偏航角模块连接座(303)与偏航角调整模块(5)连接；位于平板基座(4)的外部设置有安装架(1)，所述安装架(1)照在上调整板(2)的上方，所述安装架(1)的顶面设置有多个安装孔，用于与标定现场的参照物连接；位于平板基座(4)的底面固定有向下垂直的两根竖支架(10)，两根竖支架(10)之间通过紧固件安装有横支架(9)，横支架(9)下方的两根竖支架(10)之间安装有标定靶框架(14)，所述标定靶框架(14)的内部固定安装标定靶(20)，标定靶框架(14)的上边框和下边框的两端均开有沟槽(21)，沟槽(21)内放置长方体铝棒，位于标定靶框架(14)外端安装有硅反射镜片(16)；位于姿态调整机构(23)的顶面还设置有基准块(26)，所述基准块(26)上固定有两条垂线(24)，垂线(24)的底部为配重物(25)；标定靶框架(14)的顶面固定有数显激光水平尺(11)。

2.如权利要求1所述的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，其特征在于：所述安装架(1)的截面呈“┏┓”结构。

3.如权利要求1所述的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，其特征在于：所述上调整板(2)包括有上调整板主体(203)，上调整板主体(203)的两侧各设置有一个一号支撑臂(204)，下调整板(3)的两侧各设置一个二号支撑臂(301)，对应的一号支撑臂(204)和二号支撑臂(301)利用开口销(201)和销轴(202)连接，上调整板主体(203)绕着销轴(202)旋转。

4.如权利要求1所述的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，其特征在于：所述下调整板(3)包括下调整板主体(302)，将下调整板主体(302)放置于平板基座(4)上，六角头螺栓(19)自上而下穿过下调整板主体(302)上的通孔和平板基座(4)上的通孔，与平板基座(4)下表面的六角螺母(18)配合拧紧，下调整板(3)可绕六角头螺栓(19)旋转。

5.如权利要求1所述的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，其特征在于：单根竖支架(10)呈T型结构。

6.如权利要求1所述的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，其特征在于：所述横支架(9)呈工字型结构。

7.如权利要求1所述的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，其特征在于：所述偏航角调整模块(5)的安装结构为：偏航角模块连接座(303)上通过一号六角头铰制孔用螺栓(507)安装一号活节螺栓(503)，一号调节螺母压板(502)和一号调节螺母底板(505)之间装入一个一号调节螺母(504)，一号内六角圆柱头螺钉(508)把调节一号调节螺母压板(502)和一号调节螺母底板(505)对齐压紧；一号调节螺母压板(502)、一号调节螺母(504)和一号调节螺母底板(505)作为一个整体装入偏航角调整模块基座(506)的开口槽内，一号活节螺栓(503)穿过一号调节螺母压板(502)，与一号调节螺母(504)装配并穿过一号调节螺母底板(505)和偏航角调整模块基座(506)，一号六角头铰制孔用螺栓(507)穿过一号活节螺栓(503)尾端的开孔环，将开孔环固定在偏航角模块连接座(303)上；一号压紧螺栓(501)拧入偏航角调整模块基座(506)上的螺纹孔；偏航角调整模块基座(506)底部通过焊接方式固定于平板基座(4)上。

8.如权利要求1所述的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，其特征在于：滚转角调整模块(6)的安装结构为：二号调节螺母压板(602)和二号调节螺母底板(605)之间装入一个二号调节螺母(604)，二号内六角圆柱头螺钉(608)把二号调节螺母压板(602)和二号调节螺母底板(605)对齐压紧；二号调节螺母压板(602)、二号调节螺母(604)和二号调节螺母底板(605)作为一个整体装入滚转角调整模块基座(606)的开口槽内，并在槽内自由滑动；二号活节螺栓(603)穿过二号调节螺母压板(602)，与二号调节螺母(604)装配并穿过二号调节螺母底板(605)和滚转角调整模块基座(606)，二号六角头铰制孔用螺栓(607)穿过二号活节螺栓(603)尾端的开孔环，将开孔环固定在滚转角模块连接座(205)上；二号压紧螺栓(601)拧入滚转角调整模块基座(606上的螺纹孔，可锁紧调节螺母(604)。

9.如权利要求1所述的深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构，其特征在于：所述标定靶框架(14)。

10.一种深水拖曳水池PIV系统标定靶姿态调整机构的使用方法，其特征在于：包括如下操作步骤：

S1：准备工作，首先将三维标定靶(20)固定于标定靶框架(14)内，精密加工的标定靶框架(14)确保框架的四边与标定靶(20)对应的四边平行，标定靶框架(14)通过两根竖支架(10)挂载于调整基座上；

S2：调整基座与参照物连接，给定与标定靶网格面垂直的参照方向；

S3：将数显激光水平尺(11)平放于标定靶框架(14)的上边框，测量标定靶框架(14)的滚转角，利用滚转角调整模块(6)，将标定靶框架(14)的滚转角调整为零度；

S4：将数显激光水平尺(11)平放于标定靶框架(14)的上边框，测量标定靶框架(14)的俯仰角，利用俯仰角调节螺钉，将标定靶框架(14)的俯仰角调整为零度；

S5：标定靶框架(14)的上边框和下边框的两端均开规格一致的一道沟槽(21)，任选三道沟槽(21)，在沟槽(21)内安装一根长方体铝棒，然后根据方位参考物提供的基准块(26)悬置两根垂线(24)下来，分别贴近左右铝棒，用钢尺分别测量垂线(24)与铝棒形成的三个交点到标定靶网格面的距离，三个交点到标定靶网格面的距离一致，通过调整基座上的偏航角调整模块(5)，将标定靶框架(14)的偏航角调整为零度；

S6：打开PIV系统(22)的激光，通过姿态调整机构(23)调整整个PIV雷体的位置，直到两根垂线(24)落在激光片光区域内，结合两根垂线(24)以及激光射在铝棒上形成激烈的反光点，调整激光光路设置，使两根垂线(24)落在片光区域内，且激光射在铝棒上形成剧烈的反光点，反光点至少三个，每个反光点到标定靶网格面的距离一致；

S7：沿垂直于标定靶网格面方向移动PIV系统(22)，使两根垂线(24)均落在片光面内或者使片光落在标定靶框架(14)侧边的硅反射镜片(16)上，观察由硅反射镜片(16)反射的激光照射到PIV雷体上形成的光线痕迹是否和PIV出光口的片光痕迹重合，该结果用于检验激光片光对准质量，如果偏差较大，则需重复S6。

Images