一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法技术

一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法，它涉及一种流场测量的标定方法。本发明专利技术为了解决现有的流场标定方法不适用于不规则几何体内部、细小区域内部的标定，以及自标定方法存在数学换算复杂，操作要求高，具有一定的误差的问题。方法：步骤一：激光束标定机构的布置；步骤二：激光束标定方法：(1)确定标定起始点的位移读数；(2)在激光束图像中搜寻亮度峰值对应的像素点位置；(3)调整水平激光束位置，获取精密位移机构的读数和像素点位置；(4)调整垂直激光束位置，重复上面操作，获得精密位移机构的读数矩阵和像素点位置矩阵；(5)获得高速相机相平面内点阵位置和精密位移机构点阵位置的相互关系。本发明专利技术用于不规则几何体内流场测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种流动测量的标定过程，具体涉及不规则几何体、细小结构的内部流场标定方法。
技术介绍
流体测试技术对于流体动力学及相关工程领域的发展具有至关重要的作用。其中，粒子图像测速仪(缩写为PIV)技术实现了对流场无干扰的平面速度测量，另外，采用至少两台相机，则可以获得该测量平面内的三维速度场。PIV测试技术的基本原理是：在待测量的流场均匀散布跟随性良好的示踪粒子，使用高速相机获取不同时刻的示踪粒子静态图像，然后对该系列图像进行分析，即可以获得流场的速度场信息。比如以二维PIV为例，单独跟踪某个运动粒子，则其在二维平面内的x、y两个方向的位置信息随时间而变化。要将示踪粒子图像的位置信息转化为速度场，就需要将流场中的位置尺寸(距离)和相机图像中的位置尺寸(像素)精确对应起来，这就是流场测量的标定过程。目前，不管是二维标定还是三维标定，都需要事先在流场中布置一个标定板，标定板上布置有垂直交叉排列的圆点、方块或十字等规则图形，以方便目标像中心坐标的提取。在三维标定中，或者使用双平面的三维标定板，系统只需要采集一次图像即可完成标定；或者使用二维标定板配合精密位移机构，在片状激光面的厚度(现在片光厚度可小于1mm)之内，沿垂直片光方向进行平移定位，系统需要在相机景深范围内采集至少三个位置的标定板图像。在使用标定板的标定过程中，需要保证片状激光面与相机的像平面保持平行，同时也需要片状激光面与标定板平面保持严格共面。所以在该过程中，相机像平面与标定面之间的位置偏差是测量误差的主要来源之一。为了消除位置偏差的影响，德国远景公司已经开发了基于小孔成像模型的自标定方法，仅利用片状激光面所照亮的示踪粒子本身的图像特征进行最终标定，不需要标定板和激光面严格的重合。上述标定方法中，均需要在流场中布置标定板，这对于不规则几何体内部、细小区域内部等的流场显然无能为力。为此，国内已开发出了基于透视学中灭点定理的自标定方法，但该法需要复杂的数学换算，操作要求高，具有一定的误差。综上所述，现有的流场标定方法不适用于不规则几何体内部、细小区域内部的标定，以及自标定方法存在数学换算复杂，操作要求高，具有一定的误差的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的流场标定方法不适用于不规则几何体内部、细小区域内部的标定，以及自标定方法存在数学换算复杂，操作要求高，具有一定的误差的问题，进而提供一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法。