基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，包括LED光源和至少一个相机分光镜拍摄装置；所述的LED光源包括大功率LED灯珠、光源转换装置、光源信号控制器等，所述的相机分光镜拍摄装置包括两个相机、分光镜、相机信号控制器等；两个相机设置于分光镜上，光源信号控制器用于控制LED光源周期性发光，相机信号控制器用于控制两个相机在LED光源开启周期内进行拍摄，且两相机拍摄起始时间间隔Δt，且频率、曝光时间均相同。本发明专利技术装置能够为各种类型的PIV技术提供数据采集支持，通过创新性地采用LED光源，有效提升了光源信号控制的灵敏度，提高了照明的亮度和稳定性，从而提升PIV实验数据的精确度，同时可大幅缩减设备成本。

PIV Device Based on LED Light Source and Camera Splitter

【技术实现步骤摘要】
基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置
本专利技术属于粒子图像测速(PIV，ParticleImageVelocimetry)领域，涉及一种PIV装置，尤其涉及一种基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，为PIV技术提供一种高精度、简便、经济的数据采集手段。
技术介绍
粒子图像测速(ParticleImageVelocimetry，下称PIV)是一种瞬态、多点、无接触式的测速方法，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性，是目前实验流体力学领域最为成熟、应用最广的测速技术。传统PIV技术主要步骤有：采用高亮度光源(通常采用激光)照亮示踪粒子，用单个高速相机在极短时间间隔内(通常10us左右)拍摄两张照片，在计算机上采用互相关函数等算法对两张照片中的粒子进行定位、追踪，最后用速度定义式得到速度场。传统的PIV技术可以测量一个平面内的二维速度场(2D2C)。StereoPIV采用两个高速相机从两个不同角度拍摄，通过解读两个相机视差包含的信息，可以得到平面的三维速度场(2D3C)。与传统的激光光源相比，LED能够输出无论在时间强度分布还是空间强度分布都更加稳定的连续脉冲光照，对LED的时序控制更加灵敏。此外，大功率LED已经大规模生产，与激光相比其造价更为低廉。高速相机以双曝光方式在极短的时间间隔(约10us)内拍摄得到两张照片可以用于PIV分析，但高速相机存在价格过高的问题。可以看到，目前过高的设备价格已成为限制PIV推广的重要制约因素，寻找合适的改良方法具有重大的工程价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，该装置能够在不损失精度(甚至略微提高)的情况下，大大降低成本。本专利技术的基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，包括LED光源和至少一个相机分光镜拍摄装置；所述的LED光源包括大功率LED灯珠、光源转换装置、散热机构、光源信号控制器，所述的相机分光镜拍摄装置包括两个相机、分光镜、数据线、计算机、相机信号控制器；大功率LED灯珠置于散热机构上，通过光源转换装置形成相应PIV技术所需光源照亮示踪粒子，所述的两个相机设置于分光镜上，并通过数据线与计算机相连，光源信号控制器用于控制LED光源周期性发光，相机信号控制器用于控制两个相机在LED光源开启周期内进行拍摄，且两相机拍摄起始时间间隔Δt，且频率、曝光时间均相同。在使用平面PIV技术时，只采用一个相机分光镜拍摄装置；所述的光源转换装置包括光纤准直器和入口为圆形捆束出口为线性排列的光纤线缆，LED光源经光纤准直器与光纤线缆连接。在使用StereoPIV技术时，采用两个相机分光镜拍摄装置，从不同角度进行拍摄；所述的光源转换装置包括光纤准直器和入口为圆形捆束出口为线性排列的光纤线缆，LED光源经光纤准直器与光纤线缆连接。在使用TomoPIV技术时，所述的光源转换装置采用光学透镜实现，用于将LED光源转换为所需考察的立体空间光源；采用至少六个相机分光镜拍摄装置，从不同角度进行拍摄。上述技术方案中，所述的两相机拍摄起始时间间隔Δt为10-50μs。所述的数据线的传输速度至少与USB3.0相当。本专利技术中选择大功率LED替代激光，与传统的激光光源相比，LED能够输出无论在时间强度分布还是空间强度分布都更加稳定的连续脉冲光照，对LED的时序控制更加灵敏。此外，大功率LED已经大规模生产，与激光相比其造价更为低廉。本专利技术用装载在分光镜上的两个工业灰度相机替代高速摄像机。由于分光镜的特殊性质，进入两个相机镜头的光线是几乎完全相同的，通过用信号控制两台相机间隔极短时间进行周期性拍摄拍摄，就能替代高速相机实现类似的双曝光功能，得到PIV处理所需的两组图像。与现有技术相比，本专利技术的方案可降低至少70％的成本。附图说明图1是本专利技术装置的结构示意图；图2是本专利技术装置的信号时序控制图。具体实施方式以冷态流场的二维速度测量为例，并结合上述附图描述本专利技术，具体实施方式如下：本专利技术的基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置主要分为LED光源和至少一个相机分光镜拍摄装置。