CN115933109A - 一种适用于多相机piv试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种适用于多相机PIV试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统，主要包含固定底座、旋转导臂与光学反光镜所组成的反射主体以及透明导流舱；该系统可内置于小型水箱或带有透明视窗的循环水槽内部，通过调节内部光学反光镜空间位置与角度，实现水槽外部相机垂直于水槽壁面拍摄时可进行不同拍摄角度调节的功能，以避免相机直接倾斜拍摄所引起的图像变形问题，该系统主要应用于有一定拍摄角度需求的跨介质拍摄场景。
Description
技术领域
本发明属于实验流体力学领域，具体涉及一种适用于多相机PIV试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统。
背景技术
粒子图像测速技术(PIV)是一种获取流场中流体质点速度矢量的测量手段，通常由高速相机、激光器以及采集电脑组成，通过激光器照亮流场中的事先布撒好的示踪粒子，相机拍摄示踪粒子在一定时间间隔下的变换图像，可分析该段时间内流场的位移信息，从而计算速度矢量分布。PIV可根据拍摄速度矢量的维度分为2D-PIV(2Dimension PIV，拍摄二维平面内二分量速度矢量信息)，2D3C-PIV(2Dimension 3Component PIV，测量二维平面内三分量速度矢量信息)以及3D3C-PIV(3Dimension 3Component PIV，测量三维空间内三分量速度矢量信息)。其中2D3C-PIV与3D3C-PIV均需要多台高速相机以多个视角对目标流场区域进行拍摄，在进行水体流场测量时，现有的小型水箱与水槽的观察窗均为平面结构，为达到不同的拍摄视角，高速相机在空气中需要以一定的倾斜角度透过水槽壁面对内部水流场进行拍摄时，此时由于光学折射等问题会产生图像变形，从而影响图像拍摄效果以及后续的速度矢量分析结果。
现阶段在进行水箱或水槽环境下的多相机PIV试验时，主要采取以下两个手段：1)定制水下PIV系统，将高速相机等硬件设备置于水体中对目标流场进行拍摄；2)针对待测量流场，定制多棱柱水箱，每个相邻棱面呈一定的角度，相机垂直于棱面对水箱内部的流场进行拍摄。方法1主要适用于具有来流的循环水槽环境，但定制水下PIV系统结构复杂，设备成本极高，试验调试不方便，且具备很大试验风险，对水槽试验段的空间范围要求较大；方法2主要适用于小型水箱内的流场测试试验，多棱柱的水箱条件使其可测量流域范围较小，无法自由选择或更改测量位置，具有较大的应用条件限制，且针对不同的试验需求需定制不同结构的试验水箱，可重复利用率较低。综上，上述两种方法均有较高的实验条件限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于多相机PIV试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种适用于多相机PIV试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统，包括反射主体，反射主体包括固定底座、旋转导臂及光学反光镜；固定底座用于固定反射主体，旋转导臂一端与固定底座连接，另一端与光学反光镜连接；旋转导臂包括水平旋转关节A、水平旋转关节B、水平旋转关节C、垂向旋转关节A、垂向旋转关节B、光学反光镜固定平板及连接支架；连接支架一端依次连接水平旋转关节B、垂向旋转关节B、水平旋转关节C及光学反光镜固定平板，另一端依次连接水平旋转关节A和垂向旋转关节A；垂向旋转关节A与固定底座连接，光学反光镜固定平板上安装光学反光镜。
进一步地，在无来流的小型水箱内，反射主体通过固定底座安装在水槽壁面上；在大型循环水池内，反射主体通过固定底座安装在透明的导流楔形体内，导流楔形体安装在水池避上。
进一步地，所述导流楔形体中间为箱体，两侧为楔形导流体，反射主体安装在中间的箱体内；导流楔形体的顶部和底部均上设置有舱体出入水孔。
进一步地，小型水箱和大型循环水池外侧设置高速相机，相机视角垂直与水箱壁面和水池壁面，视角中心位于光学反光镜的中心位置。
本发明的有益效果在于：
本发明可适用于除PIV试验外其他需要跨介质多角度拍摄的图像采集试验中，且占用空间小。
本发明的旋转导臂的五组可旋转关节支架，可满足光学反射镜在一定范围内以任意角度、距离进行旋转、升降、俯仰等调节，满足各种拍摄角度需求，及各种试验需求。
附图说明
图1为本发明的反射主体结构图；
图2为本发明的透明导流舱结构图；
图3为本发明的旋转导臂细节图；
图4为本发明的反射主体在透明导流舱内的安装透视结构图；
图5为本发明的双相机时光学辅助系统系统在小型水箱中的使用效果图；
图6为本发明的四个相机时光学辅助系统系统在大型循环水池中的使用效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
根据图1和图2，一种适用于多相机PIV试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统，主要包含固定底1、旋转导臂2与光学反光镜3所组成的反射主体12以及导流楔形体5：