本专利技术的技术方案是：一种不规则几何体内流场测量的标定方法包括以下步骤：步骤一：激光束标定机构的布置：精密位移机构固定安装在水平面上，精密位移机构的上端竖直放置激光器放置板，第一激光器和第二激光器由上至下依次可滑动安装在激光器放置板上，支撑架固定安装在水平面上并与精密位移机构位于同一直线上，反射镜固定安装在支撑架上，且反射镜的平面与竖直方向之间呈夹角设置，待测量的不规则几何体内的流场位于精密位移机构与支撑架之间，高速相机位于不规则几何体的侧面前方，标定时不需要激光面透镜，而标定结束后将激光面透镜插入光路中，形成片状光源以照射到流场中，即可直接进行流动测量工作；步骤二：激光束标定方法：(1)调整交叉激光束位于流场起始点，获取标定起始点的位移读数(x1,z1)；(2)利用高速相机获取激光束交叉亮斑的图像，在上述图像中搜寻亮度峰值对应的像素点位置(xp1,zp1)；(3)通过精密位移机构的旋钮调整水平激光束位置z，获取精密位移机构的读数[(x1,z2),(x1,z3)......(x1,zn)]和像素点位置[(xp1,zp2),(xp1,zp3)......(xp1,zpn)]；(4)通过精密位移机构的旋钮调整垂直激光束位置x，重复上面(1)、(2)和(3)操作，获得精密位移机构的读数矩阵和像素点位置矩阵如下：(x1,z1)(x2,z1)...(xn,z1)(x1,z2)(x2,z2)...(xn,z2)............(x1,zn)(x2,zn)...(xn,zn),(xp1,zp1)(xp2,zp1)...(xpn,zp1)(xp1,zp2)(xp2,zp2)...(xpn,zp2)............(xp1,zpn)(xp2,zpn)...(xpn,zpn)]]>(5)获得高速相机相平面内点阵位置和精密位移机构点阵位置的相互关系，即获得(△xi,△zi)～(△xpi,△zpi)之间比例尺，至此，标定过程完成。本专利技术与现有技术相比具有以下效果：本专利技术能够胜任不能放置标定板的流动标定场合。它通过精密位移机构、激光器放置板、激光器、支撑架、反射镜形成交叉激光束，将其打入使用折射率调整后流场内部，即可在相机平面形成清晰的激光亮斑；然后通过搜寻亮斑亮度峰值获得像素点位置，结合精密位移机构，可以获得像素点位置和位移点位置的相互关系，并完成标定。操作简单易行。可以保证复杂几何体内、不规则形状或者细小几何体内的流场标定的顺利进行，进一步提高标定过程和后续流场测量的精度。附图说明图1是本专利技术的激光束标定机构的布置示意图；图2是两束激光交叉点的亮度值变化示意图；图3是二维标定过程流程图；图4是二维到三维标定过程示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的不规则几何体内流场测量的标定方法包括以下步骤：步骤一：激光束标定机构的布置：精密位移机构2固定安装在水平面1上，精密位移机构2的上端竖直放置激光器放置板3，第一激光器4和第二激光器5由上至下依次可滑动安装在激光器放置板3上，支撑架6固定安装在水平面1上并与精密位移机构2位于同一直线上，反射镜7固定安装在支撑架6上，且反射镜7的平面与竖直方向之间呈夹角设置，待测量的不规则几何体8内的流场位于精密位移机构2与支撑架6之间，高速相机10位于不规则几何体8的侧面前方，标定时不需要激光面透镜9，而标定结束后将激光面透镜9插入光路中，形成片状光源以照射到流场中，即可直接进行流动测量工作；步骤二：激光束标定方法：(1)调整交叉激光束位于流场起始点，获取标定起始点的位移读数(x1,z1)；(2)利用高速相机10获取激光束交叉亮斑的图像，在上述图像中搜寻亮度峰值对应的像素点位置(xp1,zp1)；(3)通过精密位移机构2的旋钮调整水平激光束位置z，获取精密位移机构2的读数[(x1,z2),(x1,z3)......(x1,zn)]和像素点位置[(xp1,zp2),(xp1,zp3)......