PIV-操作规程.doc

PIV实验操作规程1 系统总图图1 系统布置详图图2系统布置简图2 硬件联接图3 YAG 泵浦激光电源正面板图4 YAG 泵浦激光电源后面板图5 YAG 激光器总体图图6 YAG 激光器前面板示意图图7 YAG 激光器后面板接线图图8 同步器正面板图9 同步器后面板图10 主机接口图11主机内部联接图12 CCD相机联接图3 激光器的使用说明3.1 YAG激光器按键说明如图3、4所示，按钮1、2激光器电源开关； 3激光频率调节旋钮；4激光能量调节旋钮；5、6氙灯的内外触发转换按钮；7激光能量切换键；8激光Laser1发射键；9激光Laser2发射键；10激光器关机键；11激光器加水口；12激光器启动开关；备注： 1、实验时，一般不使用面板上的激光频率调节键3和激光能量调节键4；2、激光器由内触发（面板控制）转为外触发（电脑控制）后必须连续敲击Laser1、Laser2各一下，以顺利达到内、外触发的转换效果。3.2 YAG激光器工作说明 激光器启动时，首先打开开关1，此时面板上的AC POWER指示灯开启；再将开关2拧到开启位置；最后长按Start键，待开关上面的指示灯闪烁3-5下后，激光器才能正常开启。如需关闭激光器，按Stop键即可。在激光和氙灯停止工作后，泵浦激光电源仍要延迟工作10分钟，以保证氙灯的冷却效果。说明：1、激光器后面的电源开关1一般在长途运输的情况下才需关闭；2、氙灯停止工作十分钟以上再关闭激光器，否则影响激光器内氙灯寿命；3、由于激光器内部有冷却水系统，为了防止冷却水结冰，激光器不能在低于0的环境工作；4、当进行激光调试时，激光能量控制键7应处在Low档，当激光器进行图像采集时，键7应处在High档；5、确保激光器内的冷却水位高于总水位的3/4，加冷却水时需按住激光器后面的泵源键，以便将内部的气泡放出，否则水位线显示的冷却水位将不是其真实的值；6、激光器内的冷却水必须是去离子水；7、当激光器进行长途运输时应将其内部的冷却水放出，具体操作步骤如下：将激光器后面的红色接头（Water Return）拔出，同时顶住红色接头连接位置的外环和主机接头上的内环，按住泵源键即可；具体结构如图4所示。8、激光发射器的前端面有一个保护按钮，将其按下激光将不会发射出来；如图6所示的安全开关。3.3 YAG激光器镜头的工作原理本激光器镜头由镜片1和镜片2组成，如图13所示。激光经过镜片1和2，最终射出的是一条细长的竖线。工作原理如图14、15。片光源如下：1、 柱面镜：焦距：-15mm， -25mm2、 球面镜：焦距：1000mm，500mm 图13 片光源工作原理图图14 镜片1 侧视图 图15 镜片2 俯视图4 相机使用说明1、 相机后面的连接电缆禁止热插拔，应将相机的电源断掉后再将电缆拔出。在进行相机拆卸时，最好养成先将相机后部的电源接头拔掉再卸光缆的良好习惯；拆装时，红色圆点相对应。2、 不使用相机时，一定要将光圈调至光圈最小位置，即对准数值最大位置，必要时可将此位置进行锁定。调试相机时，如发现视场效果不好，可对光圈进行微调，一旦发现屏幕显示亮粉色，应立即盖上镜头盖。要注意的是，在有强光照射的情况下，尽量将光圈调至最小，即数值最大位置；3、 禁止挤压相机的连接电缆，否则将造成相机内部短路，烧坏CCD芯片；4、 在进行二维速度矢量场测量时，只使用一个相机即可，应该注意的是此时相机的光缆应接在电脑的Camera Link1上，即远离主板的接口上（当主机正向放置时，位于左侧的接口即为：Camera Link 1）；5 Insight3G软件的使用说明5.1二维速度矢量场的测量5.1.1 启动insight3G软件软件安装：1.安装Tecplot Focus 2008，拷贝密钥Licence到其安装文件夹下2.安装Insight 3G 9.0.5,将Insight 3G 9.0.5.2光盘下的Insight 3G文件夹复制到9.0.5文件夹下，替换即可。3.点击运行Insight 3G，输入密码，OK！在打开软件前要确保激光器和同步器均已启动。5.1.2 新建实验文件夹在进行新实验时，要在硬盘上建立文件储存位置，分别点击Experiment/Run和New run面板建立新文件夹。