CN209606056U - 用于三维监测水生物体流场与行为的piv测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，包括水槽，所述水槽内设有PIV示踪粒子，所述水槽两侧设有第一相机，所述第一相机上方设有激光器，所述水槽两端设有第二相机，所述第二相机镜头前端设有三棱镜，所述水槽上方设有第三相机。本实用新型通过多个CCD相机与激光器的结合，形成不同视角下流场中粒子的成像，根据不同视角的粒子成像能够对粒子进行三维定位和追踪，最终测量得到三维空间体内的三维流速场。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光粒子测量技术领域，具体涉及一种用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置。
背景技术
对水生物的行为监测往往需要理解水体中复杂的流场状况。因此，研究水生物周身的流场特性对水生物物种多样性的保护具有重大的意义，另一方面对水生态修复，例如鱼道的修复有着不小的参考价值。目前商业对于流场测量的仪器有ADV（Acoustic DopplerVelocimetry，声学多普勒流 速仪）、便携式流速仪等，这些测量工具往往只是粗略的计算，加上它们仅可测量单点流速，对于物体接触流体下流场的变化并不能准确测量。粒子图像测速（ParticalImageVelocimetry，PIV）技术基于其非侵入性和瞬时性的特点，弥补了上述带来的不足，从对精确获得水槽中三维流场，达到更高的精度。
中国专利CN201510116889.4公开的一种用于观测通气空化流场规律的装置，属于流动测量技术领域。装置包括脉冲激光器、空化水洞、试验件、荧光漆和CCD相机；脉冲激光器发出波长为L1的片光源，试验件的表面涂覆荧光漆，脉冲激光器发出的片光源照射到试验件表面的荧光漆后反射出波长为L2的亮光；试验件设置在空化水洞内部，试验件的前端迎向水流方向，脉冲激光器设置在空化水洞的正上方，所述脉冲激光器的出光口正对试验件，试验件在中心轴线位于所述脉冲激光器发出的片光源所在的平面内；CCD相机的光轴与脉冲激光器片光源所在的平面垂直。本发明能够解决流场中的反光现象并且对于提高PIV的精度具有重要意义。但是该装置只能获取粒子二维图像，另外CCD相机的光轴与脉冲激光器片光源所在的平面垂直，使得测量面上的点到相机感光面的距离都一样，过多的粒子在相机内成像。
中国专利CN201110289451.8一种单相机三维体视粒子图像测速系统，包括光学系统、数据采样系统和数据处理系统；光学系统和数据采样系统构成实验测量平台；该光学系统包括体光源调节光学部、激光发生器、多棱面特效棱镜即又多影镜和激光体；激光发生器为系统光源，采用半导体连续激光；体光源调节光学部为一组透镜组合，置于激光发生器的光路上；多棱面特效棱镜是实现单相机立体成像的关键部件，置于数字相机和测量流场之间的光路上；该数据采样系统包括信号同步器、数字相机、微型计算机和平面标靶；该数据处理系统按规定的方法进行。本发明通过单个相机形成不同视角下流场中粒子的成像，根据不同视角的粒子成像对粒子进行三维定位和追踪，得到三维空间体内的三维速度场。该系统利用单个相机和多棱面特效棱镜 虽然成像模式简单，但是获得的三个视角下的粒子成像并不精确。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供了一种用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，能测量得到三维空间体内的三维流速场。
为实现上述目的，本实用新型通过以下方案实现：一种用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，包括水槽，所述水槽内设有PIV示踪粒子，所述水槽两侧设有第一相机，所述第一相机上方设有激光器，所述水槽两端设有第二相机，所述第二相机镜头前端设有三棱镜，所述水槽上方设有第三相机。
优选的，所述水槽底部设有黑色贴纸。
优选的，所述PIV示踪粒子为空心玻璃珠。
优选的，所述水槽两侧还设有支架，所述支架包括第一安装架和第二安装架，第一安装架和第二安装架均铰接在支架上，所述激光器和第一相机分别安装在第一安装架和第二安装架。
优选的，所述激光器2为Nd-YAG双脉冲激光器。
优选的，所述第一相机3、第二相机5、第三相机6均为CCD相机。
本实用新型的有益效果为：1、通过多个CCD相机与激光器的结合，形成不同视角下流场中粒子的成像，根据不同视角的粒子成像能够对粒子进行三维定位和追踪，最终测量得到三维空间体内的三维流速场；
2、通过支架调节相机和激光器的角度，不需考虑两侧激光器高度不同产生的误差；
3、将不可视的Y轴部分流场得到， 通过Y轴的流场将X-Y、X-Z、Y-Z后处理所得单帧图片更好的匹配，可测量不同水流速度下的水生物体周围流场；
4、结构简单易拆卸，使用方便，可操作型强，三维流场获取更加精准。
附图说明
下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：
图1一种用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置示意图；
图2 粒子三维瞬时移动计算示意图；
图3为第一相机和激光器在支架上的安装示意图；
图4三维水生物拍摄合成示意图；
