用于粒子场图像速度分析的新型光源装置

　　1　引言

　　随着光学技术的发展,借助于光学方法的粒子图像速度分析(PIV)现已广泛地应用在高精度地测量具有复杂流场分布,如高涡流强度、流区速度等上,可分析如飞机与气流、船体与海流的相互作用等,为设计提供可靠的依据。

　　图1是一个PIV系统的示意图。其主要工作原理是:由激光器发出的光被反射镜反射后,经过柱面镜形成一个面光源打在被分析流场中,同时高分辨率摄像机获取该光源所照射的流场中这一“切面”的双曝光(或多次曝光)图像并送入计算机存贮和分析。根据这些粒子场图像,利用杨氏条纹或相关法逐点分析流场中粒子的运动轨迹,可得到所需数据。

　　过去,采用PIV法遇到的问题是,每次测量只能获得流场中一个切面的数据。要想对整个流场的多个切面进行分析,必须一次次地重新调节光路,这样费时、费事,且实时性差,影响测量的准确性。同时,由于对每个切面测量的时间有一定的间隔,使得对相邻两平行切面所获得的粒子图像的相关性变得很差,甚至完全消失,所以不易对流场进行三维分析。本文在分析现有PIV系统测量装置的特点及其适用范围的基础上,提出一种可在瞬间得到一组相互平行面光源的PIV系统激光扫描装置。

　　2　新型PIV激光扫描仪原理

　　这种新型PIV激光扫描仪主要由高速直流电机、旋转转鼓和反光镜组、柱面镜、动平衡调节机构、调平螺钉、轴承及支架等组成,其结构示意图如图2所示。

　　沿转鼓的周围在其轴向不同位置处放置一组反射方向一致的反光镜,这些反光镜的位置可沿转鼓轴向移动调整并固紧。当高速直流电机带动该转鼓旋转时,由激光器发出的光速穿过支架上的一个小孔打在固定于转鼓上的反光镜的反射面上,经反射后穿过罩盒上的长条形孔及柱面镜形成一个面光源。由于每个反光镜沿转鼓轴向所处的位置不同,当转鼓高速旋转时,在很短的时间内就有一组相互平行且间隔可调的面光源形成。这组面光源打在被测流场中就可以对其进行多个切面的PIV分析,进而获得所需的有关数据。

　　3　性能分析

　　在该PIV激光扫描仪中,沿转鼓圆周共分布有20块反光镜,每块反光镜沿转鼓轴向位置调节范围均为120 mm,所用高速直流电机转速为8 000 rm/min。在反光镜等间距放置的情况下,所形成的面光源的空间间隔为(0~6) mm,时间间隔为3.75×10-4s。

　　通过扫描仪转鼓的旋转,使光束平移而形成一组相互平行的面光源,这组面光源打在被测流场中,就可以在瞬间得到一系列相互平行切面的流场粒子图,使得一次测量就可获得流场多个切面的数据。同时,在足够小的空间和时间间隔内,被测流场中相邻两切面的粒子图像一般有较好的相关性,可用PIV法对其进行三维分析。由于这组面光源在瞬间形成,从而提高了测量的实时性。