一種測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】本發明涉及一種測量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置，屬于明渠實驗【技術領域】，該裝置包括攝像機、鏡頭、連續激光器、分光棱鏡及計算機；其特征在于，還包括可調節長度的近攝腔、平凸柱面鏡；連續激光器設置在待測明渠水槽的底板下，其輸出光軸垂直朝向底板，分光棱鏡、平凸柱面鏡依次設置在激光器的輸出光軸上；所述的攝像機設置在明渠水槽的邊壁外，該攝像機通過可調節長度的近攝腔與鏡頭相連，鏡頭對準所述的矩形激光片光，所述的計算機與攝像機通過連接線相連，對攝像機拍攝的示蹤粒子圖像進行處理，以獲得明渠紊流粘性底層流速。該方法包括裝置的調整及拍攝和流速的測量兩部分。本發明具有頻率高、精度高、使用方便等優點。
【專利說明】一種測量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于明渠實驗【技術領域】，特別涉及對粒子示蹤測速技術的改進。
【背景技術】
[0002]明渠紊流中，床面附近的粘性底層十分重要，是明渠紊流剪切應力與渦量的來源，并在紊動的產生與發展、傳熱傳質等過程中起到關鍵作用。但是，對這一區域的流動特征進行測量卻極其困難，主要的難點在于粘性底層的物理尺度極小，且區域內的流速梯度極大。例如，對于水深為5cm，摩阻雷諾數為1000的明渠紊流，粘性底層厚度約為0.25mm，且流速在這一區域從O迅速增加到斷面平均流速的20%。
[0003]傳統的接觸式測量方法，如畢托管、熱膜熱絲等不僅會干擾流場，而且測量體本身的尺寸都在毫米量級，無法達到測量粘性底層的要求。近年發展成熟的非接觸式測量方法，如聲學多普勒流速儀、激光多普勒流速儀、粒子成像測速技術(PIV)和粒子示蹤測速技術(PTV)等，在常規流動中均能測得準確數據。但聲學多普勒流速儀的測量體尺寸在毫米量級，無法高精度測量粘性底層；激光多普勒流速儀所測的水流微團的尺度在最理想條件下約為0.1_，在0.25mm內至多能得到3個測量點，難以得到粘性底層的流速分布；同時聲學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內測量精度較低；粒子成像測速技術由于使用判讀窗口的平均信息得到測點流速，故在粘性底層這類流速梯度極大的區域存在較大的測量誤差。
[0004]已有的粒子示蹤測速技術的裝置包含PTV攝像機、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動，使用激光光源照亮水體中一個平面的示蹤粒子，一般使用分光鏡將激光束分為扇形片光，測量區域的片光寬度在20cm以上。采用PTV攝像機拍攝扇形片光照売的不蹤粒子的圖像，PTV攝相機的拍攝頻率一般小于1000張/S。用其裝置測流速的方法是，將水體中一個平面的示蹤粒子連續拍攝的前后兩張圖片首先選取灰度閾值進行二值化，得到粒子圖像；常用的灰度閾值確定方法有簡單灰度變換法、非零元素取一法、固定閾值法、雙固定閾值法(李丹勛等，粒子示蹤測速技術，科學出版社，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粒子的區域，然后根據每個粒子的區域得到形心坐標以表示各粒子位置，最后采用匹配幾率法(李丹勛等，粒子示蹤測速技術，科學出版社，2012年)對兩張圖片中的粒子位置進行匹配，根據配對粒子的形心差異得至IJ粒子在拍攝兩張照片時間間隔內的位移，位移除以時間間隔即得到粒子所在位置水體的運動速度。粒子示蹤測速技術能夠在高流速梯度的區域得到準確的數據。但是普通粒子示蹤測速技術使用常規攝像方法，即鏡頭與PTV攝相機的距離(像距)在鏡頭設計的范圍內。這種常規攝像方法能保證拍攝得到的粒子圖像足夠明亮，噪聲較小，同時像差最小。但是常規攝像方法所得圖片的分辨率低，導致普通PTV方法無法滿足粘性底層測量的要求。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為克服已有明渠流速測量方法的不足，提供一種測量明渠紊流粘性底層流速的方法及裝置。本發明利用PTV方法的基本原理，使用微距攝像技術得到滿足粘性底層測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。本發明具有頻率高、分辨率高和精度高等優點
