PIV实验操作规程

【关键字】设置

PIV实验操作规程

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3YAG泵浦激光电源正面板

图4YAG泵浦激光电源后面板

图5YAG激光器总体图

图6YAG激光器前面板示意图

图7YAG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12CCD相机联接图

3激光器的使用说明

3.1YAG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—旅灯的内外触发转换按钮；7—激光能量切换键；8—激光Laserl发射键；

9一激光Laser2发射键；10—激光器关机键；II--激光器加水口；12■—激光器启动开关；

备注：

1、实验时，普通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Laserl.

Laser2各一下，以顺利达到内、外触发的转换效果。

3.2YAG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ACPOWER指示灯开启；再将开关2

拧到开启位置；最后长按Slart键，待开关上面的指示灯闪烁3-5卜后，激光器才干正常开

启。如需关闭激光器，按Slop键即可。在激光和SK灯住手工作后，泵浦激光电源仍要延迟

工作10分钟，以保证沆灯的冷却效果。

说明：

1、激光器后面的电源开关1普通在长途运输的情况下才需关闭；

2、筑灯住手工作十分钟以上再关闭激光器，否则影响激光器内沆灯寿命；

3、由于激光器内部有冷却水系统，为了防止冷却火结冰，激光器不能在低于的环境工

作；

4、当进行激光调试时，激光能量控制键7应处在Low档，当激光器进行图象采集时,

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正的值；

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，具体操作步骤如卜.：将激光器

后面的红色接头(WaterRc:urn)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。

3.3YAG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,-25mm

2、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月瞰图

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，

旦发现屏幕显示亮粉色，应即将盖上镜头盖。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CameraLink1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:CameraLink1)；

5Insight软件的使用说明

5.1二维速度矢量场的测量

启动insight软件

软件安装：

1.安装TecplotFocus2022,挖贝密钥Licence到其安装文件夹下

2.安装Insighi,将Insighi文件夹复制到，替换即可。

3.点击运行Insighl,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。

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Newrun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

母标识如无尚述显示，右键单击想设定的工作文件夹，选择SetExperimentas

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匡助文件的第五章，文件位置：C：

.pdf

5.1.3硬件配置设置

点出tools|HardwareSetup...

(1)FrameGrabber下选择64-bitFrameGrabber；

(2)Camera下选择630057powerview2Mpitis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-l-serial-0

(4)Application下选择：PIVMono

(5)Synchronizer下选择：610035同步器(使用的型号)

(6)Laser下选择YAGnewwave

(7)Connexion下选择COMI

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ToolsIComponentSetup...

由于系统硬件的限制，Laserl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Lasersetup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/no

*ToolsICapturePerspectiveCal.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，才干进行实验标定。

(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(或者

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LaseH,Laser2各一次，注意能量转换为High；

(3)软件选择C叩lure面板，并根据步骤6所述，将其设置在调试状态，

Laser都设为Off(Application—PIV,Exposure-Free,Capture一

Continuous),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)如果图象很暗,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(或者靶盘最清晰)；点击Stop得到一张流

场图片。

(5)选择Processing面板，选择Application—*PIV；SpatialCalibration-

CreateNew...新建一个Calibration双击在弹出的对话框中点击Setup,

弹出2DSpatialCalibration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，此时在所示图象

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17Capture面板

5.1.6Capture面板下的设置

点击控制面板上左下角的打谟曲三选项,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象时选择

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，普通情况下不使用；continuous为连续采集选项，但不进

行图象的储存，普通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，在浮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，对图象进行筛选满意后，点击SaveRMAImage,

图象就会转存到所设定的硬盘文件夹中。

（4）CaptureTimingSetup设置（匡助文件中的第六章有详细说明）

图18

A、PIVFrameMode为图象的采集模式，由于进行速度矢量场的测量，此处

必须选择Straddle,即跨帧模式，即相机采集图象时需要暴光两次；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/DeltaT

B、PulseRepRate为激光发射频率，由于先前设置的激光最大发射步发率为

14.5,所以此处的频率只能成14.5的1/n倍减小；

C、LaserPulseDelay为激光脉冲延迟时间，普通不小于400us,以400为

例

D、DeltaT表示LaserA和LaserB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3s5ns,在流体力学领域中，

3-5ns时间间隔内可认为流体是静止的。以DeltaTTOOus为例

E、PIVExposure表示相机暴光时间。要保证：激光A和B必须跨帧，即相

机A的暴光时间PIVExposure应大于激光脉冲延迟时间LaserPulseDelay,小

于LaserPulseDelay+DeltaT,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帧暴光450us,B帧在450+100us后暴

光一直到34kus,B帧的暴光时间是A帧的2个量级以上，目的：把A帧图象上

传到主机进行存储。PulseREPRate=14.5,表示二一次脉冲重复时间为1/14.5s,

也很长是为了把B帧图象也上传到主机进行存储先设置DeltaT。最后点Apply。

图19

（5）LaserA）LaserB的设置

当激光器设为外触发且做图象的采集时，应将两者选在on位置，在调试

的时候可选为off。点击右侧的明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

以用于图象采集，高能量普通用于图象采集。

（6）0Captune@St叩使用说明

惟独在激光器选为外触发形式时，LaserOn和LaserOff键才可用，

^如目听］为激光开启键；遭〃输邯杖J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,此时激光再也不发射，但

