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粒子成像速度场仪技术简介

上海汇分电子科技有限公司

2011/1/16 21:46:04

 

粒子成像速度场仪(PIV)系统主要包含时序控制器、计算机及PIV应用软件、图像记录仪、光学照明系统等四大部分,用光学方法对气流、液流场内部进行流动测量和结构研究。
 
1            设备安装运行必需具备的场地条件:
 
    

          环境电磁干扰:计算机房标准
           振动:计算机房标准
          灰尘:计算机房标准
           防水:必须防止水浸、溅
           环境温度:15~35摄氏度
          环境湿度:20%~80%

          内部信号标准:TTL信号,0 - 5伏电平,4~20毫安
 
 



2   
PIV系统的核心:Dynamic Studio图像采集软件平台

2.1       Dynamic Studio图像采集软件平台特点

          每台计算机zui多4个图像记录仪通道
          通过以太网进行多台计算机分布采集            
          可进行多相机多激光器控制
          可控制Windows系统所支持zui大内存
          更灵活的数据存储方式
           无硬件数量限制的计算机分布处理
 
          即插即用,网络实时设备管理器

2.2        Dynamic Studio图像采集软件平台的适用范围:
  

          二维粒子图像测量 PIV
           三维粒子图像测量 PIV
          高频PIV(TR-PIV)
         基于激光诱导荧光技术的温度测量
           基于激光诱导荧光技术的浓度测量
           燃烧产物诊断分析(CLIF)
           煤烟诊断分析(LII)
          干涉、阴影粒径测量(IPI, Shadow Sizing)
 
 
 

2.3 设备特点 

2.3.1支持多记录仪同步、异步采集

    每台安装有Dynamic Studio图像采集软件平台的计算机zui多可以连接4台图象记录仪。连接额外的记录仪只需插入记录仪接口模块再连上电缆,即插即用,无需作复杂的连线或软件修改工作。

2.3.2*的内存管理功能可以管理Windows所支持的zui大内存
          
          数据存储是图像采集过程中的一个重要环节。大容量的存储器保证了系统长时间的全速运行和不间断采集。独立于Windows的内存管理功能可以分配给计算机的资源来在线处理和显示分析结果。
 
2.3.3对激光器和外部设备的同步控制能力

       Dynamic Studio图像采集软件平台自带的设备库内已预先定义了很多种标准的照明和记录设备,用户无需从中挑选自己所用的型号,而只需将设备连接好,系统可以自动检测出所连接的设备。设备库也提供用户自定义设备的能力,新定义的设备同样可以在控制下运行。
 
     
同时,Dynamic Studio平台支持多硬件控制,基于Host-Client的硬件控制方式使得用户可以同时控制多个不同型号的CCD及激光器,同时完成多参量的数据采集,比如PIV和Combustion-LIF同步测量。

2.3.4内置了与图像采集同步的模拟量采集功能 
   
   
在PIV系统中,我们集成了4通道的模拟/数字采集器。模拟量的采集可以与图像采集有一个可编程的时间间隔。这个模拟量可以是来自与流场中的温度探头、位置传感器、能量计、参考流速等。
2.3.5多种复杂的同步及触发功能
 
Dynamic Studio图像采集软件平台可适用于许多触发场合。把测量系统调整到特定重复频率可以保证zui大的数据采集率。这需要令激光器按特定频率运行,同时根据触发信号设置一个允许发光的时间窗口。
                            
数据采集也可以按用户时间来滞后(或预触发),有利于如研究循环现象的不同相位。

2.3.6
通过TCP/IP协议遥控
 

Dynamic Studio图像采集软件平台的一个重要作用就是将一切控制、采集过程网络化。TCP/IP协议也是Internet网络的标准协议,这就为系统提供了很多灵活性。

   如果用户的网络支持TCP/IP协议,用户可以通过无线遥控采集控制器或进行分布式计算。

2.3.7 互动采集控制

      Dynamic Studio图像采集软件平台的一个重要特性是集成化的用户控制界面,将系统的复杂配置简化成一个轻松管理的图形系统,所有控制命令、参数都集成在一个“在线运行 / 采集”的窗口中。

