粒子图像测速装置的制作方法

1.本实用新型属于发动机测试技术领域，尤其涉及一种粒子图像测速装置。


背景技术：

2.为了缩短发动机开发流程，需要利用相应的光学测试仪器对发动机进行测试，比如，可以通过三维粒子图像测速系统(3d
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piv)对发动机内流体的速度信息进行测试。
3.三维粒子图像测速系统通常包括透明流道、光源、ccd相机以及控制装置等零部件。测试过程中，需要将流道放入发动机内的流体中，使混合有示踪粒子的流体可以从流道的中空部位流过，同时光源向流道内投射片状光线，然后再通过ccd相机对流道内片光线所投射区域进行拍摄以得到相应的图像信息，该图像信息可以传输至控制装置，控制装置会对接收到的图像信息进行相应的处理，进而得到片光线投射区域的流体中标定粒子的速度信息，而标定粒子的速度信息便为片光线所投射区域的流体的速度信息。在实际测试时，通常会利用这个区域的流体的速度信息来代表整个流道内的流体速度信息。由于使用两台ccd相机，通过不同拍摄角度拍摄片光线所处照射平面，且片光线在流道内投射区域也具有微小的厚度，所以可以通过图像处理的方法得到该平面处流体的三维速度信息，其中片光线在流道内投射区域的厚度是指该投射区域在流道长度方向上的尺寸。
4.但是，片光线在流道内投射区域的厚度较小，片光线在流道内投射区域的流体的速度信息不能真实的反应出流体在整个流道内所有位置的速度信息，因此上述的三维粒子图像测速系统所测得的整个流道内的流体的速度信息与真实情况相比偏差较大。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有三维粒子图像测速系统测试得到的整个流道内流体的速度信息与流体的真实速度信息相比偏差较大的问题，提供一种粒子图像测速装置。
6.为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种粒子图像测速装置，该粒子图像测速装置包括流道、发光模组、片光平移镜、摄像模组、驱动模组以及控制模组；所述流道用于放置在发动机内的流体中，所述流道具有可供流体流过的中空部；所述发光模组和所述片光平移镜均设置在所述流道的外侧，所述发光模组发出的片状成像光线穿过所述片光平移镜后投射至所述流道的中空部内；所述摄像模组用于接收所述流道内的流体反射的所述成像光线，以得到图像信息；所述控制模组用于接收所述图像信息；所述驱动模组用于驱动所述片光平移镜移动，以改变所述成像光线在所述流道上的投射位置。
7.本实用新型实施例提供的粒子图像测速装置在测试时，片光平移镜每移动一次，控制模组便可以获取此位置时成像光线投射区域的流体的速度信息，片光平移镜经过多次移动后，控制模组便可以得到流道长度方向上多个区域流体的流速信息，各区域流体的速度信息综合在一起，便为流道内流体的立体的速度信息，这个立体的速度信息更能反映流道内流体的真实速度信息，从而可以使测量结果更加精准。
8.为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了另外一种粒子图像测速装置，该粒子图像测速装置包括发光模组、流道、摄像模组、驱动模组以及控制模组；所述流道用于放置在发动机的流体中，所述流道具有可供流体流过的中空部；所述发光模组设置在所述流道的外侧，用于向所述流道的中空部投射片状成像光线；所述摄像模组用于接收从所述流道内的所述示踪粒子所反射的所述成像光线，以得到相应的图像信息；所述控制模组用于接收所述图像信息，以获取所述示踪粒子的速度信息；所述驱动模组与所述发光模组相接，以驱动所述发光模组移动，进而改变所述成像光线在所述流道上的投射位置。
9.本实用新型实施例提供的粒子图像测速装置在测试时，发光模组每移动一次，控制模组便可以获取此位置时成像光线投射区域的流体的速度信息，发光模组经过多次移动后，控制模组便可以得到流道长度方向上多个区域流体的流速信息，各区域流体的速度信息综合在一起，便为流道内流体的立体的速度信息，这个立体的速度信息更能反映流道内流体的真实速度信息，从而可以使测量结果更加精准。
附图说明
10.图1是本实用新型一实施例提供的粒子图像测速装置的结构示意图；
