王成軍,江平
(沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部,遼寧沈陽110136)
20世紀70年代末發(fā)展起來的PIV測速技術(shù),是一種全場非接觸式、瞬態(tài)新流場型測速技術(shù),它突破了傳統(tǒng)單點測量限制,實現(xiàn)了對空間瞬態(tài)流場的實時測量[1]。目前,PIV技術(shù)已經(jīng)成為流場測試中的主流技術(shù),其測速的基本原理是基于最基本的流體速度測量方法,就是在所測流場中均勻散布示蹤粒子,以粒子速度代表所測流場流體的運動速度,將激光器產(chǎn)生的片光源入射到流場待測區(qū)域,形成光照平面,用CCD相機以垂直片光源的方向?qū)试搮^(qū)域,記錄下兩次激光脈沖曝光時粒子位置信息的圖像,利用互相關(guān)統(tǒng)計技術(shù)求取查問區(qū)內(nèi)粒子位移的大小和方向,從而得到流場中各點的速度矢量,并可相應(yīng)計算出其他運動參量,如流場速度矢量圖、速度分量圖、流線圖、漩度圖等[2]。進行PIV試驗時,首先必須對PIV系統(tǒng)進行標定,確定片光照射待測流場的位置和CCD相機的焦距,使其獲取清晰的圖像,同時拍攝標定圖像,利用PIV軟件對圖像進行計算以獲得像素與自然空間的比例系數(shù),將粒子的空間坐標尺寸以國際單位米 (m)替代圖像中的像素單位,使速度的單位由像素/s轉(zhuǎn)化為米m/s。因此,成功應(yīng)用PIV技術(shù)的關(guān)鍵之一是CCD相機的安裝、拍照的可靠性和穩(wěn)定性,這也是獲取準確試驗數(shù)據(jù)和提高試驗效率的重要保障[3]。為了滿足流場測量方式的多樣性以及PIV系統(tǒng)的高效和可靠性,使其能有效完成空間流場測量,迫切需要一種簡單、靈活的CCD相機移位和固定裝置,為此,研制了該CCD相機位移調(diào)整機構(gòu),以便更好地實現(xiàn)PIV技術(shù)在流場測量中的應(yīng)用。
以下介紹的是由美國TSI公司生產(chǎn)的2D-PIV系統(tǒng),至少20 m2的清潔房間一間,用于布置激光器、CCD相機、同步器和計算機等儀器,相對濕度要求10%~80%,溫度要求10℃~30℃。所有窗戶均需配置不透光窗簾,門外設(shè)置激光警示標志。其測量精度為0.2%,最大測量區(qū)域為500 mm×500 mm。其基本組成部件有:計算機及相關(guān)的軟件、同步控制器、雙脈沖Nd:YAG激光器及導(dǎo)光臂、CCD相機、光學(xué)組件等。各組件間連接方式如圖1所示。
圖1 PIV系統(tǒng)組成圖
該系統(tǒng)必須根據(jù)所測流場來確定CCD相機的安裝、固定位置,所以該位移調(diào)整機構(gòu)必須能在三維空間,即X、Y、Z3個位移方向上對CCD相機進行自由調(diào)節(jié);為使CCD相機拍攝區(qū)域與激光片光垂直,則當機構(gòu)確定位置后,相機固定底座還應(yīng)能自由旋轉(zhuǎn)角度,使其進行微調(diào);為更好地適應(yīng)測試流場區(qū)域,方便整個機構(gòu)移動、安裝,該機構(gòu)必須結(jié)構(gòu)簡單,空間占有小,靈活操作。
為使該位移調(diào)整機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單化,加工更方便,三維空間上3個方向 (X、Y、Z)的驅(qū)動機構(gòu)采用了一樣的設(shè)計結(jié)構(gòu),均為絲杠驅(qū)動,且大多采用標準件。該機構(gòu)總長1 060 mm,寬1 060 mm,高785 mm,能在900×900×800 mm空間范圍內(nèi)對CCD相機位置進行調(diào)整。分為上、中、下三層,其中:上、中層進行X、Y(水平二維)方向位移調(diào)整,驅(qū)動絲杠水平放置且相互垂直;下層為Z(豎直)方向,驅(qū)動絲杠豎直放置且安裝在整個機構(gòu)支撐立柱橫梁上,各方向絲杠驅(qū)動均采用人工手搖控制[4]。當空間受限或不需在三維空間進行位移調(diào)整時,可以將該機構(gòu)最上層拆下,將相機底座安裝在中間層移動滑塊上,對其進行二維位移調(diào)整。該機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 整體結(jié)構(gòu)圖
