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一種測(cè)量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種測(cè)量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置，屬于明渠實(shí)驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，該裝置包括攝像機(jī)、鏡頭、連續(xù)激光器、分光棱鏡及計(jì)算機(jī)；其特征在于，還包括可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的近攝腔、平凸柱面鏡；連續(xù)激光器設(shè)置在待測(cè)明渠水槽的底板下，其輸出光軸垂直朝向底板，分光棱鏡、平凸柱面鏡依次設(shè)置在激光器的輸出光軸上；所述的攝像機(jī)設(shè)置在明渠水槽的邊壁外，該攝像機(jī)通過可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的近攝腔與鏡頭相連，鏡頭對(duì)準(zhǔn)所述的矩形激光片光，所述的計(jì)算機(jī)與攝像機(jī)通過連接線相連，對(duì)攝像機(jī)拍攝的示蹤粒子圖像進(jìn)行處理，以獲得明渠紊流粘性底層流速。該方法包括裝置的調(diào)整及拍攝和流速的測(cè)量?jī)刹糠帧１景l(fā)明具有頻率高、精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種測(cè)量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于明渠實(shí)驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及對(duì)粒子示蹤測(cè)速技術(shù)的改進(jìn)。
【背景技術(shù)】
[0002]明渠紊流中，床面附近的粘性底層十分重要，是明渠紊流剪切應(yīng)力與渦量的來(lái)源，并在紊動(dòng)的產(chǎn)生與發(fā)展、傳熱傳質(zhì)等過程中起到關(guān)鍵作用。但是，對(duì)這一區(qū)域的流動(dòng)特征進(jìn)行測(cè)量卻極其困難，主要的難點(diǎn)在于粘性底層的物理尺度極小，且區(qū)域內(nèi)的流速梯度極大。例如，對(duì)于水深為5cm，摩阻雷諾數(shù)為1000的明渠紊流，粘性底層厚度約為0.25mm，且流速在這一區(qū)域從O迅速增加到斷面平均流速的20%。
[0003]傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法，如畢托管、熱膜熱絲等不僅會(huì)干擾流場(chǎng)，而且測(cè)量體本身的尺寸都在毫米量級(jí)，無(wú)法達(dá)到測(cè)量粘性底層的要求。近年發(fā)展成熟的非接觸式測(cè)量方法，如聲學(xué)多普勒流速儀、激光多普勒流速儀、粒子成像測(cè)速技術(shù)(PIV)和粒子示蹤測(cè)速技術(shù)(PTV)等，在常規(guī)流動(dòng)中均能測(cè)得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。但聲學(xué)多普勒流速儀的測(cè)量體尺寸在毫米量級(jí)，無(wú)法高精度測(cè)量粘性底層；激光多普勒流速儀所測(cè)的水流微團(tuán)的尺度在最理想條件下約為0.1_，在0.25mm內(nèi)至多能得到3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，難以得到粘性底層的流速分布；同時(shí)聲學(xué)多普勒流速儀和激光多普勒流速儀均存在床面反射超聲與激光的問題，在距床面Imm內(nèi)測(cè)量精度較低；粒子成像測(cè)速技術(shù)由于使用判讀窗口的平均信息得到測(cè)點(diǎn)流速，故在粘性底層這類流速梯度極大的區(qū)域存在較大的測(cè)量誤差。
