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【光學(xué)知識】PIV技術(shù)的原理及其應(yīng)用領(lǐng)域

  • 來源:光虎


PIV技術(shù)的原理及其應(yīng)用領(lǐng)域



PIV,全名:Particle Image Velocimetry,又稱為粒子圖像測速法,是七十年代末發(fā)展起來的一種瞬態(tài)、多點、無接觸式的流體力學(xué)測速方法。PIV結(jié)合了流動可視化和圖像處理技術(shù)來測量流場速度,技術(shù)通過對各種流的可視化圖像進行圖像分析,給出了流速、溫度和密度的信息。

PIV與PTV區(qū)別 

利用粒子圖像的高密度分布模式獲取網(wǎng)格點速度的方法被稱為粒子成像測速(PIV),用于跟蹤低粒子數(shù)密度的每個粒子的方法被稱為粒子跟蹤測速(簡稱PTV)。

PIV的難點 

粒子識別是PIV的主要難點,高精度的測量需要在測量流場中有足夠數(shù)量的粒子。如果流體在流場中的運動是復(fù)雜的,例如在高速或強旋轉(zhuǎn)的情況下,很難識別連續(xù)圖像幀中的每個粒子。

PIV的原理 

PIV沒有標(biāo)準(zhǔn)的測量系統(tǒng),每種類型的PIV都需要安裝硬件和軟件來測量流場。盡管現(xiàn)在應(yīng)用了許多類型的PIV,但它們?nèi)匀挥幸恍┩ㄓ昧鞒?。PIV測量包括四個階段:①釋放粒子,②照明,③拍攝和④圖像處理。為了精確的PIV測量,每個階段都應(yīng)該在整個實驗中嚴格執(zhí)行。

PIV測量的階段詳細如下:①釋放粒子:當(dāng)粒子具有良好的流體流動可追溯性行為時,粒子速度通常表示局部流體速度。②照明:在二維PIV測量中,光散射示蹤粒子的流場由一個均勻的光片照亮,通常來說光源是由三角棱鏡和圓柱透鏡引導(dǎo)的激光,光板的厚度約為1~2mm,并調(diào)整光強,使示蹤粒子可以清晰被拍到。③拍攝:要執(zhí)行 PIV 分析,需要從流場中對相機進行兩激光曝光。起初,由于攝像機無法高速捕獲多個幀,因此在同一幀上捕獲了兩個曝光,并且此單個幀用于確定流量。此分析使用了稱為自相關(guān)的過程。然而,由于自相關(guān)流的方向變得不清楚,因為不清楚哪些粒子點來自第一個脈沖,哪些粒子點來自第二個脈沖。自那時以來,開發(fā)了使用CCD或CMOS芯片的更快的數(shù)碼相機,可以高速捕獲兩幀,幀之間只有幾百 ns 的差異。這使得每個暴露都能夠在其自己的框架上隔離,以進行更準(zhǔn)確的交叉相關(guān)分析。④圖像處理:圖像處理是PIV測量中較重要的階段。首先,記錄粒子運動的圖像被傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器以獲得數(shù)字圖像。然后,對數(shù)字圖像進行處理。處理包括去除噪聲,平滑,將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像,標(biāo)記粒子,計算粒子的重心坐標(biāo)。然后,將粒子的坐標(biāo)從圖像平面轉(zhuǎn)移到物理平面。然后,用各種方法計算粒子速度矢量。

PIV的應(yīng)用

由于其強大的優(yōu)點,PIV技術(shù)已被公認為較先進的流動測速技術(shù),并在世界范圍內(nèi)迅速普及。應(yīng)用領(lǐng)域一直在擴大,如湍流測量,多相流,流體機械內(nèi)部流動,生物工程,醫(yī)學(xué)工程,環(huán)境工程,能源工程,新材料開發(fā),體育科學(xué),生命科學(xué),機電一體化,機器人技術(shù)等。此外,PIV已被認為是包括多相流在內(nèi)的熱工和流體工程領(lǐng)域的一種強有力的新測量工具,并且,PIV的應(yīng)用擴展到確定二維和三維兩相流體流動中的速度場。因此,PIV是研究流動結(jié)構(gòu)的一種有前途和強大的工具。




【來源:光虎光學(xué)內(nèi)部培訓(xùn)資料】



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