11.图2是本实用新型一实施例提供的粒子图像测速装置中的透镜组的结构示意图；
12.图3是本实用新型另一实施例提供的粒子图像测速装置中的透镜组的结构示意图。
13.说明书中的附图标记如下：
14.100、粒子图像测速装置；10、流道；20、发光模组；30、片光平移镜；40、摄像模组；50、驱动模组；60、控制模组；1、第一驱动单元；2、第二驱动单元；21、电机；22、丝杆机构；23、导向机构；24、支撑件；3、接收单元；4、发光单元；5、导光臂；6、片光生成器；7、连接件；8、透镜组；81、第一柱面透镜；82、第二柱面透镜；83、光轴；84、第一平面镜；85、第二平面镜； 9a、控制器；9b、计算机。
具体实施方式
15.为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
16.如图1所示，在一实施例中，粒子图像测速装置100包括流道10、发光模组20、片光平移镜30、摄像模组40、驱动模组50以及控制模组60。
17.流道10可以是由亚克力等透明材料制成的直管，其横截面可以是正方形、圆形等。使用时，流道10放置在流体中，使得流体能够从流道10的中空部位流过。当粒子图像测速装置100用于对发动机内的流体的流速进行测试时，流道10放置在发动机内。
18.发光模组20可以向外投射片状成像光线，片光平移镜30位于发光模组20 的出光侧，发光模组20发出的成像光线穿过片光平移镜30后投射至流道10的中空部内。其中，通常情况下，成像光线的片光平面与流道10的长度方向垂直。
19.摄像模组40用于接收流道10内的流体所反射的成像光线，并根据接收到的成像光线得到相应的图像信息。实际上，为了检测需要，流体中通常混合有相应的示踪粒子，摄像
模组40实际上是接收流道内的示踪粒子反射的成像光线以获取相应的图像信息。
20.控制模组60与摄像模组40相接，用于接收摄像模组40产生的图像信息，并可以对图像信息进行相应的处理以获取示踪粒子的速度信息，其中，示踪粒子的速度信息便可以代表示踪粒子所在区域的流体的速度信息。
21.驱动模组50与片光平移镜30相接，可以驱动片光平移镜30沿流道10的长度方向移动，进而改变片成像光线在流道10的长度方向上的投射位置。测试时，片光平移镜30每移动一次，控制模组60便可以获取此位置时成像光线投射区域的示踪粒子的速度信息，其中，失踪粒子的速度信息即为该失踪粒子所在区域的流体的速度信息。片光平移镜30经过多次移动后，控制模组60便可以得到流道10长度方向上多个区域流体的流速信息，各区域流体的速度信息综合在一起，便可以得到流道10内流体的立体的速度信息，这个立体的速度信息更能反映流道10内流体的真实速度信息，从而可以使测量结果更加精准。
22.另外，在一实施例中，驱动模组50还与摄像模组40相接，以驱动摄像模组40沿流道10的长度方向移动。在片光平移镜30移动一定距离后，也使摄像模组40同向移动相同的距离，使得摄像模组40和片光平移镜30之间的位置保持不变，进而使成像光线在流道10上的投射区域与摄像模组40之间的间距不变，这样更方便在片光平移镜30移动后可以将摄像模组40移动至合适位置。比如摄像模组40在第一次拍摄时焦距调整的较为合适，后续只要保证摄像模组 40和片光平移镜30沿流道10长度方向移动相同的距离，便可以使摄像模组能够始终以合适的焦距进行拍摄。
23.如图1所示，在一实施例中，驱动模组50包括第一驱动单元1和第二驱动单元2；第一驱动单元1与片光平移镜30相接，以驱动片光平移镜30沿流道 10的长度方向移动；第二驱动单元2与摄像模组40相接，以驱动摄像模组40 沿流道10的长度方向移动。即在本实施例中，采用两个驱动单元分别来驱动片光平移镜30和摄像模组40移动，这样可以根据实际情况将两个驱动单元、片光平移镜30以及摄像模组40设置在合适的位置，避免粒子图像测速装置100 的各零部件过于集中，方便粒子图像测速装置100的生产组装。
24.如图1所示，在一实施例中，驱动模组还包括连接单元3，连接单元3设置在第二驱动单元2的上，摄像模组40设置在连接单元3上，第二驱动单元2能够驱动连接单元3和摄像模组40沿流道10的长度方向同步移动；连接单元3 用于将摄像模组40和第二驱动单元2连接在一起，使得摄像模组40能够相对第二驱动单元2转动，并能够在摄像模组40相对第二驱动单元2转动一定角度后，将摄像模组40和第二驱动单元2锁定在一起。