[0004]已有的粒子示蹤測(cè)速技術(shù)的裝置包含PTV攝像機(jī)、鏡頭和激光光源，其基本原理是在水體中撒布示蹤粒子，示蹤粒子跟隨水體運(yùn)動(dòng)，使用激光光源照亮水體中一個(gè)平面的示蹤粒子，一般使用分光鏡將激光束分為扇形片光，測(cè)量區(qū)域的片光寬度在20cm以上。采用PTV攝像機(jī)拍攝扇形片光照売的不蹤粒子的圖像，PTV攝相機(jī)的拍攝頻率一般小于1000張/S。用其裝置測(cè)流速的方法是，將水體中一個(gè)平面的示蹤粒子連續(xù)拍攝的前后兩張圖片首先選取灰度閾值進(jìn)行二值化，得到粒子圖像；常用的灰度閾值確定方法有簡(jiǎn)單灰度變換法、非零元素取一法、固定閾值法、雙固定閾值法(李丹勛等，粒子示蹤測(cè)速技術(shù)，科學(xué)出版社，2012 年)和大津法(Otsu N.A threshold selection method from gray-levelhistograms.Automatica[J], 1975, 11 (285-296):23-27)等，這些方法均為一次計(jì)算直接得到灰度閾值。得到二值化圖片后使用閾值分割法得到每個(gè)粒子的區(qū)域，然后根據(jù)每個(gè)粒子的區(qū)域得到形心坐標(biāo)以表示各粒子位置，最后采用匹配幾率法(李丹勛等，粒子示蹤測(cè)速技術(shù)，科學(xué)出版社，2012年)對(duì)兩張圖片中的粒子位置進(jìn)行匹配，根據(jù)配對(duì)粒子的形心差異得至IJ粒子在拍攝兩張照片時(shí)間間隔內(nèi)的位移，位移除以時(shí)間間隔即得到粒子所在位置水體的運(yùn)動(dòng)速度。粒子示蹤測(cè)速技術(shù)能夠在高流速梯度的區(qū)域得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。但是普通粒子示蹤測(cè)速技術(shù)使用常規(guī)攝像方法，即鏡頭與PTV攝相機(jī)的距離(像距)在鏡頭設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。這種常規(guī)攝像方法能保證拍攝得到的粒子圖像足夠明亮，噪聲較小，同時(shí)像差最小。但是常規(guī)攝像方法所得圖片的分辨率低，導(dǎo)致普通PTV方法無(wú)法滿足粘性底層測(cè)量的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服已有明渠流速測(cè)量方法的不足，提供一種測(cè)量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置。本發(fā)明利用PTV方法的基本原理，使用微距攝像技術(shù)得到滿足粘性底層測(cè)量要求的高分辨率圖片，并解決圖片信噪比極低、像差大等問題。本發(fā)明具有頻率高、分辨率高和精度高等優(yōu)點(diǎn)
[0006]本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及有益效果如下:
[0007]本發(fā)明采用微距攝像技術(shù)增大圖片的分辨率，針對(duì)高分辨率條件下所得圖片的各種問題，采用閾值迭代法確定二值化閾值，解決圖片信噪比低的問題，設(shè)定粒子圖像形狀指標(biāo)，剔除像差嚴(yán)重的粒子，采用截?cái)喾ㄓ?jì)算粒子圖像形心坐標(biāo)，避免像差對(duì)計(jì)算粒子位置的影響。本發(fā)明具有測(cè)量頻率高、精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明裝置組成示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明中的流速測(cè)量方法流程框圖；
[0010]圖3為本發(fā)明實(shí)施例裝置組成示意圖；
[0011]圖4為本發(fā)明的實(shí)施例粘性底層流速分布。
【具體實(shí)施方式】
[0012]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案中所涉及的各個(gè)細(xì)節(jié)問題。應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0013]本發(fā)明的一種測(cè)量明渠紊流粘性底層流速的裝置如圖1所示，該裝置包括攝像機(jī)
1、鏡頭3、連續(xù)激光器4、分光棱鏡5及計(jì)算機(jī)7;其特征在于，還包括可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的近攝腔