[0006]本發明的技術特點及有益效果如下:
[0007]本發明采用微距攝像技術增大圖片的分辨率，針對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，設定粒子圖像形狀指標，剔除像差嚴重的粒子，采用截斷法計算粒子圖像形心坐標，避免像差對計算粒子位置的影響。本發明具有測量頻率高、精度高、使用方便等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明裝置組成示意圖；
[0009]圖2為本發明中的流速測量方法流程框圖；
[0010]圖3為本發明實施例裝置組成示意圖；
[0011]圖4為本發明的實施例粘性底層流速分布。
【具體實施方式】
[0012]以下結合附圖及實施例詳細說明本發明技術方案中所涉及的各個細節問題。應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0013]本發明的一種測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
1、鏡頭3、連續激光器4、分光棱鏡5及計算機7;其特征在于，還包括可調節長度的近攝腔
2、平凸柱面鏡6;其中，所述連續激光器4設置在待測明渠水槽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依次設置在激光器的輸出光軸上，將激光器輸出的光束調整為一矩形激光片光9 ;所述的攝像機I設置在明渠水槽10的邊壁夕卜，該攝像機通過可調節長度的近攝腔2與鏡頭3相連，鏡頭3對準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，所述的計算機7與攝像機I通過連接線8相連，對攝像機I拍攝的示蹤粒子圖像進行處理，以獲得明渠紊流粘性底層流速。所述攝像機I的拍攝幀頻大于3000張/秒；所述近攝腔2能前后伸縮，調整鏡頭3與攝像機I間的距離；所述鏡頭3為暗室放大鏡頭，其像場平直，所得圖片的像差較普通鏡頭小；所述連續激光器4為一臺功率8-20W的連續激光器(功率越高所得圖片越明亮，結果越好);所述分光棱鏡5的分光角度為8-15°，將連續激光器4發出激光束擴散為扇形激光片光；所述平凸柱面鏡6將分光棱鏡5擴散所得扇形激光片光調整為矩形激光片光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；所述計算機7通過連接線8與攝像機I相連，控制攝像機I拍攝圖片。
[0014]本發明采用上述裝置的一種測量明渠紊流粘性底層流速的方法，包括裝置的調整及拍攝和流速的測量兩部分，裝置的調整及拍攝，參考圖1，包括以下步驟:
[0015]步驟1:調整激光片光:打開連續激光器4，調整連續激光器4、分光棱鏡5、平凸柱面鏡6之間的間距，將連續激光器4發出激光束調整為矩形激光片光9，整體移動連續激光器4，分光棱鏡5、平凸柱面鏡6的位置，使得矩形激光片光9照亮待測區域；
[0016]步驟I1:調整鏡頭與相機: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定物，關閉連續激光器4 ;將鏡頭3靠近明渠水槽10的邊壁，固定鏡頭3的位置，調整攝像機I的位置，近攝腔2的長度跟隨攝像機I位置的變化而變化，直到攝像機I得到清晰圖片，讀取此時拍攝到的標定物的長度，計算圖片分辨率(Imm對應的圖片像素)，之后調整鏡頭3與水槽邊壁的距離以及攝像機I的位置，直到圖片分辨率達到實驗設定值；調整好后記錄圖片分辨率，拿出標定物；
[0017]步驟II1:拍攝圖片；調整明渠水槽10中的水流狀態，滿足實驗要求后，在明渠水槽10上游撒布示蹤粒子(以下簡稱粒子)，粒子循環穩定后打開連續激光器4和攝像機1，
[0018]開始連續拍攝多張顯不粒子圖像的圖片，圖片總張數為Numtrtal(Numttrtal大于100,Numtotal越小,后續流速測量所需時間越少,但是所得結果精度越低；Numt(rtal越大,流速測量所需時間越多，所得結果精度越高)，并將所拍攝的全部圖片按拍攝順序存儲入計算機7，為所有圖片按照拍攝順序賦予圖片序號K (K為從I開始的正整數);拍攝完成后，關閉連續激光器4和攝像機I。
[0019]流速的測量如圖2所示，整個過程在計算機7中完成，包括以下步驟:
[0020]步驟A:判斷圖片序號K是否大于Numtotal-1,若K>Numt()tal-l,則進入步驟O,否則，進入步驟B ；