新建文件夹在工作树中显示为亮黄色，并有R字母标识，如无上述显示，右键单击想设定的工作文件夹，选择Set Experiment as Current项。在此需要注意的是，文件名不能以数字结尾，否则软件报错。具体事项查询Insight3G帮助文件的第五章，文件位置：C：program filesTSImanualsinsight3G.pdf5.1.3 硬件配置设置点击Tools | Hardware Setup.（1）Frame Grabber下选择64-bit Frame Grabber；（2）Camera下选择630057 powerview 2M plus型相机，此型号在相机的背面有标识（就是对应的我们所用的相机型号）；（3）Connection下选择：X64-1-serial-0（4）Application下选择：PIV Mono（5）Synchronizer下选择：610035同步器（使用的型号）（6）Laser下选择YAG new wave（7）Connection下选择COM1设置完毕后点击OK。备注：以上设置完成后需重启软件，值得注意的是，重启软件后需重新设置存储文件夹，具体步骤如前所述。5.1.4 激光及同步器设置点击Tools |Component Setup.由于系统硬件的限制，Laser1的最大发射频率为15，为了保护硬件系统，在实际应用中，应留有一定的余量。为此我们通常把Laser setup下的激光最大发射频率设为14.5，其他设置不需改动；当改动激光发射频率时，改动后的频率一定为上一次发射频率的1/n。* Tools |Capture Perspective Cal. Images做三维实验时才选用。5.1.5 二维实验的标定注意：在熟悉了步骤6后，才能进行实验标定。（1） 使相机对准待测速度场平面且与激光器垂直，调整前保证CCD与相机镜头平行（调整弧形转头）；（2） 在所测平面上放一把尺子，使激光正好掠过尺子正对相机的表面（或或者用靶盘标定，靶盘单元格距离为10mm，使激光刚好掠过靶盘，靶盘的楞阶都能刚好反射光），关闭激光，转换为外部触发，同时再次点击Laser1，Laser2各一次，注意能量转换为High；（3） 软件选择Capture面板，并根据步骤6所述，将其设置在调试状态，Laser 都设为Off（ApplicationPIV，ExposureFree，CaptureContinuous），在保证相机光圈最小的情况下点击Capture，此时电脑屏幕上将显示被测视场及标定的尺子；（4） 如果图像很暗，可微微调大光圈，直至画面清晰，接下来调节相机焦距，使画面上尺子的刻度最清晰（或靶盘最清晰）；点击Stop得到一张流场图片。（5） 选择Processing面板，选择ApplicationPIV；Spatial CalibrationCreate New新建一个Calibration，双击，在弹出的对话框中点击Setup，弹出2DSpatial Calibration对话框。在此对话框的Camera选项可以任选两个相机中的一个L/R，然后点击Measured按键，此时在所示图像上画出一竖直线，并使其在尺子上的刻度为整数，点击Measure，在显示出像素值后填入刻度尺的实际尺寸，点击OK，具体显示见图16。此时完成标定。 图16标定面板 图17 Capture面板5.1.6 Capture面板下的设置点击控制面板上左下角的选项，展开面板如图17所示（1） Application下有PLIF和PIV两个选项，此时选择PIV；（2） Exposure下有Free和Synchronized两个选项，在对相机进行对焦及标定等调试工作时选择Free项；相机对实验模型采集图像时选择Synchronized项，表示相机与激光机进行同步测量。（3） Capture下有single、continuous、sequence三个选项，single为单张图片采集设置，一般情况下不使用；continuous为连续采集选项，但不进行图像的储存，一般在相机调试及标定时选择；sequence为多张序列采集，在实验数据采集时选择此项，选择此项时，点击旁边的文件夹标识，在出现的对话框中设置采集图片的张数（一对图片为一张），还可以设置图片开始的序列号等信息。