2、平凸柱面鏡6;其中，所述連續(xù)激光器4設(shè)置在待測(cè)明渠水槽10的底板下，且該激光器的輸出光軸垂直朝向底板，所述分光棱鏡5、平凸柱面鏡6依次設(shè)置在激光器的輸出光軸上，將激光器輸出的光束調(diào)整為一矩形激光片光9 ;所述的攝像機(jī)I設(shè)置在明渠水槽10的邊壁夕卜，該攝像機(jī)通過可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的近攝腔2與鏡頭3相連，鏡頭3對(duì)準(zhǔn)所述的矩形激光片光9，以拍攝矩形激光片光9照亮的示蹤粒子圖像，所述的計(jì)算機(jī)7與攝像機(jī)I通過連接線8相連，對(duì)攝像機(jī)I拍攝的示蹤粒子圖像進(jìn)行處理，以獲得明渠紊流粘性底層流速。所述攝像機(jī)I的拍攝幀頻大于3000張/秒；所述近攝腔2能前后伸縮，調(diào)整鏡頭3與攝像機(jī)I間的距離；所述鏡頭3為暗室放大鏡頭，其像場(chǎng)平直，所得圖片的像差較普通鏡頭??；所述連續(xù)激光器4為一臺(tái)功率8-20W的連續(xù)激光器(功率越高所得圖片越明亮，結(jié)果越好);所述分光棱鏡5的分光角度為8-15°，將連續(xù)激光器4發(fā)出激光束擴(kuò)散為扇形激光片光；所述平凸柱面鏡6將分光棱鏡5擴(kuò)散所得扇形激光片光調(diào)整為矩形激光片光9 ;所述矩形激光片光9的寬度在30_以下，以便于集中激光能量，提高照明亮度；所述計(jì)算機(jī)7通過連接線8與攝像機(jī)I相連，控制攝像機(jī)I拍攝圖片。
[0014]本發(fā)明采用上述裝置的一種測(cè)量明渠紊流粘性底層流速的方法，包括裝置的調(diào)整及拍攝和流速的測(cè)量?jī)刹糠?，裝置的調(diào)整及拍攝，參考圖1，包括以下步驟:
[0015]步驟1:調(diào)整激光片光:打開連續(xù)激光器4，調(diào)整連續(xù)激光器4、分光棱鏡5、平凸柱面鏡6之間的間距，將連續(xù)激光器4發(fā)出激光束調(diào)整為矩形激光片光9，整體移動(dòng)連續(xù)激光器4，分光棱鏡5、平凸柱面鏡6的位置，使得矩形激光片光9照亮待測(cè)區(qū)域；
[0016]步驟I1:調(diào)整鏡頭與相機(jī):在水槽中矩形激光片光9的位置放置帶有半毫米刻度的標(biāo)定物，關(guān)閉連續(xù)激光器4 ;將鏡頭3靠近明渠水槽10的邊壁，固定鏡頭3的位置，調(diào)整攝像機(jī)I的位置，近攝腔2的長(zhǎng)度跟隨攝像機(jī)I位置的變化而變化，直到攝像機(jī)I得到清晰圖片，讀取此時(shí)拍攝到的標(biāo)定物的長(zhǎng)度，計(jì)算圖片分辨率(Imm對(duì)應(yīng)的圖片像素)，之后調(diào)整鏡頭3與水槽邊壁的距離以及攝像機(jī)I的位置，直到圖片分辨率達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定值；調(diào)整好后記錄圖片分辨率，拿出標(biāo)定物；
[0017]步驟II1:拍攝圖片；調(diào)整明渠水槽10中的水流狀態(tài)，滿足實(shí)驗(yàn)要求后，在明渠水槽10上游撒布示蹤粒子(以下簡(jiǎn)稱粒子)，粒子循環(huán)穩(wěn)定后打開連續(xù)激光器4和攝像機(jī)1，
[0018]開始連續(xù)拍攝多張顯不粒子圖像的圖片，圖片總張數(shù)為Numtrtal(Numttrtal大于100,Numtotal越小,后續(xù)流速測(cè)量所需時(shí)間越少,但是所得結(jié)果精度越低；Numt(rtal越大,流速測(cè)量所需時(shí)間越多，所得結(jié)果精度越高)，并將所拍攝的全部圖片按拍攝順序存儲(chǔ)入計(jì)算機(jī)7，為所有圖片按照拍攝順序賦予圖片序號(hào)K (K為從I開始的正整數(shù));拍攝完成后，關(guān)閉連續(xù)激光器4和攝像機(jī)I。
[0019]流速的測(cè)量如圖2所示，整個(gè)過程在計(jì)算機(jī)7中完成，包括以下步驟:
[0020]步驟A:判斷圖片序號(hào)K是否大于Numtotal-1,若K>Numt()tal-l,則進(jìn)入步驟O,否則，進(jìn)入步驟B ；
[0021]步驟B:讀入圖片序號(hào)為K的圖片；
[0022]步驟C:采用大津法確定圖片K的二值化的初始灰度閾值Ti, i=0 (i為閾值迭代循環(huán)序數(shù)，為非負(fù)整數(shù)；微距攝像技術(shù)使得圖片放大率增加，但是也會(huì)導(dǎo)致圖片變暗、信噪比低，直接使用大津法確定灰度閾值會(huì)將噪聲誤判為粒子圖像，所以本發(fā)明通過閾值迭代法得到合理灰度閾值);
[0023]步驟D:使用灰度閾值Ti對(duì)圖片K 二值化；
[0024]步驟E:提取二值化后圖片K中的粒子個(gè)數(shù)Ni ；
[0025]步驟F:判斷Ni是否大于設(shè)定閾值Nmax，若NiMmax,則進(jìn)行步驟G ;否則，進(jìn)行步驟J(50〈Nmax〈300，Nmax越大，從圖片中識(shí)別出的粒子數(shù)越多，將背景噪聲誤判為粒子圖像的概率也越大；反之，Nmax越小，從圖片中識(shí)別出的粒子數(shù)越少，將背景噪聲誤判為粒子圖像的概率也越小)；