根据图1至图4，固定底座1为耐腐蚀金属板结构，可通过螺栓固定在导流楔形体5内部或在无来流实验中通过粘合剂等直接固定在小型水箱15；根据图2-3，旋转导臂2固定在固定底座1上由水平旋转关节A 7、水平旋转关节B 8、水平旋转关节C10、垂向旋转关节A6、垂向旋转关节B 9、光学反光镜固定平板11及连接支架19组成，光学反光镜3安装在旋转导臂3的末端水平旋转关节C10所连接的光学反光镜固定平板11上，反射主体12在固定底座1固定的情况下，可通过手动调节的方式使光学反光镜3实现上下前后的升降平移，以及多角度俯仰角度调节等功能，满足不同的视角偏转角度需求。
整套反射主体12可内置于导流楔形体5内，在工作时导流楔形体5通过上下开设的舱体出入水孔4注入水体，使光线的斜射在单一介质中进行，避免了图像的变形(透明导流楔形体5壳的影响可忽略)，导流楔形体5两侧为楔形导流体，可使导流楔形体5在较高速的来流环境下紧贴水槽壁面，并保持导流楔形体5在水中的稳定性。
根据图5，若试验环境为无来流的小型水箱15，则参照图5进行系统布置。首先确定待测量拍摄区域14，其中主要包含带测量区域空间位置、拍摄角度以及测量范围大小；随后根据拍摄位置、角度以及所需要的高速相机13数量计算系统在水箱壁上的安装位置与光学反光镜3角度范围，反射主体12可直接通过粘合剂等手段固定在水箱壁面，并在小型水箱15外侧固定拍摄的高速相机13，相机视角垂直与水箱壁面，视角中心位于光学反光镜3中心位置，并根据拍摄范围调整相机到小型水箱15的距离；待系统初步布置好后，布撒示踪粒子，并打开PIV的激光系统，照亮待测平面，根据相机的图像反馈对光学反光镜3的位置与角度进行微调，以达到最佳的拍摄效果，随后可以展开试验工作。
根据图6，若试验环境为有来流的大型循环水池18，则参照图6进行系统布置。首先在大型循环水池内安装待观测的试验模型17，以此来确定待测量拍摄区域14。根据测量拍摄区域14以及所需要的高速相机13数量，计算系统在水池壁上的安装位置与光学反光镜3角度范围，反射主体12在装入透明导流楔形体5前先进行初步的角度调节，随后安装到导流楔形体5内部，并将透明导流楔形体5安装到水池壁的特定位置，并保证导流楔形体5内部充满水体。在大型循环水池18外侧固定拍摄的高速相机13，相机视角垂直与水池壁面，视角中心位于导流舱内光学反光镜3中心位置，并根据拍摄范围调整高速相机13到水池的距离；待系统初步布置好后，布撒示踪粒子，并打开PIV的激光系统，照亮待测区域，根据相机的图像反馈对光学反光镜3的位置与角度进行微调，以达到最佳的拍摄效果随后可以展开试验工作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (4)
1.一种适用于多相机PIV试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统，其特征在于：包括反射主体(12)，反射主体(12)包括固定底座(1)、旋转导臂(2)及光学反光镜(3)；固定底座(1)用于固定反射主体(12)，旋转导臂(2)一端与固定底座(1)连接，另一端与光学反光镜(3)连接；旋转导臂(2)包括水平旋转关节A(7)、水平旋转关节B(8)、水平旋转关节C(10)、垂向旋转关节A(6)、垂向旋转关节B(9)、光学反光镜固定平板(11)及连接支架(19)；连接支架一端依次连接水平旋转关节B(8)、垂向旋转关节B(9)、水平旋转关节C(10)及光学反光镜固定平板(11)，另一端依次连接水平旋转关节A(7)和垂向旋转关节A(6)；垂向旋转关节A(6)与固定底座(1)连接，光学反光镜固定平板(11)上安装光学反光镜(3)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多相机PIV试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统，其特征在于：在无来流的小型水箱(15)内，反射主体(12)通过固定底座(1)安装在水槽壁面上；在大型循环水池(18)内，反射主体(12)通过固定底座(1)安装在透明的导流楔形体(5)内，导流楔形体(5)安装在水池避上。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多相机PIV试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统，其特征在于：所述导流楔形体(5)中间为箱体，两侧为楔形导流体，反射主体(12)安装在中间的箱体内；导流楔形体(5)的顶部和底部均上设置有舱体出入水孔(4)。
4.根据权利要求2所述的一种适用于多相机PIV试验中相机跨介质倾斜拍摄的光学辅助系统，其特征在于：小型水箱(15)和大型循环水池(18)外侧设置高速相机(13)，相机视角垂直与水箱壁面和水池壁面，视角中心位于光学反光镜(3)的中心位置。
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