2.3.8 向实验发送控制信号
 

       在很多实验过程中,需要在流场状态、基本测量仪器和辅助设备之间作出协调。 
         Dynamic.Studio 图像采集软件平台除了能以多种方式进行触发外,还能实时发送多种 TTL 触发信号给其它需要协调的设备。每个触发信号都能被分别定制属性,比如极性、脉宽、延时等。        
         Dynamic.Studio 图像采集软件平台强大的控制指令集,将诸多复杂的测量设备简化成一个友好的系统。

 3 Dynamic.Studio 图像采集软件平台应用于 PIV 数据分析
 
        Dynamic.Studio 软件根据数据采集时序要求计算各路同步信号的时序,发送到硬件去执行。这一过程对用户来说是全自动的。 
          Dynamic.Studio 软件为用户在获取图像数据时提供选项界面,并可以在终端上实时显示测量结果供人工检验。记录的数据存储在一个特别设计的由图标引导的数据库中。         
        Dynamic.Studio 软件也提供了强大的计算能力,可以对本系统记录的、或从外部读入的照片进行分析处理,进行相关、矢量运算、有效化等工作,还可以进一步处理成流线图、涡量图、梯度图等其它表现。
软件特点:
3.1 面向未来的设计

      Dynamic.Studio 图像采集软件平台采用的软件技术进行设计,并包含了大量的创新理念。这个平台不仅仅满足当今的需求,并且为日后的实验提供了可持续的发展空间,包括超大容量图像采集分析以及超高速图像采集能力等。 
     这一切都是基于网络化的分布管理——任何一个过程都必须是网络化的。目前我们常见的网络将向着更高的速度发展,并且会有更多新的网络协议,但是,我们使用网络的目的不会改变。抽象的来说,在网络的使用上, Dynamic.Studio 的功能高于目前的需求,但是随着网络的飞速发展,这些功能将是高性能系统*的。
     Dynamic Studio 专为优化系统资源而设计,无论一个相机拍摄几百张图片还是不同计算机上的很多相机同时拍摄几千张图片, Dynamic Studio 都可以应付自如。

 3.2 动态图形化设备连接管理

        在 PIV 实验台的搭建过程中,激光器和图像记录仪的各种触发线、数据线、互锁线、电源线往往给实验设备连接造成很多不必要的麻烦。多数情况下,我们需要在每根线上贴好标签,以确定不会将几台图像记录仪的触发、数据线搞混,不会将激光器的4根 Flash、QSwitch 线搞混。
        动态图形化设备连接管理器的出现使我们*免去了这种烦恼。所有的同步触发连接都在 Dynamic Studio 的一个图形管理窗口中显示出来,使用者只需要按照图中的连接方式将各个电缆逐一连好即可。

3.3 数据测量与流场之间的同步
 

        因为许多流场是周期性的或单次的,所以 FlowMap 系统提供了很多使数据采集与流场状态同步的手段: 
      (1) 在周期性流场中,数据采集可以在一个周期中的某个特定位相处被激活,例如在发动机测量中,可以在曲轴转到某个预定角度时采样。
      (2) 在随机流场中,或在周期性流场中的一个有*段内,模拟量数据可以与 PIV 数据同时被采集,因而可以根据模拟量代表的物理状态,如浪高、温度、附面层的分离度或轴转角等对已采集的 PIV 数据进行分类。

3.4 强劲可靠的矢量处理算法
 

       FlowMap 系统使用已经过充分验证的快速傅立叶变换 (FFT) 算法实现实时处理。这种算法被广泛应用于信号处理领域,而且在长期的应用中也被证明不论是从理论上还是从实际上都适合 PIV 使用。zui前沿的可编程器件保证在实现实时 PIV 测量的同时不损失实验灵活度和数据品质。
       FlowMap 的PIV 相关算法软件库里也包含已固化到实时相关器硬件中的算法。您的计算机也由此具有把图像照片处理成矢量图形的能力。