图中：水槽1，激光器2，第一相机3，三棱镜4，第二相机5，第三相机6，支架7，第一安装架701，第二安装架702。
具体实施方式
如图1所示，一种用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，包括水槽1，所述水槽1内设有PIV示踪粒子，所述水槽1两侧设有第一相机3，所述第一相机3上方设有激光器2，所述水槽1两端设有第二相机5，所述第二相机5镜头前端设有三棱镜4，所述水槽1上方设有第三相机6。第一相机3、第二相机5、第三相机6用于采集照亮平面内的示踪粒子图像，当水生物在水槽的Y-Z平面游动距离时可通过三棱镜4配合激光器2的照射，更加高效的提取远运动距离的流场。
所述水槽1底部设有黑色贴纸。由此结构，更好的降低粒子的闪射从而提高粒子可见度。
所述PIV示踪粒子为空心玻璃珠。在水的流体采用密度接近水(如密度ρ= 1.05)的空心玻璃珠，直径为30-100μm。
所述水槽1两侧还设有支架7，所述支架7包括第一安装架701和第二安装架702，第一安装架701和第二安装架702均铰接在支架7上，所述激光器2和第一相机3分别安装在第一安装架701和第二安装架702。
所述激光器2为Nd-YAG双脉冲激光器。它是由两个独立的激光器组成，并通过同一个光路系统出光。
所述第一相机3、第二相机5、第三相机6均为CCD相机。CCD相机体积小、重量轻、不受磁场影响、抗震动和撞击。
实施例1：
相机的安放位置与片光的垂直方向呈一定的夹角，使得测量面上的点到相机感光面的距离不一致，在焦距不变的情况下，只有特定距离处的粒子才可以在相机内清晰成像，所有大于或小于这个距离的粒子在相机上的成像都是模糊的。
激光器2高于第一相机3形成一定角度的俯视，这个俯视角度为了得到Y坐标轴上的粒子流速，通过Y坐标轴的粒子速度与Y-Z平面和X-Z平面匹配视图，从而达到精准的匹配，根据需要通过调节第一安装架701、第二安装架2获得最佳拍摄角度。
实施例2：
当测量动水中的水生物流场时，把透明的玻璃水槽换为透明的动水水槽或者loligo等。
实施例3：
通过信号同步器和计算机控制激光器2和第一相机3、第二相机5、第三相机6的运行。
该装置监测水生物体流场与行为的步骤包括：
1）选定测量区域；
2）将激光器2、信号同步器和计算机连接，计算机控制激光器2的照射。调节激光器2形成体光源并照射测量区域；
3)将第一相机3、第二相机5、第三相机6分别与信号同步器、计算机连接，使得计算机控制第一相机3、第二相机5、第三相机6的曝光；
4)在水槽1中投放PIV示踪粒子，分别在第二相机5、第三相机6与水槽1之间放置三棱镜4，配合激光器2的照射，调节三棱镜4的位置和第一相机3、第二相 机5、第三相机6的焦距，使得第一相机3、第二相机5、第三相机6上形成清晰的粒子成像；
5)计算机接收粒子成像数据并进行处理。
如图2所示，粒子监测通过X-Y、X-Z、Y-Z三个平面的结合得到最终的三维成像图。
将不同方向上拍摄到的粒子可分为左右两侧，分别用xRxL，zRzL，yRyL，利用R和L来计算角度粒子流动角度，最终利用的偏转角度和距离呈现在三维坐标上，最终计算出粒子的三维流场图，如图3所示。
实施例4：
第一相机3、第二相机5、第三相机6采用德国Basler面阵/线阵相机,29x29mm的超小尺寸,VGA-1400万/1k-12k分辨率,高成像质量,帧速率高达751fps。
激光器2采用InnoLas公司的YM-R1000/2000系列。
信号同步器选用北京立方天地有限公司的8通 道MicroPulse725信号同步器。
Claims (6)
1.用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，其特征在于：包括水槽（1）和计算机，所述水槽（1）内设有PIV示踪粒子，所述水槽（1）两侧设有第一相机（3），所述第一相机（3）上方设有激光器（2），所述水槽（1）两端设有第二相机（5），所述第二相机（5）镜头前端设有三棱镜（4），所述水槽（1）上方设有第三相机（6）。
2.根据权利要求1所述的用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，其特征在于：所述水槽（1）底部设有黑色贴纸。
3.根据权利要求1所述的用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，其特征在于：所述PIV示踪粒子为空心玻璃珠。
4.根据权利要求1所述的用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，其特征在于：所述水槽（1）两侧还设有支架（7），所述支架（7）包括第一安装架（701）和第二安装架（702），第一安装架（701）和第二安装架（702）均铰接在支架（7）上，所述激光器（2）和第一相机（3）分别安装在第一安装架（701）和第二安装架（702）。
5.根据权利要求1所述的用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，其特征在于：所述激光器（2）为Nd-YAG双脉冲激光器。
6.根据权利要求1所述的用于三维监测水生物体流场与行为的PIV测量装置，其特征在于：所述第一相机（3）、第二相机（5）和第三相机（6）均为CCD相机。
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