25.在一实施例中，连接单元3可以采用万向球结构，万象球结构包括球座，球体以及锁紧螺栓。球座安装在第二驱动单元2上，球体安装在球座内，摄像模组40安装在球体上，球体相对球座万象转动时，可以使摄像模组40相对第二驱动单元2万象转动。另外，球座上设有螺纹孔，锁紧螺栓与螺纹孔配合。锁紧螺栓可以伸入球座内以抵触在球体上，进而将摄像模组40和第二驱动单元 2锁定在一起。
26.如图1所示，在一实施例中，摄像模组40设置有两个，这两个摄像模组40 分别从不同角度接收流道10内的示踪粒子所反射的成像光线以进行成像，最后这两个摄像模组40都可以得到相应的图像信息；控制模组60可以接收这两个图像信息，并通过相应的图像处理方法对这两个图像信息进行融合等处理以获取流体的速度信息，其中对图像处理的方法的可以采用现有技术，本实施例在此不做过多说明。在实际测试时，由于成像光线在流道10内
投射区域也具有微小的厚度，所以片光平移镜30每一次移动后，可以通过上述图像处理方法得到成像光线投射区域的流体的三维速度信息，这样片光平移镜30经多次移动后，控制模组60便可以得到流体立体的三维速度信息。其中，成像光线在流道10 内投射区域的厚度是指该投射区域在流道10长度方向上的尺寸。
27.对应的，如图1所示，第二驱动单元2也设置有两个，其中一个第二驱动单元2与其中一个摄像模组10相接，以驱动该摄像模组40沿流道10的长度方向移动；另一个第二驱动单元2与另一个摄像模组40相接，以驱动该摄像模组 40沿流道10的长度方向移动。同样的，连接单元3也设置有两个，一个连接单元3将一个摄像模组40与一个第二驱动单元2连接在一起。
28.在上述各实施例中，摄像模组40可以采用高频ccd相机，第一驱动单元1 和第二驱动单元2均为直线驱动单元，二者均可以采用丝杆驱动单元，其中，丝杆驱动单元包括电机21、丝杆机构22、导向机构23以及支撑件24等零部件。电机21和导向机构23的导向部安装在支撑件24上，丝杆机构22的丝杆与电机21主轴相接，丝杆机构22的螺母与导向机构23的活动部相接，ccd相机安装在丝杆机构22的螺母上。电机21可以是伺服电机21，导向机构23的导向部可以是导杆，活动部可以是滑块。另外，上述第一驱动单元1可以采用与第二驱动单元2相同的设置。
29.可以理解的，上述各实施例中，流道10、发光模组20、摄像模组40以及控制模组60可以组成现有的平面3d
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piv测速系统，而本实施例相当于是在现有的3d
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piv测速系统中额外添加了片光平移镜30和驱动模组50，这样可以实现在不额外增加摄像模组与复杂的后续处理软件的情况下，实现平面3d
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piv到立体3d
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piv的升级。
30.如图1所示，在一实施例中，发光模组20包括发光单元4、导光臂5以及片光成型器8，三者均设置在第一驱动单元1上，导光臂5的一端与发光单元4 相接，导光臂5的另一端与片光成型器8相接，通过导光臂5可以将发光单元发出的线状成像光线引导至片光成型器8，片光成型器8用于将射入的线状成像光线转换为片状成像光线，片光平移镜30位于片光成型器8的出光侧，从片光成型器8射出的光线穿过片光平移镜30后向流道10投射。
31.如图1和图2所示，在一实施例中，片光平移镜30包括连接件7和透镜组 8，连接件7设置在驱动模组50上，透镜组8设置在连接件7上。其中，连接件7为一透明壳体结构，透镜组8包括第一柱面透镜81和第二柱面透镜82，第一柱面透镜81和第二柱面透镜82均设置在透明外壳内。