[0021]步驟B:讀入圖片序號為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為閾值迭代循環序數，為非負整數；微距攝像技術使得圖片放大率增加，但是也會導致圖片變暗、信噪比低，直接使用大津法確定灰度閾值會將噪聲誤判為粒子圖像，所以本發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對圖片K 二值化；
[0024]步驟E:提取二值化后圖片K中的粒子個數Ni ；
[0025]步驟F:判斷Ni是否大于設定閾值Nmax，若NiMmax,則進行步驟G ;否則，進行步驟J(50〈Nmax〈300，Nmax越大，從圖片中識別出的粒子數越多，將背景噪聲誤判為粒子圖像的概率也越大；反之，Nmax越小，從圖片中識別出的粒子數越少，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:
【權利要求】
1.一種測量明渠紊流粘性底層流速的裝置，該裝置包括攝像機、鏡頭、連續激光器、分光棱鏡及計算機；其特征在于，還包括可調節長度的近攝腔、平凸柱面鏡；其中，所述連續激光器設置在待測明渠水槽的底板下，且該激光器的輸出光軸垂直朝向底板，所述分光棱鏡、平凸柱面鏡依次設置在激光器的輸出光軸上，將激光器輸出的光束調整為一矩形激光片光；所述的攝像機設置在明渠水槽的邊壁外，該攝像機通過可調節長度的近攝腔與鏡頭相連，鏡頭對準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，所述的計算機與攝像機通過連接線相連，對攝像機拍攝的示蹤粒子圖像進行處理，以獲得明渠紊流粘性底層流速。
2.如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述攝像機的拍攝幀頻大于3000張/秒。
3.如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述鏡頭為暗室放大鏡頭，其像場平直。
4.采用如權利要求1所述裝置的一種測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整及拍攝和流速的測量兩部分；所述裝置的調整及拍攝，包括以下步驟: 步驟1:調整激光片光:打開連續激光器，調整連續激光器、分光棱鏡、平凸柱面鏡之間的間距，將連續激光器發出激光束調整為矩形激光片光，整體移動連續激光器，分光棱鏡、平凸柱面鏡的位置，使得矩形激光片光照亮待測區域； 步驟I1:調整鏡頭與相機:在水槽中矩形激光片光的位置放置帶有半毫米刻度的標定物，關閉連續激光器；將鏡頭靠近明渠水槽的邊壁，固定鏡頭的位置，調整攝像機的位置，近攝腔的長度跟隨攝像機位置的變化而變化，直到攝像機得到清晰圖片，讀取此時拍攝到的標定物的長度，計算圖片分辨率，之后調整鏡頭與水槽邊壁的距離以及攝像機的位置，直到圖片分辨率達到實驗設定值；調整好后記錄圖片分辨率，拿出標定物； 步驟II1:拍攝圖片；調整明渠水槽中的水流狀態，滿足實驗要求后，在明渠水槽上游撒布示蹤的粒子，粒子循環穩定后打開連續激光器和攝像機，開始連續拍攝多張顯示粒子圖像的圖片，圖片總張數為Numttrtal ；，并將所拍攝的全部圖片按拍攝順序存儲入計算機，為所有圖片按照拍攝順序賦予圖片序號K，K為從I開始的正整數；拍攝完成后，關閉連續激光器和攝像機； 所述流速的測量，包括以下步驟: 步驟A:判斷圖片序號K是否大于Numtotal-1,若K>Numtotal-l,則進入步驟O,否則,進入步驟B ; 步驟B:讀入圖片序號為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為閾值迭代循環序數，為非負整數； 步驟D:使用灰度閾值Ti對圖片K 二值化； 步驟E:提取二值化后圖片K中的粒子個數Ni ； 步驟F:判斷Ni是否大于設定閾值Nmax，若NiMmax,則進行步驟G ;否則，進行步驟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】G01P5/20GK103808958SQ201410037928
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】鐘強, 陳啟剛, 李丹勛, 王興奎 申請人:清華大學