采集的图片数不是很大的情况下，可先存在内存里，对图像进行筛选满意后，点击Save RMA Image，图像就会转存到所设定的硬盘文件夹中。（4） Capture Timing Setup设置（帮助文件中的第六章有详细说明）图18A、PIV Frame Mode为图像的采集模式，由于进行速度矢量场的测量，此处必须选择Straddle，即跨帧模式，即相机采集图像时需要曝光两次；与其相对的选择为Single单帧模式选项；A、B两帧的跨帧时间：200ns（由系统硬件决定的，红色信号），200ns前是A帧，200ns后是B帧。同一粒子采集的两帧图片不能超出1/4网格。V=位移/Delta TB、Pulse Rep Rate为激光发射频率，由于先前设置的激光最大发射频率为14.5，所以此处的频率只能成14.5的1/n倍减小；C、Laser Pulse Delay为激光脉冲延迟时间，一般不小于400us，以400为例D、Delta T表示Laser A和Laser B两束激光发射的时间间隔；根据流速选择（高速应选小T测点会较多更真实，而大T会导致流场失真；低速应选大T，而小T会导致速度为0），YAG激光器脉冲的脉宽为35ns，在流体力学领域中，35ns时间间隔内可认为流体是静止的。以Delta T=100us为例E、PIV Exposure表示相机曝光时间。要保证：激光A和B必须跨帧，即相机A的曝光时间PIV Exposure应大于激光脉冲延迟时间Laser Pulse Delay，小于Laser Pulse Delay+Delta T，具体关系见图19所示。保证红色的两帧跨帧触发时间在绿色的两次激光脉冲触发时间范围之内，就是保证一个脉冲在A帧捕捉，一个在B帧捕捉；以450us为例，A帧曝光450us，B帧在450+100us后曝光一直到34kus，B帧的曝光时间是A帧的2个量级以上，目的：把A帧图像上传到主机进行存储。Pulse REP Rate=14.5，表示下一次脉冲重复时间为1/14.5s，也很长，是为了把B帧图像也上传到主机进行存储。先设置Delta T。最后点Apply。图19（5） Laser A、Laser B的设置当激光器设为外触发且做图像的采集时，应将两者选在on位置，在调试 的时候可选为off。点击右侧的图标可以调节激光的能量大小，能量分为高、中、低三个等级，低能量选项用于标定及调试，中能量选项既可用于调试也可以用于图像采集，高能量一般用于图像采集。（6） 使用说明只有在激光器选为外触发形式时，Laser On和Laser Off键才可用。为激光开启键；为激光关闭键，需要说明的是当激光处于发射状态时，点击此键一下，关闭Q-switch，此时激光不再发射，但是氙灯仍在工作，再点击此键，氙灯关闭。由于氙灯有寿命限制，所以一般在不进行图像采集后，最好将氙灯关闭；所以在测量时，此键应点击2次。为图像采集键，观察所测实验场的清晰度，用于标定时观测为图像采集停止键。点击后，可得到一张图片。5.1.7 Processing面板下的设置 Processing面板如图20所示： 图20 Processing 图21 Define Processing Area（1） Application的设置 测二维速度场时选择PIV选项，三维速度场时选择Stereo PIV选项；（2） Spatial Calibration设置 此项的设置过程见实验标定步骤P8（3） Processing Mask的设置此选项的作用是选定图像的处理范围。a、首先，在文件树Exp Tree中拖拽一张待处理的图片，或双击；b、在Processing Mask的下拉菜单下选择Create New新建一个Processing Mask；c、点击Setup按钮，弹出Processing Mask对话框，见图21：在Camera下选择实验所使用的相机；勾选Show only area to be processed，此时屏幕上只显示所选区域Invert按键可改变框选的方向；点击All Frames将处理方法应用到全部要分析的采集图像；根据想要分析的区域任意选择Rectangle、Ellipse、Polygon三个选项中的一个，然后用鼠标在图像上框选出分析区域，点击OK，分析区域定义完毕；d、定义完Processing Mask后，即可在此选项下选择所需要的分析区域类型，具体操作如图22：图22（4） Pre-processing的设置 此项的作用是对采集的图像进行背景的加、减、乘、除等处理。