[实用新型]一种基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置

说明书

本实用新型公开了一种基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，包括LED光源和至少一个相机分光镜拍摄装置；所述的LED光源包括大功率LED灯珠、光源转换装置、光源信号控制器等，所述的相机分光镜拍摄装置包括两个相机、分光镜、相机信号控制器等；两个相机设置于分光镜上，光源信号控制器用于控制LED光源周期性发光，相机信号控制器用于控制两个相机在LED光源开启周期内进行拍摄。本实用新型装置能够为各种类型的PIV技术提供数据采集支持，通过创新性地采用LED光源，有效提升了光源信号控制的灵敏度，提高了照明的亮度和稳定性，从而提升PIV实验数据的精确度，同时可大幅缩减设备成本。

技术领域

本实用新型属于粒子图像测速(PIV，Particle Image Velocimetry)领域，涉及一种PIV装置，尤其涉及一种基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，为PIV技术提供一种高精度、简便、经济的数据采集手段。

背景技术

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，下称PIV)是一种瞬态、多点、无接触式的测速方法，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性，是目前实验流体力学领域最为成熟、应用最广的测速技术。

传统PIV技术主要步骤有：采用高亮度光源(通常采用激光)照亮示踪粒子，用单个高速相机在极短时间间隔内(通常10us左右)拍摄两张照片，在计算机上采用互相关函数等算法对两张照片中的粒子进行定位、追踪，最后用速度定义式得到速度场。

传统的PIV技术可以测量一个平面内的二维速度场(2D2C)。StereoPIV采用两个高速相机从两个不同角度拍摄，通过解读两个相机视差包含的信息，可以得到平面的三维速度场(2D3C)。

与传统的激光光源相比，LED能够输出无论在时间强度分布还是空间强度分布都更加稳定的连续脉冲光照，对LED的时序控制更加灵敏。此外，大功率LED已经大规模生产，与激光相比其造价更为低廉。

高速相机以双曝光方式在极短的时间间隔(约10us)内拍摄得到两张照片可以用于PIV分析，但高速相机存在价格过高的问题。可以看到，目前过高的设备价格已成为限制PIV推广的重要制约因素，寻找合适的改良方法具有重大的工程价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，该装置能够在不损失精度(甚至略微提高)的情况下，大大降低成本。本实用新型的基于LED光源与相机分光镜拍摄的PIV装置，包括LED光源和至少一个相机分光镜拍摄装置；所述的LED光源包括大功率LED灯珠、光源转换装置、散热机构、光源信号控制器，所述的相机分光镜拍摄装置包括两个相机、分光镜、数据线、计算机、相机信号控制器；大功率LED灯珠置于散热机构上，通过光源转换装置形成相应PIV技术所需光源照亮示踪粒子，所述的两个相机设置于分光镜上，并通过数据线与计算机相连，光源信号控制器用于控制LED光源周期性发光，相机信号控制器用于控制两个相机在LED光源开启周期内进行拍摄，两相机拍摄起始时间间隔Δt，且频率、曝光时间均相同。

在使用平面PIV技术时，只采用一个相机分光镜拍摄装置；所述的光源转换装置包括光纤准直器和入口为圆形捆束出口为线性排列的光纤线缆，LED光源经光纤准直器与光纤线缆连接。

在使用StereoPIV技术时，采用两个相机分光镜拍摄装置，从不同角度进行拍摄；所述的光源转换装置包括光纤准直器和入口为圆形捆束出口为线性排列的光纤线缆，LED光源经光纤准直器与光纤线缆连接。

在使用TomoPIV技术时，所述的光源转换装置采用光学透镜实现，用于将LED光源转换为所需考察的立体空间光源；采用至少六个相机分光镜拍摄装置，从不同角度进行拍摄。

上述技术方案中，优选的，所述的两相机拍摄起始时间间隔Δt为10-50μs。