是氟灯仍在工作，再点击此键，氟灯关闭。由于氧灯有寿命限制，所以普通在

不进行图象采集后，最好将氟灯关闭；所以在测量时，此键应点击2次。

；63红网却为图象采集键，观察所测实验场的清晰度，用于标定时观测

为图象采集住手键。点击后，可得到一张图片。

5.1.7Processing面板卜的设置

Processing面板如图20所示：

图20Processing图21DefineProcessingArea

(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StereoPIV选项；

(2)SpatialCalibration设置

此项的设置过程见实验标定步骤一PB

(3)ProcessingMask的设置

此选项的作用是选定图象的处理范围。

a、首先，在文件树ExpTree中拖拽一张待处理的图片，或者双击；

b、在ProcessingMask的下拉菜单下选择CreateNew.・.新建一个

ProcessingMask；

c^点击Setup按钮弹出ProcessingMask对话框见图21：在Camera

下选择实验所使用的相机；_

勾选Showonlyareatobeprocessed,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AllFrames将处理方法应用到全部要分析的采集图象；

根据想要分析的区域任意选择Rectangle、Ellipse>Polygon三个

选项中的一个，然后用鼠标在图象上框选出分析区域，点击OK,

分析区域定义完毕；

d、定义完ProcessingMask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象进行背景的加、减、乘、除等处理。

图23

在Pre-processing新建一个文件夹，籽弹出ProcessorPipelineEditor

对话框，如图23所示。在ProcessorModules中双击要选的模型，此模型

将进入Pipeline中，点击0K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，或者Delete键v

执行一个Pre-ProcessorPipeline的步骤如下：

打开一张图象，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。

ImageCalculator的设置

单击ImageCalculator,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；具体的操作步骤见匡助文件的第七章。

图24

(5)Processing的设置

此项主要的作用是设置显示图象的像素值。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PIVAlgorithm中选定ClassicPIV.StartingSpotDimensions下的

SpotA和SpotB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，普通情况下，设置为32即可，如

觉得太大或者太小，可相应地做出调整。设置完毕后，点击0K。

(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CreateNew...,新建一个文件夹，点由Setup弹出VectorValidation

Pipelineedilor如区26所示：其中第2、3个用于去除坏点操作。

图26

在ProcessorModules中双击要选的模型，此模型将进入Pipeline中，点击0K

即可，具体效果图见图27所示。

图27

在选定好图象及各项的处理模型后，点击start对所选图象进行后处理，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选项可设定显示图象特征(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：

521启动软件

522新建实验文件夹

5.2.3硬件配置设置

点击Tools|HardwareSetup...

(1)在framegrabber下选择64-bitFrameGrabber；

(2)在camera下选择630057powerview2Mplus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630057powerview2Mplus型相机；

(3)在connection卜选择两个系列分别为X64-1-serial-0X64-1-serial-1,

相机选择：一个左相机(PIVLefl),一个右相机(PIVRight)；

(4)在laser下选择YAGnewwave

(5)在connection卜选择C0M1

设置完毕后点击0K。

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。

524激光及同步器设置

525三维实验的标定

（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，由于是进行图象的调试，ExposureT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）。将单个图象的画面放大比例（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CapturePerspectiveCaLImages（拍摄靶盘背景标定图片），

在弹出的对话框下单击Caplure,又弹出一个对话框，单击0K,过程见图29；图29

B、软件设置Processing面板，Application-StereoPIV,在SpatialCalibration

下选择CreateNew…新建一个Calibralion,此时弹出PerspectiveCalibration对话

框，单击CreateNewCPTFiles弹出CalibrationImageAnalysis对话框，在

CalibrationImages下选择LCamera后单击SelectCalibrationImage（s）按键，见图

30；按照从上到下，从左到右的顺序挨次设置。

图30

在弹出的OpenTIFFImage对话框下，

后点击Open,具体过程见图31；

图31

C、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（土10为粗调，土1为微调）；一一红

蓝

对照最鲜明。

图32

D、点击DefineTarget按键，弹出TargetConfiguration对话框，实验靶盘:为双

面靶盘，选择2Plane,noTraverse,相机为同侧相置（SameSideofLightSheet,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SameSideofLightSheet(+z)，点击DefineGrid,接着弹出Two

PlaneGrid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PerspectiveCalibration中点击Yes,具体过程见图33；

图33

E^此时再勾选TargetDefine,点击AnalyzeOne,此时分析图象中的红点被圆

圈和方块框起来，应注意的是，沿斜线箭头方向二的图形应尽量保持一致，此

时说明图象分析的效果较好，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所木：

图34

图35

图36

诺•空宪比户占丰：一………一，反问到下带革

e

//Lil/1__1，、\\山9皿■•••1•.••••UU••U»*MM••|..lII__II,MI

接下来设定CameraCalibration项。

在图37所显示的对话框中选择「0同腿其m|J顼'，点击旁边的

EdlcafiKra...?分别编辑摆布相机。选中文件后，分别八a'ureCalibration图37

弹出以下对话框，在CameraCPTFiles中选择LCamera后点击

5dseICFTFie-

图38

懵1012007122ASbersotat()O()OD().T()DO.D(X)C.RO()().HO()l.l..ci)<后单击Open,具体步骤见图39；

图39

回到PerspectiveCalibration对话框，以同样的方法设定Rcamera<)

图40

图41图42

Rcamera设定完毕后，点击PerspectiveCalibration对话框下的

-ii〃一，此时相机标定完毕；

图43

526图象采