LED光源主要包括大功率LED灯珠1、光源转换装置2、散热机构4、光源信号控制器5，所述的相机分光镜拍摄装置包括两个相机7、分光镜8、数据线10、计算机11、相机信号控制器12；大功率LED灯珠1置于散热机构上4，通过光源转换装置2形成相应PIV技术所需光源照亮示踪粒子，所述的两个相机设置于分光镜上，并通过数据线10与计算机11相连，光源信号控制器5用于控制LED光源周期性发光，相机信号控制器12用于控制两个相机在LED光源开启周期内进行拍摄，且两相机拍摄起始时间间隔Δt，且频率、曝光时间均相同。使用特殊的电源适配器对大功率LED灯珠进行供电，发出亮度极高、非准直的光。安装大功率LED灯珠的平台具有散热功能，能够将LED灯珠工作时产生的大量热量扩散出去，避免灯珠烧坏。在使用平面PIV技术时，只采用一个相机分光镜拍摄装置；所述的光源转换装置2包括光纤准直器和入口为圆形捆束出口为线性排列的光纤线缆，LED光源经光纤准直器与光纤线缆连接。通过光纤准直器将LED灯珠与光纤连接，非准直的LED光线经过光纤准直器后变为准直光，进入光纤中，由于采用了圆形捆束出口为线性排列的特殊光纤，因此光线在出口处沿光纤排列方向输出，形成光片。该光片的光照强度足够大，厚度由光纤阵列厚度决定，可以照亮一个平面内的示踪粒子，是符合PIV技术要求的平面光。在使用StereoPIV技术时，采用两个相机分光镜拍摄装置，从不同角度进行拍摄；所述的光源转换装置2包括光纤准直器和入口为圆形捆束出口为线性排列的光纤线缆，LED光源经光纤准直器与光纤线缆连接。在使用TomoPIV技术时，所述的光源转换装置2采用光学透镜实现，用于将LED光源转换为所需考察的立体空间光源；采用至少六个相机分光镜拍摄装置，从不同角度进行拍摄。目前，大功率LED灯珠对控制信号的响应比激光更加灵敏，根据实际应用需求，我们可以外加信号触发大功率LED灯珠的亮暗，还能够输出无论在时间强度分布还是空间强度分布都更加稳定的连续脉冲光照。相机分光镜拍摄装置中两个工业灰度相机装载在分光镜上，间隔一小段(约10us)时间用两组完全相同的周期方波信号触发两台相机，进行周期性拍摄。通过分光镜两台相机获取了两组拍摄时间相差特定时间的照片，此即为PIV处理所需的图像。相机通过数据线将图像传输并储存至计算机中。通过特定软件即可对其进行分析，得到冷态流场的速度分布。以平面PIV技术为例，接通电源，使高功率LED灯珠正常工作，发出高亮度的非准直光，光线经过光纤准直器后准直化，进入光纤中，光纤在出口处被排列成直线，LED光在被转化为一层片光。输入一个周期为1ms、占空比为10％的方波信号，则LED光源在每一个1ms周期中发光100us，照亮一个平面内的示踪粒子，供相机分光镜拍摄装置采集信息。以周期为1ms的脉冲信号触发相机，两个信号间隔10us，且第一组脉冲信号与控制LED光源的方波信号同时输入。信号控制流程参见附图2。通过这样的信号控制，实现了对示踪粒子二维速度的空间时间分布的测量。通过改变两组脉冲信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，其特征在于：包括LED光源和至少一个相机分光镜拍摄装置；所述的LED光源包括大功率LED灯珠(1)、光源转换装置(2)、散热机构(4)、光源信号控制器(5)，所述的相机分光镜拍摄装置包括两个相机(7)、分光镜(8)、数据线(10)、计算机(11)、相机信号控制器(12)；大功率LED灯珠(1)置于散热机构(4)上，通过光源转换装置(2)形成相应PIV技术所需光源照亮示踪粒子，所述的两个相机设置于分光镜上，并通过数据线(10)与计算机(11)相连，光源信号控制器(5)用于控制LED光源周期性发光，相机信号控制器(12)用于控制两个相机在LED光源开启周期内进行拍摄，且两相机拍摄起始时间间隔Δt，且频率、曝光时间均相同。

【技术特征摘要】
1.一种基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，其特征在于：包括LED光源和至少一个相机分光镜拍摄装置；所述的LED光源包括大功率LED灯珠(1)、光源转换装置(2)、散热机构(4)、光源信号控制器(5)，所述的相机分光镜拍摄装置包括两个相机(7)、分光镜(8)、数据线(10)、计算机(11)、相机信号控制器(12)；大功率LED灯珠(1)置于散热机构(4)上，通过光源转换装置(2)形成相应PIV技术所需光源照亮示踪粒子，所述的两个相机设置于分光镜上，并通过数据线(10)与计算机(11)相连，光源信号控制器(5)用于控制LED光源周期性发光，相机信号控制器(12)用于控制两个相机在LED光源开启周期内进行拍摄，且两相机拍摄起始时间间隔Δt，且频率、曝光时间均相同。2.根据权利要求1所述的基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，其特征在于：在使用平面PIV技术时，只采用一个相机分光镜拍摄装置；所述的光源转换装置(2)包括光纤准直器和入口...

【专利技术属性】
技术研发人员：王高峰，叶振辉，方元祺，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33