[0026]步驟G:1的值增加I，確定新的二值化閾值Ti如式(I)所示:
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)量明渠紊流粘性底層流速的裝置，該裝置包括攝像機(jī)、鏡頭、連續(xù)激光器、分光棱鏡及計(jì)算機(jī)；其特征在于，還包括可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的近攝腔、平凸柱面鏡；其中，所述連續(xù)激光器設(shè)置在待測(cè)明渠水槽的底板下，且該激光器的輸出光軸垂直朝向底板，所述分光棱鏡、平凸柱面鏡依次設(shè)置在激光器的輸出光軸上，將激光器輸出的光束調(diào)整為一矩形激光片光；所述的攝像機(jī)設(shè)置在明渠水槽的邊壁外，該攝像機(jī)通過可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的近攝腔與鏡頭相連，鏡頭對(duì)準(zhǔn)所述的矩形激光片光，以拍攝矩形激光片光照亮的示蹤粒子圖像，所述的計(jì)算機(jī)與攝像機(jī)通過連接線相連，對(duì)攝像機(jī)拍攝的示蹤粒子圖像進(jìn)行處理，以獲得明渠紊流粘性底層流速。
2.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述攝像機(jī)的拍攝幀頻大于3000張/秒。
3.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述鏡頭為暗室放大鏡頭，其像場(chǎng)平直。
4.采用如權(quán)利要求1所述裝置的一種測(cè)量明渠紊流粘性底層流速的方法，其特征在于，該方法包括裝置的調(diào)整及拍攝和流速的測(cè)量?jī)刹糠?；所述裝置的調(diào)整及拍攝，包括以下步驟: 步驟1:調(diào)整激光片光:打開連續(xù)激光器，調(diào)整連續(xù)激光器、分光棱鏡、平凸柱面鏡之間的間距，將連續(xù)激光器發(fā)出激光束調(diào)整為矩形激光片光，整體移動(dòng)連續(xù)激光器，分光棱鏡、平凸柱面鏡的位置，使得矩形激光片光照亮待測(cè)區(qū)域； 步驟I1:調(diào)整鏡頭與相機(jī):在水槽中矩形激光片光的位置放置帶有半毫米刻度的標(biāo)定物，關(guān)閉連續(xù)激光器；將鏡頭靠近明渠水槽的邊壁，固定鏡頭的位置，調(diào)整攝像機(jī)的位置，近攝腔的長(zhǎng)度跟隨攝像機(jī)位置的變化而變化，直到攝像機(jī)得到清晰圖片，讀取此時(shí)拍攝到的標(biāo)定物的長(zhǎng)度，計(jì)算圖片分辨率，之后調(diào)整鏡頭與水槽邊壁的距離以及攝像機(jī)的位置，直到圖片分辨率達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定值；調(diào)整好后記錄圖片分辨率，拿出標(biāo)定物； 步驟II1:拍攝圖片；調(diào)整明渠水槽中的水流狀態(tài)，滿足實(shí)驗(yàn)要求后，在明渠水槽上游撒布示蹤的粒子，粒子循環(huán)穩(wěn)定后打開連續(xù)激光器和攝像機(jī)，開始連續(xù)拍攝多張顯示粒子圖像的圖片，圖片總張數(shù)為Numttrtal ；，并將所拍攝的全部圖片按拍攝順序存儲(chǔ)入計(jì)算機(jī)，為所有圖片按照拍攝順序賦予圖片序號(hào)K，K為從I開始的正整數(shù)；拍攝完成后，關(guān)閉連續(xù)激光器和攝像機(jī)； 所述流速的測(cè)量，包括以下步驟: 步驟A:判斷圖片序號(hào)K是否大于Numtotal-1,若K>Numtotal-l,則進(jìn)入步驟O,否則,進(jìn)入步驟B ; 步驟B:讀入圖片序號(hào)為K的圖片； 步驟C:采用大津法確定圖片K的二值化的初始灰度閾值Ti, i=0, i為閾值迭代循環(huán)序數(shù)，為非負(fù)整數(shù)； 步驟D:使用灰度閾值Ti對(duì)圖片K 二值化； 步驟E:提取二值化后圖片K中的粒子個(gè)數(shù)Ni ； 步驟F:判斷Ni是否大于設(shè)定閾值Nmax，若NiMmax,則進(jìn)行步驟G ;否則，進(jìn)行步驟J ； 步驟G:1的值增加I，確定新的二值化閾值Ti如式(I)所示:
【文檔編號(hào)】G01P5/20GK103808958SQ201410037928
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】鐘強(qiáng), 陳啟剛, 李丹勛, 王興奎 申請(qǐng)人:清華大學(xué)