3.5 “可适应”相关算法
 

         一种改进的 PIV 算法“可适应相关”现在已作为一种标准算法包含在丹迪公司的软件包中。通过这种算法,用户可以重点研究自己感兴趣的流场品质。算法提供了更多的矢量线、在研究更大面积流场的同时提供更多的细节信息,改善了动态范围和精度。计算生成的矢量间距可以小到 2x2 像素。

                                
3.6 FlowMap 的大批量存储管理
 

       大批量存储功能适合如下应用范围:产生流态动画、发动机测量、瞬态测量比如冲击波,或其它要求高数据率的应用场合。
       大批量存储很适合要求高数据率的实验。数据先快速输送到快速存储介质中供以后的分析使用,并且无需占用宝贵的数据采集时间。原始照片和处理后的矢量图都可以被批量存储,所以这一功能不仅对 PIV ,也对其它需要研究照片的实验方法有用。
      而 Dynamic Studio 的网络化管理也为多计算机分布存储提供了可能。

3.7 大容量内存管理
 

     Dynamic Studio 软件*的内存管理功能可支持 Windows 能够寻址的zui大内存,而其针对 64bit 操作系统的设计,保证了 3GB 以上的图像存储空间。并且, Dynamic Studio 软件可以将图像采集内存与系统内存分开管理,大容量的缓冲存储器在图象记录仪和计算机之间建立一个数据缓冲池,以免*输入的图象数据在计算机资源紧张时溢出或丢失,保证了系统长时间的全速运行和不间断采集,计算机可以腾出宝贵的资源来在线处理、分析、显示计算结果并将之保存。

3.8 流体动画
 

       Dynamic Studio 软件的批量存储可以使系统以记录仪的zui快拍照速度采集和存储分析大量的照片和矢量图。新增的动画功能可以产生照片、矢量图或涡量图的动画 AVI 文件。这个 AVI 文件可以很方便地被许多 Windows 软件,如 PowerPoint 和 MediaPlayer 等打开做生动的说明、演示等。

 
3. 9 原始图像处理

       原始照片图像中有时不可避免地含有模型或边壁的影像,这些不含流动信息的影像会干扰软件的判读和运算,产生虚假速度矢量。 Dynamic Studio 软件具有图像掩盖功能,可以在原始照片上绘制掩盖区,把不需要做 PIV 判读计算的部分屏蔽掉,减轻了后期处理工作量。

 

        原始照片图像在某些非理想情况下具有比较低的信噪比。这些低质量照片会给判读、互相关运算、有效化、过滤等后期处理步骤增加困难。 Dynamic Studio 软件具有图像信号增强功能,可以对原始照片数据进行预处理,削弱背景噪声或增强信号强度以提高信噪比,提升照片质量等级。

3.10 图像标定功能
 

       丹迪提供绘有标准图案的靶板,对软件判读出的拍摄图案和软件存储的标准图案进行比较, Dynamic Studio 软件可以计算出补偿函数,有效补偿因记录仪倾斜、光线弯曲、媒介折射等因素造成的图像失真或变形,减小定位误差。
      丹迪绘有标准图案的靶板,除了可修正各记录仪的自身倾斜、图象变形失真和透视效应,还可为多台记录仪提供共同的空间基准,让软件计算出正确的空间映象函数。 Dynamic Studio 软件利用空间映象函数,可以确定不同记录仪坐标系间的相互关系,利用多台记录仪的 2 维测量结果合成出 3 维矢量图。

 
 
3.11 PIV 软件 Dynamic Studio 与其它处理软件间的数据交换
3.11.1 Dynamic Studio 软件与 Tecplot 软件之间的数据接口
 

        Tecplot 是流体力学界里流行的一种用于做数据处理和显示的软件。 Tecplot Loader 是附加到 Tecplot 软件中去的一个附件,对 Dynamic Studio 软件采集到的 PIV 数据无需再做输出和输入,允许 Tecplot 直接从 Dynamic Studio 的数据库中读取原始数据甚至矢量数据。步骤在界面熟悉的弹出窗口中进行。