图23在Pre-processing新建一个文件夹，将弹出Processor Pipeline Editor对话框，如图23所示。在Processor Modules中双击要选的模型，此模型将进入Pipeline中，点击OK即可。如想移出Pipeline中选定的模型，只要选中要移出的对象，点击对话框上面的remove键，或Delete键。执行一个Pre-Processor Pipeline的步骤如下：打开一张图像，在Pre-Processor下拉菜单中选择设置好的Pipeline模型，点击Start即可。此操作可与Processor、Post-Processor一起使用。Image Calculator的设置单击Image Calculator，点击setup键，弹出的对话框如图24所示，在Operation下选择所需算法，在Operand选项下选择背景的查找路径，点击OK即可；具体的操作步骤见帮助文件的第七章。图24（5） Processing的设置此项主要的作用是设置显示图像的像素值。在Processing下新建一个文件夹，选定后点击旁边的Setup键，弹出对话框如图25：图25在PIV Algorithm中选定Classic PIV，Starting Spot Dimensions下的Spot A和Spot B值可设置网格值得大小；值越大，说明划分的网格越大，网格数目越少，显示的数值点也相对变少，一般情况下，设置为32即可，如觉得太大或太小，可相应地做出调整。设置完毕后，点击OK。（6） Post-Processing的设置以上各项设置完成后，进入后处理的设置，在Post-Processing的下拉菜单选择Create New，新建一个文件夹，点击Setup弹出Vector Validation Pipeline editor如图26所示：其中第2、3个用于去除坏点操作。图26在Processor Modules中双击要选的模型，此模型将进入Pipeline中，点击OK即可，具体效果图见图27所示。图27在选定好图像及各项的处理模型后，点击start对所选图像进行后处理，分析后的结果将自动储存在工作文件夹下的Analysis文件夹中。双击分析结果，各点的速度将以Excel表格的形式呈现在工作区，CHC值小于零的点为坏点，分析时应将其删除。点击显示屏幕上的Tool选项可设定显示图像特征（更改矢量大小、显示去除坏点等）。此软件与MATLAB和Tecplot有接口。直接点击即可。5.2三维速度矢量场的测量所谓的三维速度矢量场的测量也只是对一个选定平面的速度测量，与二维的区别在于，测试点具有Z方向的速度, 所以可以理解为准三维测量。具体的实验过程如下：5.2.1 启动软件5.2.2 新建实验文件夹5.2.3 硬件配置设置点击Tools | Hardware Setup. （1）在frame grabber下选择64-bit Frame Grabber；（2）在camera下选择630057 powerview 2M plus型相机，此型号在相机的背面有标识；与二维测量不同的是，二维实验的时候只用一台相机，三维实验需要使用两台相机，所以在此处要选两个630057 powerview 2M plus型相机；（3）在connection下选择两个系列分别为X64-1-serial-0和X64-1-serial-1，相机选择：一个左相机（PIV Left），一个右相机（PIV Right）；（4）在laser下选择YAG new wave（5）在connection下选择COM1设置完毕后点击OK。此项完成后需重启软件，并需重新设置工作文件夹，过程如前所述。5.2.4 激光及同步器设置5.2.5 三维实验的标定（1）靶盘的放置本套设备配备的是四平面靶盘，具体的结构如图28。图28 靶盘将靶盘放入被测流场中，保证激光掠过靶盘表面。判定标准：靶盘表面的各凸台均有激光反射光。