一种用于流场速度测量的特征信号图像法及测量系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于流场速度测量的特征信号图像法及测量系统，该特征信号图像法包括：利用高速摄像机连续拍摄流场的光强波动图像，然后利用图像分析软件获取每帧图像上流场各空间序列点的光强，然后根据时间点的先后顺序建立各空间序列点上光强的时间序列，即可得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果：利用前述步骤再计算各帧图像，即可得到全流场每个空间位置的流动速度。本发明专利技术利用特征信号图像测量等离子体射流的流速，解决了示踪颗粒在稀薄高速等离子体流动中难以跟随流场运动的难题。本发明专利技术可在极短的时间内测得流场速度的二维分布，操作简便，无需设备介入流场，能够快速准确测得流体的瞬时速度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于流场速度测量的特征信号图像法及测量系统
本专利技术涉及流场测量领域，特别是涉及一种用于流体流场速度测量的特征信号图像测速方法。
技术介绍
流体的流动速度是流场最为基本的物理量，对流动特征的认识很大程度上取决于速度场的获得，尤其是在高速流场特性的研究中，流速测量能够为流体动力学研究提供重要的实验数据。目前，流场速度测量主要分为介入式与非介入式两种方式。介入式测量主要有皮托管和热线风速仪两种方式，非介入式测量主要包括激光多普勒法，粒子图像法、分子标记法和流场光强扰动传播测速法等。皮托管原理是应用伯努利方程，通过测量点压强的方法来间接测出点速度大小。皮托管测速属于单点、定常的接触式测量，对被测流场影响较大，在工业级应用比较普遍，或者用于其他测量方法的预估测量，极少用于流体力学实验研究测量。热线风速仪测速的基本原理是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量的，但是该种方法同样对流场会产生干扰，且金属线容易断裂。非介入式测量对流场没有任何扰动。激光多普勒法是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度，进而获得流场速度。该方法精度高，测速范围宽，但设备复杂，价格昂贵，无法反映空间结构的变化。粒子图像法是通过拍摄并测量流场中跟随流体运动的颗粒(示踪粒子)的速度来反映流场速度，该方法可以直观反映瞬时全场流动信息，具有单点测量技术无法替代的优点。由于图像采集和处理速度受限，粒子图像法的时间采样频率仍然有限，且其测量的结果仍然是颗粒的运动速度，示踪颗粒在特殊流体(比如超高速气体，稀薄气体等)中难以跟随流场运动的问题仍然存在。分子标记法，与粒子图像法原理类似，都是根据示踪物在已知时间间隔内跟随流场的移动距离计算流场的速度分布，是以分子作为标记示踪的流场速度测量技术。但该方法在振动较大的环境中，测量系统受振动引起的位移可能带来较大的误差，同时光学窗口对内流场测量会带来干扰。目前最常用的测量方法是直接利用流体本身光强波动来获得速度。传统的利用光强扰动测速方法主要由光学透镜与光电倍增管组成。光学透镜将流场中间距为ΔZ的两点的成像在两个间距较大的测量点上，测量点上分别安置光电倍增管，测量射流中两个待测点的光强扰动。为了加大测量点的间距以利于放置光电二极管，常常在透镜后安装分束立方体。光强扰动在两个待测点的传播时间间隔ΔT可由两个光电倍增管的输出信号分析获得。从而，待测两点的平均速度通过下式得到：虽然该方法可以在不扰动流场的情况下，获得相应点的平均速度，但该方法一次只能获得单个空间位置的平均速度，效率太低。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种用于流体流场速度多点测量的特征信号图像测速方法及适应该特征信号图像测速方法的测量系统。特别地，本专利技术提供一种用于流场速度测量的特征信号图像法，包括如下步骤步骤100，利用高速摄像机连续拍摄流场的光强波动图像，然后发送至计算机利用图像分析软件进行处理；步骤200，在不同时间点分别选取每帧图像上流场轴向序列的测量点，再获取每帧图像上流场各空间序列点的光强，然后根据时间点的先后顺序建立各空间序列点上光强的时间序列；步骤300，采用快速傅立叶变换处理各空间序列点光强的时间序列，用提取的频率与相邻空间序列点上光强波动的相位差相比，得到两者的时间差，再代入两点间平均速度公式，即可得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果：步骤400，利用前述步骤再计算各帧图像不同径向位置的轴向空间序列点上射流速度分布的结果，即可得到全流场每个空间位置的流动速度。在本专利技术的一个实施方式中，构成所述流场的流体自带特征信号或外加特征信号。在本专利技术的一个实施方式中，所述流体为发光流体。在本专利技术的一个实施方式中，所述的发光流体为3-氨基邻苯二甲酰肼。在本专利技术的一个实施方式中，所述流体为常压环境下的亚声速和超声速流体，或为稀薄气体环境下或高气压环境下的亚声速和超声速流体，或带电流体。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤300中，设提取频率为fH，获得相邻ΔZ空间序列点上光强波动的相位差为则时间差的计算公式为:代入即可得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果。