一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法技术

本发明专利技术属于电场测量相关技术领域，其公开了一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法，所述设备包括示踪粒子、示踪粒子带电系统、视觉测量系统及计算机辅助处理控制系统，所述示踪粒子带电系统及所述视觉测量系统分别连接于所述计算机辅助处理控制系统；所述示踪粒子带电系统用于分批次地给所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子进行上电；所述视觉测量系统用于实时地捕获被测空间电场中运动的所述示踪粒子的图像，并将捕获的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统；所述计算机辅助处理控制系统用于实时地对接收到的图像进行处理以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。本发明专利技术能够实现实时测量，且精度及效率较高，灵活性较好。

An Electric Field Measuring Equipment and Method Using Particle Image Velocimetry

The invention belongs to the field of electric field measurement related technology, and discloses an electric field measurement device and method using particle image velocimetry. The device includes tracer particle, tracer particle charged system, visual measurement system and computer aided processing control system. The tracer particle charged system and the visual measurement system are respectively connected to the computer aided processing control system. The tracer particle charged system is used to provide kinetic energy to the tracer particle in batches and electrify the tracer particle; the vision measurement system is used to capture the image of the tracer particle moving in the measured space electric field in real time and transmit the captured image to the computer aided processing control system; the computer aided processing control system is used for The received image is processed in real time to obtain the overall electric field distribution and intensity information of the measured space electric field. The invention can realize real-time measurement, and has high accuracy and efficiency, and good flexibility.

