一种用于粒子图像测速测试的ITO加热式观察窗系统的制作方法

本发明属于流体力学实验测量，具体涉及一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统。

背景技术：

1、粒子图像测速（piv）是流体力学实验中获取二维/三维瞬态速度场的核心非接触测量技术。其基本原理为：在被测流场中布撒粒径为0.2μm–1μm的示踪粒子，由脉冲激光器形成片光照亮粒子，由位于片光平面外的成像器件透过光学观察窗在两次激光脉冲之间分别采集粒子图像，通过互相关算法计算速度矢量场。

2、在多数风洞、水洞及内部流测试中，作为示踪剂的雾化液滴在长时间运行后不可避免地沉积、附着于观察窗内表面，形成连续的油膜或散射颗粒层，造成：(a)照明激光及粒子散射光在观察窗处衰减；(b)粒子图像对比度下降；(c)信噪比劣化，部分区域无法解析；(d)试验必须中断并拆窗清洗，严重影响试验效率。

技术实现思路

1、本发明要解决的是由于观察窗污染导致的粒子图像测速测试的试验效率降低的问题，提出一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，包括激光器、激光入射窗、成像器件、ito加热观察窗、温控驱动器、时序同步控制器；

4、激光入射窗与ito加热观察窗分别设置于风洞试验段的不同壁面，激光入射窗上侧放置有激光器，ito加热观察窗下侧放置有成像器件；所述ito加热观察窗右侧通过第一母线连接温控驱动器的一端，温控驱动器的另一端和第二母线连接；

5、所述时序同步控制器分别连接激光器、成像器件、温控驱动器。

6、进一步的，在风洞试验段进风方向安装风幕，且风幕设置在ito加热观察窗的上侧。

7、进一步的，所述ito加热观察窗包括玻璃基底、透明导电加热膜、可见光抗反射膜、温度传感器；

8、所述玻璃基底的上侧具有透明导电加热膜，所述透明导电加热膜的两端分别设置有第一母线、第二母线，所述玻璃基底的下侧设置有可见光抗反射膜，所述温度传感器贴装于所述玻璃基底的非视场位置。

9、进一步的，所述透明导电加热膜在ito加热观察窗上呈分区图案，包括位于中央的中心透光区与环绕所述中心透光区的外围加热环带；所述中心透光区不被所述透明导电加热膜覆盖或者所述中心透光区上所述透明导电加热膜的方块电阻不小于所述外围加热环带的5倍且不小于100ω/sq；

10、所述第一母线与所述第二母线分别连接外围加热环带的两侧，使加热电流仅流经外围加热环带；外围加热环带方块电阻在10ω/sq–50ω/sq范围内、施加12v–48v直流电压，加热功率密度在500w/m²–3000w/m²范围内连续可调。

11、进一步的，所述外围加热环带为单环带、径向多环带、辐射条带阵列、棋盘格阵列中的任一种图案；所述图案通过激光刻蚀、湿法刻蚀或掩膜溅射形成。

12、进一步的，所述时序同步控制器控制激光器的脉冲触发信号、成像器件的曝光触发信号、以及温控驱动器的加热使能信号，并配置为：在粒子图像测速的激光脉冲发射期及相机曝光期内强制断开温控驱动器的加热使能信号，使透明导电加热膜处于断电状态；在两组相邻测量帧组之间的间隙期内接通所述加热使能信号；以及在下一测量帧组开始之前预留一段断电等待期，使ito加热观察窗内表面侧因加热形成的热边界层耗散。

13、进一步的，所述间隙期内的加热持续时间为5秒–60秒，所述断电等待期为0.5秒–5秒；所述温控驱动器配置温度反馈控制环路，使ito加热观察窗内表面侧的加热目标温度维持在加热目标温度±5℃以内。

14、进一步的，对所述透明导电加热膜实施加热包括2种模式中的1种或2种；

15、时序解耦模式：在两组相邻测量帧组之间的间隙期内，对所述透明导电加热膜通电，使ito加热观察窗内表面侧升温至加热目标温度并持续5秒–60秒，所述间隙期内沉积于所述ito加热观察窗内表面的示踪液滴蒸发去除；其后断电0.5秒–5秒，使加热引起的热边界层耗散至不影响粒子图像测速精度的水平后，开始下一测量帧组的图像采集；