在本专利技术的一个实施方式中，得到的流动速度中的时间精度为：空间精度为：对流场时空稳定性的要求为：对特征信号的分辩要求为：其中，fs为流场波动频率，fa为高频摄像机帧率，υ为流场速度，N为采样数。在本专利技术的一个实施方式中，提供前述特征信号图像法的测量系统，包括：计算机、高速摄像机、真空室、示波器、函数信号发生器和等离子体电源；其中高速摄像机用于拍摄真空室内的射流光强波动，其分别与计算机和函数信号发生器连接，示波器分别与函数信号发生器和真空室连接，等离子体电源为真空室供电。在本专利技术的一个实施方式中，所述信号发生器同时输出两路TTL电平信号触发所述高速摄像机与所述示波器以同步采集数据。本专利技术利用特征信号图像测量等离子体射流的流速，解决了示踪颗粒在稀薄高速等离子体流动中难以跟随流场运动的难题。本专利技术可在极短的时间内测得流场速度的二维分布，操作简便，无需设备介入流场，能够快速准确测得流体的瞬时速度。通过选择高速摄像机的帧率和像素还可以改变最终的测量精度。附图说明图1是本专利技术一个实施方式的特征信号图像法的步骤流程图；图2是本专利技术一个实施方式的同一帧图像表示空间序列点上光强的时间序列示意图；图3是图2所测流体的波动成分；图4是本专利技术一个实施方式的测量设备连接示意图；图5是本专利技术一个实施方式中由高速摄像机120000帧连续捕获等离子体射流时的波动结果图；图6为本专利技术一个实施方式中实际采集的等离子体射流各轴向距离光强随时间的波动结果图；图7为图6经过快速傅里叶变换提取的相位图；图8是本专利技术一个实施方式中流场沿轴线方向的速度分布图。具体实施方式如图1所示，本专利技术一个实施例的特征信号图像测速方法一般性地包括如下步骤：步骤100，利用高速摄像机连续拍摄流场的光强波动图像，然后发送至计算机利用图像分析软件进行处理；其中，构成流场的流体为发光流体，如鲁米诺(luminol)，又名发光氨，化学名称为3-氨基邻苯二甲酰肼。而流体的速度可为常压环境下的亚声速和超声速流体，也可为稀薄气体环境下或高气压环境下的亚声速和超声速流体，以及带电流体。此外，流体可以自带特征信号，也可以外加特征信号，例如远低于主电源功率的小功率电源激励。步骤200，在不同时间点分别选取每帧图像上流场轴向序列的测量点，再获取每帧图像上流场各空间序列点的光强，然后根据时间点的先后顺序建立各空间序列点上光强的时间序列；步骤300，采用快速傅立叶变换处理各空间序列点光强的时间序列，提取频率为fH的波动成分，获得相邻ΔZ空间序列点上光强波动的相位差再换算成时间差:再结合公式(1)，得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果：步骤400，利用前述步骤再计算各帧图像不同径向位置的轴向空间序列点上射流速度分布的结果，即可得到全流场每个空间位置的流动速度。图2是步骤200中同一帧图像表示空间序列点上光强的时间序列示意图；图3是图2所测流体的波动成分。本专利技术可在极短的时间内测得流场速度的二维分布，操作简便，无需设备介入流场，能够快速准确测得流体的瞬时速度。通过选择高速摄像机的帧率和像素还可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于流场速度测量的特征信号图像法，其特征在于，包括如下步骤步骤100，利用高速摄像机连续拍摄流场的光强波动图像，然后发送至计算机利用图像分析软件进行处理；步骤200，在不同时间点分别选取每帧图像上流场轴向序列的测量点，再获取每帧图像上流场各空间序列点的光强，然后根据时间点的先后顺序建立各空间序列点上光强的时间序列；步骤300，采用快速傅立叶变换处理各空间序列点光强的时间序列，用提取的频率与相邻空间序列点上光强波动的相位差相比，得到两者的时间差，再代入两点间平均速度公式，即可得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果：步骤400，利用前述步骤再计算各帧图像不同径向位置的轴向空间序列点上射流速度分布的结果，即可得到全流场每个空间位置的流动速度。

【技术特征摘要】
1.一种用于流场速度测量的特征信号图像法，其特征在于，包括如下步骤步骤100，利用高速摄像机连续拍摄流场的光强波动图像，然后发送至计算机利用图像分析软件进行处理；步骤200，在不同时间点分别选取每帧图像上流场轴向序列的测量点，再获取每帧图像上流场各空间序列点的光强，然后根据时间点的先后顺序建立各空间序列点上光强的时间序列；步骤300，采用快速傅立叶变换处理各空间序列点光强的时间序列，用提取的频率与相邻空间序列点上光强波动的相位差相比，得到两者的时间差，再代入两点间平均速度公式，即可得到各帧图像上各空间序列点上射流速度分布的结果：步骤400，利用前述步骤再计算各帧图像不同径向位置的轴向空间序列点上射流速度分布的结果，即可得到全流场每个空间位置的流动速度。2.如权利要求1所述的特征信号图像法，其特征在于：构成所述流场的流体自带特征信号或外加特征信号。3.如权利要求2所述的特征信号图像法，其特征在于：所述流体为发光流体。4.如权利要求3所述的特征信号图像法，其特征在于：所述的发光流体为3-氨基邻苯二甲酰肼。5.如权利要求3所述的特征信号图像法，其特征在于：所述流体为常压环境...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄河激，曹进文，潘文霞，孟显，于双，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11