【技术实现步骤摘要】
一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法
本专利技术属于电场测量相关
，更具体地，涉及一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法。
技术介绍
随着电子技术的发展，电子设备的应用愈加广泛，从生产制造的工业领域到信号传输的通讯行业，从需要考虑电学污染的环保角度，到必须考虑电磁辐射危险的安全角度，电荷及变化磁场周围空间客观存在的电场及其影响变得越来越重要，所以获知电场强度分布的必要性愈发凸显。常规电场强度和分布的测量都是通过特定天线的感知来完成，受天线尺寸及原理的限制，获取的场强数据为单点采集，无法同时得到空间中各个位置的准确电场强度，从而无法满足空间强电场环境中高精度场强分布的测试需求。故，常见且稳定的电场强度探测方法仅能有效探测一维或者二维平面的电场分布，尚未有较为成熟的三维电场强度探测方法。现阶段，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如专利201510219250.9公开了一种三维电场强度测量装置，其采用由三副相互垂直的偶极子天线组成的三维电场探头，使得该三维电场强度测量装置能够测量三维电场强度。该测量装置实质上是将三个一维电场强度测量电路采集到的数据经单片机处理计算耦合得到的三维电场强度，可以等效于将单个电场强度测试天线探头在空间电场中移动数千次，并拼合到电场强度云图，然而，这种方式虽然在原理上实现了三维电场的测量，但并未实现同时测量空间电场分布，测量过程需要消耗大量的时间，故只能针对静电场，不能针对动态电场的测量，且测量数据从采集、传输到处理呈现都有较大的误差，数据处理过程庞大且繁琐，导致最终测量数据的精度不高。又如专利201710918389.1公开了一种利用电流变液检测直流电场强度的装置，该装置中所含的电流变液自身性质(如粘度和流动性)等会在外加电场中发生改变，通过检测电流变液的自身属性的改变而得到空间电场强度的变化，这种方式理论上提供了一种测量动态空间电场的解决方法，但是该方式只能检测直流电场的分布，应用范围较小，且该方式需要与存储的数据库进行匹配，将电流变液自身性质与场强分布进行对应标定才能得到具体的电场强度数值，应用率较低且对标定过程要求较高。再如专利201510149648.X提出了一种完整的PIV测量烟气流场的装置和方法，依靠供能发光的粒子运动和分布图像，可对烟气流场进行高精度的瞬态测量，但是其依托于气流运动的测量方法使其不能应用于空间电场的实时测量中。此外，专利201710967002.1公开了一种基于PIV方法测量荷电灰尘迁移运动特性的测量装置及方法，该装置能够得到荷电灰尘的平均迁移速度和迁移率，但是这种方式针对的只是单点荷电灰尘的运动属性，不能对空间电场的实时分布进行精密化的测量。相应地，本领域存在着发展一种能够以较高精度对空间复杂电场进行实时测量的电场测量设备及方法的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种采用粒子图像测速的电场测量设备及方法，其基于现有空间电场的测量特点，研究及设计了一种能够实现对空间电场进行实时测量的采用粒子图像测速的电场测量设备及方法。所述设备通过将普通示踪粒子带电而转变成带电示踪粒子，并使带电的示踪粒子分批次运动到被测空间电场中的指定位置，且被测空间电场启动后，带电的示踪粒子随空间电场影响而运动，通过实时拍摄运动的示踪粒子的图像，并对所述图像进行三维拼合、求解等处理来得到被测空间电场的强度及分布信息，简单易于实施，效率及精度较高，且实现了实时测量。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种采用粒子图像测速的电场测量设备，所述电场测量设备包括示踪粒子、示踪粒子带电系统、视觉测量系统及计算机辅助处理控制系统，所述示踪粒子带电系统及所述视觉测量系统分别连接于所述计算机辅助处理控制系统；所述示踪粒子被激光照射后发生散射或者反射；所述示踪粒子带电系统用于分批次地给所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子进行上电，所述示踪粒子在动能的作用下运动到被测空间电场中的特定位置，由此使得所述示踪粒子均匀分布于所述被测空间电场；所述视觉测量系统用于实时地捕获被测空间电场中运动的所述示踪粒子的图像，并将捕获的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统；所述计算机辅助处理控制系统用于实时地对接收到的图像进行三维拼合及分析，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。进一步地，所述示踪粒子带电系统包括粒子喷枪、上电网格及高压电源，所述粒子喷枪水平设置；所述上电网格与所述粒子喷枪相对设置；所述高压电源分别连接于所述上电网格及所述计算机辅助处理控制系统。进一步地，所述上电网格通电后能产生离子层；所述粒子喷枪用于将所述示踪粒子喷向所述上电网格，所述示踪粒子经过所述上电网格时获取电能，获取电能后的所述示踪粒子运动到被测空间电场中。进一步地，所述视觉测量系统包括激光器、光学透镜及CCD相机组，所述光学透镜及所述CCD相机组分别设置在待测空间电场的两侧，所述激光器连接于所述计算机辅助处理控制系统，所述光学透镜设置在所述激光器的出口处，所述CCD相机组用于实时地拍摄待测空间电场中运动的示踪粒子的图像。进一步地，所述激光器用于发射脉冲激光，所述脉冲激光经所述光学透镜后形成激光片，所述激光片照亮被测空间电场的空间区域。进一步地，所述CCD相机组包括多个CCD相机，多个所述CCD相机设置于被测空间电场同一侧的不同位置。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种采用粒子图像测速的电场测量方法，该方法包括以下步骤：(1)提供如上所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，并选取所述示踪粒子；(2)所述示踪粒子带电系统给选取的所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子进行上电，所述示踪粒子在所述动能的作用下运动到被测空间电场中的特定位置，由此使得所述示踪粒子均匀分布于所述被测空间电场；(3)所述视觉测量系统实时地向被测空间电场发射脉冲激光，并实时地捕获待测空间电场中运动的所述示踪粒子的图像，同时将获取的图像实时传输给所述计算机辅助处理控制系统；(4)所述计算机辅助处理控制系统依次对接收到的图像进行三维拼合、优化、保存及比对来得到所述示踪粒子所在位置的电场强度及方向，进而得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。进一步地，步骤(4)中，所述计算机辅助处理控制系统依次对接收到的图像进行三维拼合、优化及保存；之后，所述计算机辅助处理控制系统将保存的图像按照保存的先后顺序进行比对来得到所述示踪粒子所在位置的电场强度及方向；接着，对被测空间电场内每一点的电场强度及方向进行矢量叠加及拼合，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。进一步地，所述计算机辅助处理控制系统将保存的图像按照所述计算机辅助处理控制系统接收到的时间先后顺序进行比对，并结合捕获时间间隔及所述示踪粒子的运动位移进行求解以得到所述示踪粒子的运动轨迹与运动位移，进而得到所述示踪粒子所在位置的电场强度和方向。进一步地，步骤(3)之前还包括开启被测空间电场，使得带电的所述示踪粒子开始随被测空间电场的影响而运动。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的采用粒子图像测速的电场测量设备及方法主要具有以下有益效果：1.本专利技术采用了粒子图像测速技术，可以实现对空间电场的动态实时测量，突破了现有电场测量方法只能针对静态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述电场测量设备包括示踪粒子(1)、示踪粒子带电系统(2)、视觉测量系统(3)及计算机辅助处理控制系统(4)，所述示踪粒子带电系统(2)及所述视觉测量系统(3)分别连接于所述计算机辅助处理控制系统(4)；所述示踪粒子(1)被激光照射后发生散射或者反射；所述示踪粒子带电系统(2)用于分批次地给所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子(1)进行上电，所述示踪粒子(1)在动能的作用下运动到被测空间电场中的特定位置，由此使得所述示踪粒子(1)均匀分布于所述被测空间电场；所述视觉测量系统(3)用于实时地捕获被测空间电场中运动的所述示踪粒子(1)的图像，并将捕获的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统(4)；所述计算机辅助处理控制系统(4)用于实时地对接收到的图像进行三维拼合及分析，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。