16、空间解耦模式：对呈分区图案的所述透明导电加热膜中外围加热环带连续通电，使中心透光区内表面温度持续高于所述加热目标温度；同时启动风幕，将外围加热产生的热边界层吹离粒子图像测速的有效测量区。

17、本发明的有益效果：

18、本发明所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，从源头延长无人工干预试验时长：在常规dehs/橄榄油示踪粒子浓度下，可将连续测量时长由通常的0.5小时–2小时延长至8小时，对长时间稳态边界层、大数据量统计piv、汽车风洞声学段等场景尤其有意义。

19、本发明所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，不影响piv测速精度：通过时序解耦或空间解耦策略，加热引起的热边界层不进入有效测量时段或不进入有效测量区域，对piv矢量计算的影响可控制在测量误差以下。不损害激光路径：激光—相机分窗设计完全规避对piv激光路径的镀膜损耗与潜在损伤；激光入射窗不设置透明导电加热膜，所以高v-ar透过率与观察窗的中等导电膜阻抗可分别优化，互不掣肘。

20、本发明所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，结构简单、成本低：透明导电加热玻璃为产业链成熟的商品，按piv观察窗尺寸定制（200mm–500mm见方）的商业可行性已被验证；时序同步控制器可由通用脉冲发生器实现，可由通用pid控制器实现。本发明适用粒子种类广：可对癸二酸二（2-乙基己基）酯（dehs）、橄榄油、水雾、甘油雾等多种示踪剂通用，加热目标温度根据示踪剂饱和蒸气压选定。本发明可与现有手段兼容：可与疏液涂层、双层窗结构、自适应背景检测等手段协同；可适配2d-piv、立体piv、断层piv等多种几何布置。

1.一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，其特征在于，包括激光器（20）、激光入射窗（22）、成像器件（30）、ito加热观察窗（40）、温控驱动器（50）、时序同步控制器（60）；

2.根据权利要求1所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，其特征在于，在风洞试验段（10）进风方向安装风幕（70），且风幕（70）设置在ito加热观察窗（40）的上侧。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，其特征在于，所述ito加热观察窗（40）包括玻璃基底（41）、透明导电加热膜（42）、可见光抗反射膜（43）、温度传感器（46）；

4.根据权利要求3所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，其特征在于，所述透明导电加热膜（42）在ito加热观察窗（40）上呈分区图案，包括位于中央的中心透光区与环绕所述中心透光区的外围加热环带；所述中心透光区不被所述透明导电加热膜（42）覆盖或者所述中心透光区上所述透明导电加热膜（42）的方块电阻不小于所述外围加热环带的5倍且不小于100ω/sq；

5.根据权利要求4所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，其特征在于，所述外围加热环带为单环带、径向多环带、辐射条带阵列、棋盘格阵列中的任一种图案；所述图案通过激光刻蚀、湿法刻蚀或掩膜溅射形成。

6.根据权利要求5所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，其特征在于，所述时序同步控制器（60）控制激光器（20）的脉冲触发信号、成像器件（30）的曝光触发信号、以及温控驱动器（50）的加热使能信号，并配置为：在粒子图像测速的激光脉冲发射期及相机曝光期内强制断开温控驱动器（50）的加热使能信号，使透明导电加热膜（42）处于断电状态；在两组相邻测量帧组之间的间隙期内接通所述加热使能信号；以及在下一测量帧组开始之前预留一段断电等待期，使ito加热观察窗（40）内表面侧因加热形成的热边界层耗散。

7.根据权利要求6所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，其特征在于，所述间隙期内的加热持续时间为5秒–60秒，所述断电等待期为0.5秒–5秒；所述温控驱动器（50）配置温度反馈控制环路，使ito加热观察窗（40）内表面侧的加热目标温度维持在±5℃以内。

8.根据权利要求7所述的一种用于粒子图像测速测试的ito加热式观察窗系统，其特征在于，对所述透明导电加热膜（42）实施加热包括2种模式中的1种或2种；