32.第一柱面透镜81的光轴83与第二柱面透镜82的光轴83同轴，在实际产品中这两个柱面透镜可以是完全相同的透镜。另外，第一柱面透镜81和第二柱面透镜82间隔设置，从片光生成器6传出的片状成像光线依次穿过第一柱面透镜81和第二柱面透镜82后投射至流道10。可以理解的，第一柱面透镜81和第二柱面透镜82的光轴83实际上是一平面，两个柱面透镜的光轴同轴实际上是指这两个柱面透镜的光轴面为同一平面。
33.通过对第一柱面透镜81和第二柱面透镜82之间间距的合适设置，使得成像光线从光轴83的一侧射入第一柱面透镜81，且从第一柱面透镜81射出的成像光线能够从光轴83的另一侧射入第二柱面透镜82。在该实施例中，成像光线在经过对第一柱面透镜81和第二柱面透镜82的称折射，可以使射向第一柱面透镜81的成像光线与射出第二柱面透镜82的成像光线平行。
34.在图2中，实线箭头代表透镜组8移动之前成像光线的传播路线，虚线箭头代表透镜组8移动之后成像光线的传播路线，当透镜组8沿流道10的轴向移动时，射向第一柱面透镜81的成像光线可能会靠近光轴83，此时射出第二柱面透镜82的成像光线也会向光轴83靠近，这样便可以改变成像光线在流道10上的投射位置。当然，透镜组8沿流道10的轴向移动时，射向第一柱面透镜81 的成像光线也可能会远离光轴83，此时射出第二柱面透镜82的成像光线也会远离光轴83。另外，在实际使用时，射向第一柱面透镜81的成像光线的片光平面与光轴83的平面平行，流道10的长度方向与光轴83的平面垂直。
35.如图1所示，在一实施例中，控制模组60包括控制器9a和计算机9b。其中控制器9a可以是plc、单片机等，用于控制第一驱动单元1、第二驱动单元 2、摄像模组40、发光单元4等部件的工作，计算机9b与控制器9a可以通过数据线连接在一起，摄像模组40拍摄的图像信息会传输至计算机9b内，通过计算机9b内相应软件对图像信息进行相应的处理便可以得到流体的速度信息。
36.可以理解的，在其他实施例中，上述粒子图像测速装置的零部件也可以采用其他设置进行替换，比如：
37.在其他实施例中，上述的丝杆机构24也可以是采用齿轮齿条机构等可以将旋转运动转换为直线运动机构进行替换。
38.在其他实施例中，上述的第二驱动单元2也可以是只设置一个，此时第二驱动单元2可以驱动两个摄像模组40沿流道10的长度方向同步移动。同样的，驱动模组50也可以只有一个驱动单元，该驱动单元可以驱动摄像模组40和片光平移镜30沿流道10的长度方向同步移动。
39.在其他实施例中，片光平移镜30也可以采用如图3所示的设置方式，此时，片光平移镜30包括第一平面镜84和第二平面镜85，两个平面镜的反光面相互平行，且两个平面镜的反光面均与从片光生成器6传出的成像光线的片光平面成45
°
夹角设置。片光生成器6传出的成像光线传播至第一平面镜84的反光面后，被第一平面镜84反射至第二平面镜85的反光面，然后再经第二平面镜85 反射后投射至流道10。其中，图3中，实线箭头代表第二平面镜85移动之前成像光线的传播路线，虚线箭头代表第二平面镜85移动之后成像光线的传播路线。使用时，第一平面镜84与片光生成器6之间的位置关系保持固定，第二驱动单元2驱动第二平面镜85沿着流道10的长度方向移动，进而改变成像光线在流道10上的投射位置。其中，当第一驱动单元1采用上述第二驱动单元2的设置方式时，第二平面镜85可以是固定在第一驱动单元1的支撑件24上，第二平面镜85可以是固定在丝杆机构22的螺母上。
40.在其他实施例中，也可以不设置片光平移镜30，此时可以通过驱动模组50 直接驱动发光模组20沿流道10的长度方向移动。
41.在其他实施例中，发光模组20中也可以不设置导光臂5，此时，发光单元发出的成像光线可以直接传播至片光生成器6。
42.在其他实施例中，摄像模组40的数量也可以根据实际情况设置成1个、3 个或者4个等，此时，第二驱动单元2和连接单元3也设置为1个、3个或者4 个等，使得每一个摄像模组40都可以通过一个连接单元3与一个第二驱动单元 2连接在一起。
43.在其他实施例中，控制模组60中也可以只设置计算机9b，此时计算机9b 除了对摄像模组拍摄到的图像信息进行处理之外，还用于控制第一驱动单元1、第二驱动单元2、摄像
模组40、发光单元4等部件的工作。
44.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。