(xp1,zpn)]；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法，其特征在于：所述不规则几何体内流场测量的标定方法包括以下步骤：步骤一：激光束标定机构的布置：精密位移机构(2)固定安装在水平面(1)上，精密位移机构(2)的上端竖直放置激光器放置板(3)，第一激光器(4)和第二激光器(5)由上至下依次可滑动安装在激光器放置板(3)上，支撑架(6)固定安装在水平面(1)上并与精密位移机构(2)位于同一直线上，反射镜(7)固定安装在支撑架(6)上，且反射镜(7)的平面与竖直方向之间呈夹角设置，待测量的不规则几何体(8)内的流场位于精密位移机构(2)与支撑架(6)之间，高速相机(10)位于不规则几何体(8)的侧面前方，标定时不需要激光面透镜(9)，而标定结束后将激光面透镜(9)插入光路中，形成片状光源以照射到流场中，即可直接进行流动测量工作；步骤二：激光束标定方法：(1)调整交叉激光束位于流场起始点，获取标定起始点的位移读数(x1,z1)；(2)利用高速相机(10)获取激光束交叉亮斑的图像，在上述图像中搜寻亮度峰值对应的像素点位置(xp1,zp1)；(3)通过精密位移机构(2)的旋钮调整水平激光束位置z，获取精密位移机构(2)的读数[(x1,z2),(x1,z3)......(x1,zn)]和像素点位置[(xp1,zp2),(xp1,zp3)......(xp1,zpn)]；(4)通过精密位移机构(2)的旋钮调整垂直激光束位置x，重复上面(1)、(2)和(3)操作，获得精密位移机构的读数矩阵和像素点位置矩阵如下：(x1,z1)(x2,z1)···(xn,z1)(x1,z2)(x2,z2)···(xn,z2)············(x1,zn)(x2,zn)···(xn,zn),]]>(xp1,zp1)(xp2,zp1)···(xpn,zp1)(xp1,zp2)(xp2,zp2)···(xpn,zp2)············(xp1,zpn)(xp2,zpn)···(xpn,zpn),]]>(5)获得高速相机(10)相平面内点阵位置和精密位移机构点阵位置的相互关系，即获得(△xi,△zi)～(△xpi,△zpi)之间比例尺，至此，标定过程完成。...

【技术特征摘要】
1.一种采用激光束进行不规则几何体内流场测量的标定方法，其特征在于：所述不规
则几何体内流场测量的标定方法包括以下步骤：
步骤一：激光束标定机构的布置：
精密位移机构(2)固定安装在水平面(1)上，精密位移机构(2)的上端竖直放置激
光器放置板(3)，第一激光器(4)和第二激光器(5)由上至下依次可滑动安装在激光器
放置板(3)上，支撑架(6)固定安装在水平面(1)上并与精密位移机构(2)位于同一
直线上，反射镜(7)固定安装在支撑架(6)上，且反射镜(7)的平面与竖直方向之间呈
夹角设置，待测量的不规则几何体(8)内的流场位于精密位移机构(2)与支撑架(6)之
间，高速相机(10)位于不规则几何体(8)的侧面前方，标定时不需要激光面透镜(9)，
而标定结束后将激光面透镜(9)插入光路中，形成片状光源以照射到流场中，即可直接进
行流动测量工作；
步骤二：激光束标定方法：
(1)调整交叉激光束位于流场起始点，获取标定起始点的位移读数(x1,z1)；
(2)利用高速相机(10)获取激光束交叉亮斑的图像，在上述图像中搜寻亮度峰值对
应的像素点位置(xp1,zp1)；
(3)通过精密位移机构(2)的旋钮调整水平激光束位置z，获取精密位移机构(2)
的读数[(x1,z2),(x1,z3)......(x1,zn)]和像素点位置[(xp1,zp2),(xp1,zp3)......(xp1,zpn)]；
(4)通过精密位移机构(2)的旋钮调整垂直激光束位置x，重复上面(1)、(2)和
(3)操作，获得精密位移机构的读数矩阵和像素点位置矩阵如下：
(x1,z1)(x2,z1)···(xn,z1)(x1,z2)(x2,z2)···(xn,z2)·····&Cen...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小斌，苏文涛，李凤臣，郑智颖，蔡伟华，李东阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23