【技术特征摘要】
1.一种采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述电场测量设备包括示踪粒子(1)、示踪粒子带电系统(2)、视觉测量系统(3)及计算机辅助处理控制系统(4)，所述示踪粒子带电系统(2)及所述视觉测量系统(3)分别连接于所述计算机辅助处理控制系统(4)；所述示踪粒子(1)被激光照射后发生散射或者反射；所述示踪粒子带电系统(2)用于分批次地给所述示踪粒子提供动能并对所述示踪粒子(1)进行上电，所述示踪粒子(1)在动能的作用下运动到被测空间电场中的特定位置，由此使得所述示踪粒子(1)均匀分布于所述被测空间电场；所述视觉测量系统(3)用于实时地捕获被测空间电场中运动的所述示踪粒子(1)的图像，并将捕获的图像传输给所述计算机辅助处理控制系统(4)；所述计算机辅助处理控制系统(4)用于实时地对接收到的图像进行三维拼合及分析，以得到被测空间电场的整体电场分布及强度信息。2.如权利要求1所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述示踪粒子带电系统(2)包括粒子喷枪(21)、上电网格(22)及高压电源(23)，所述粒子喷枪(21)水平设置；所述上电网格(22)与所述粒子喷枪(21)相对设置；所述高压电源(23)分别连接于所述上电网格(22)及所述计算机辅助处理控制系统(4)。3.如权利要求2所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述上电网格(22)通电后能产生离子层；所述粒子喷枪(21)用于将所述示踪粒子(1)喷向所述上电网格(22)，所述示踪粒子(1)经过所述上电网格(22)时获取电能，获取电能后的所述示踪粒子(1)运动到被测空间电场中。4.如权利要求1所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述视觉测量系统(3)包括激光器(31)、光学透镜(32)及CCD相机组(33)，所述光学透镜(32)及所述CCD相机组(33)分别设置在待测空间电场的两侧，所述激光器(31)连接于所述计算机辅助处理控制系统(4)，所述光学透镜(32)设置在所述激光器(31)的出口处，所述CCD相机组(33)用于实时地拍摄待测空间电场中运动的示踪粒子(1)的图像。5.如权利要求4所述的采用粒子图像测速的电场测量设备，其特征在于：所述激光器(31)用于发射脉冲激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永安，吴昊，朱慧，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42