3.11.2 Dynamic Studio 软件与 MatLab 软件之间的数据接口
 

       MatLab 是流体力学界里流行的一种用于做数据处理和显示的软件。 MatLab Link 是附加到 Dynamic Studio 软件中去的一个附件。 Dynamic Studio 软件采集到的 PIV 数据可由此直接 动态链 接到 MatLab 软件中去做计算处理显示,计算结果可保存在 Dynamic Studio 的树形数据目录中,不会丧失数据的追溯关联性,而不仅仅是数据的导入导出功能。

4 PIV 系统的图像记录仪
 
4.1 FlowSense 2M 型图像记录仪
 

      FlowSense 2M 型互相关图像记录仪配合 Camera link 图像传输接口,使图像传输速度接近计算机总线速度极限,从而提供了更加快速、稳定的图像采集过程。

4.2 HiSense 4M 型图像记录仪
 

       HiSense 4M 型图像记录仪采用一代 CCD 感光芯片,且自带消除电子热噪声的制冷器,提高了灵敏度降低了背景噪声。两张照片间的曝光间隔zui短可到 0.2 微秒。有两种机身构造不同的型号,可更好地满足在狭小或特殊空间内的应用。
      与前一代图像记录仪相比,其灵敏度提高了 16 倍,动态感应范围提高了 30 倍,空间分辨率提高至 4 倍,极大增强了对微弱信号和流场细节的感知能力,同时在其它条件都不变的情况下使有效测量面积扩大了 4 倍以上,显著提升了 PIV 系统的*程度和总体性能水平。

4.3 图像记录仪镜头窄带滤光镜
 

       PIV 用的信号光源波长是 532 纳米,而图像记录仪配备的镜头窄带滤光镜的透光范围是 532 ± 10 纳米,可以滤掉 95% 以上的杂散光,减轻 PIV 系统在避光方面的要求,提高摄取图象的信噪比,改善了人员工作环境。

4.4 记录仪接口模块
 

        记录仪接口模块用于识别特定记录仪格式,如像素数量、像素灰度等级、 CCD 芯片结构等,并且将同步器的控制信号转换成记录仪可以识别的模式,并高速接受和转发从记录仪传来的数据。

 4.5 图像记录仪安装台
 

       图像记录仪安装台用于稳固地架设多台图像记录仪;为三维测量提供旋转平台;满足多台图像记录仪离轴成像时的 Scheimpflug 光学条件。

4.6 双层双面 3 维标定靶板
 

       双层双面 3 维标定靶板用于修正成像误差,为进行三维测量的多台图像记录仪提供共同的空间坐标基准,使软件可以计算出图像记录仪的三维空间映射函数。

4.7 烟雾粒子发生器
 

       烟雾粒子发生器用于向气流场内的研究区域输送烟雾粒子,使研究区域内部能反射出光信号,为使用光学法测量提供可能。
       产生的烟雾粒子无毒无腐蚀,不易燃,稳定寿命长,浓度可视情况调整。

5 PIV 光学照明系统
 
5.1 激光器
 

       PIV 系统多采用 Nd:YAG 脉冲激光器,其发射的强大照明光可以使散布于流场中的微小示踪粒子也能清晰地被图象记录仪捕捉到,为后期的分析计算提供高质量的图像。丹迪 PIV 系统中使用的激光器不但功率强大,而且结构紧凑、使用方便、运行稳定。

5.2 导光臂和片光源发射镜头
 

       导光臂可将脉冲激光器发射的强大光能、安全且灵活地传送到所需位置,片光源发射镜头将圆柱状光束转变成扇形光片,照亮流场中特定位置处的研究区域。

5.3 激光器控制和同步电缆
 

       激光器同步和控制电缆被设计来从 DCPIV 控制器向每个激光腔传送点灯和 Q 开关信号,使激光的发射与记录仪的快门同步。这种电缆可与多种激光器兼容。

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