（2）相机位置的调整A、首先，使两相机的垂直平分线正对靶盘中心，且与其垂直；B、调整两个相机的角度（约45），使两个相机的视野尽量相同，此时，两相机的视野重合得越好，所测得三维速度场就越准确，调整后锁紧相机底座上的螺钉。应该注意的是，在调节视场的时候，相机的光圈应首先设置在最小位置（数值最大），如果画面过于黑暗，可微调光圈，达到适中亮度为止。此时软件应设置在Capture面板下，由于是进行图像的调试，Exposure下选择Free模式，Capture下选择Continuous，此时两个视场均显示在屏幕上。C、调整相机的焦距：调整前保证CCD与相机镜头平行（调整弧形转头）。将单个图像的画面放大比例（size选为1：3），将屏幕调到靶盘中心的十字花处，调节相机的焦距，使十字花最清晰。另一个相机也进行相同操作。D、将屏幕显示到靶盘的两边缘（比例仍为1：3），将机身的螺丝拧开，调整相机的弧形转头（微调），使靶盘的边缘小孔成像最清晰，拧紧螺丝。E、完成上述步骤后再次对焦，使两台相机视场中心的十字花最清晰。（3）标定过程A、选择Tools下的Capture Perspective Cal. Images（拍摄靶盘背景标定图片），在弹出的对话框下单击Capture，又弹出一个对话框，单击OK，过程见图29； 图29B、软件设置Processing面板，ApplicationStereo PIV，在Spatial Calibration下选择Create New新建一个Calibration，此时弹出Perspective Calibration对话框，单击Create New CPT Files 弹出Calibration Image Analysis对话框，在Calibration Images下选择L Camera后单击Select Calibration Image(s)按键，见图30；按照从上到下，从左到右的顺序依次设置。 图30在弹出的Open TIFF Image对话框下，单击后点击Open，具体过程见图31；图31C、此时界面变成图32中的显示形式，调节threshold值使屏幕上的红点尽可能多地显示出来，且蓝底尽量无红色（10为粗调，1为微调）；红蓝对比最鲜明。图32 D、点击Define Target按键，弹出Target Configuration对话框，实验靶盘为双面靶盘，选择2 Plane, no Traverse，相机为同侧布置（Same Side of Light Sheet，优点：试验件只需一个窗口，布置简单；缺点：两个相机感光效果不一样，一个顺光，一个逆光。而两侧布置时：两个相机对激光的反射效果一样，但是装置复杂），选择Same Side of Light Sheet (+z)，点击Define Grid，接着弹出Two Plane Grid对话框，由于靶盘在Z方向尺寸为1mm，被标定的平面为Z方向凸棱的中截面（Z方向为-0.5mm），所以此项无需做任何改动，而网格间距为10，10，1，点击OK；在弹出的Perspective Calibration中点击Yes，具体过程见图33； 图33E、此时再勾选Target Define，点击Analyze One，此时分析图像中的红点被圆圈和方块框起来，应注意的是，沿斜线箭头方向上的图形应尽量保持一致，此时说明图像分析的效果较好，具体显示见图34；到此为止，左相机标定完毕。依照上述步骤标定右相机，如图34-36所示：图34图35 图36设定完毕后点击返回到主菜单接下来设定Camera Calibration项。在图37所显示的对话框中选择，点击旁边的，分别编辑左右相机。选中文件后，分别点击Capture Calibration图37弹出以下对话框，在Camera CPT Files中选择L Camera后点击图38弹出对话框，点选后单击Open，具体步骤见图39；图39回到Perspective Calibration对话框，以同样的方法设定R camera。图40图41图42R camera设定完毕后，点击Perspective Calibration对话框下的，此时相机标定完毕；图435.2.6 图像采集按上述步骤标定完成后，移出靶盘，准备进行图像采集。此时应注意的是，相机的光圈调至最小，将激光器改成外部触发。在Capture控制面板上，Expos