X、Y(水平)方向位移調(diào)整機構(gòu)結(jié)構(gòu),如圖3所示。
X、Y(水平)方向上互相垂直,中部位移調(diào)整機構(gòu)由兩根長方管連接上兩根短方管,形成一個中空的矩形,正好將絲杠通過短橫梁固定于中空處;移動滑塊組套在絲杠上并連接了上部位移調(diào)整構(gòu)。通過手搖驅(qū)動絲杠,進而帶動中間的移動滑塊,從而使頂上的位移機構(gòu)在長橫梁導(dǎo)軌上移動。上部位移調(diào)整機構(gòu)驅(qū)動原理和中部一樣,兩根長方管穿過中部移動滑塊組;兩端由兩根短橫梁墊起,用來固定驅(qū)動絲杠;再將兩根細長方管固定在短方管上作為相機底座移動軌道;移動滑塊組穿過絲杠,其上固定有相機底座,通過手搖驅(qū)動絲杠,進而帶動移動滑塊組,從而使相機底座在水平方向上自由調(diào)整位置。各部件之間都是通過螺栓連接,拆裝方便;當只需對CCD相機進行一個水平方向位移調(diào)整時,可以拆掉上部,這樣更可以節(jié)省機構(gòu)所占實驗室空間,使操作更加簡單、方便。
圖3 水平方向位移調(diào)整結(jié)構(gòu)圖
Z(豎直)方向位移調(diào)整機構(gòu)結(jié)構(gòu),如圖4所示。
圖4 豎直方向位移調(diào)整結(jié)構(gòu)圖
一對垂直方管,在頂部用一主橫梁將其連接,作為整個位移調(diào)整機構(gòu)的支撐。底下一根副橫梁連上兩根豎直細方管,作為豎直方向的移動導(dǎo)軌,通過手搖驅(qū)動中間的絲杠,帶動底部橫梁,從而使豎直管頂起頂部的水平方向連接塊,進而實現(xiàn)豎直方向的位移調(diào)整。該機構(gòu)支撐設(shè)計將傳統(tǒng)的四腿支撐改為質(zhì)兩腿支撐,這樣更節(jié)省空間,減輕機構(gòu)整體質(zhì)量,更利于對機構(gòu)的安裝移動。
為使CCD相機能在空間內(nèi)具有更好的位移調(diào)整能力,該機構(gòu)所設(shè)計的相機底座由兩個不銹鋼圓盤組成,使其能在垂直方向上進行360°自由旋轉(zhuǎn),使定位更精確,位移調(diào)整范圍更廣[5]。該底座下圓盤直接固定在可移動滑塊上,通過絲杠驅(qū)動,使其一起在中間軌道上自由滑行;上圓盤用螺栓與下圓盤連接,從而可實現(xiàn)其繞垂直方向360°自由旋轉(zhuǎn),并帶有自鎖螺母用于上圓盤定位,如圖5所示。
圖5 CCD相機固定底座結(jié)構(gòu)圖
該位移調(diào)整機構(gòu)設(shè)計有以下特點:
(1)該機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡單,各線位移機構(gòu)正交疊加、結(jié)構(gòu)緊湊,所占空間少。
(2)該機構(gòu)采用標準不銹鋼方管材料制成,減輕了機構(gòu)質(zhì)量,方便拆裝、移動,且大多使用標準件,通用性強,方便對該機構(gòu)的維護和檢修。
(3)該機構(gòu)設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu),通過手搖絲杠驅(qū)動,使系統(tǒng)更加簡單,操作方便,運行平穩(wěn),實現(xiàn)精確定位,能使相機快速調(diào)整到所需工作狀態(tài)。
(4)該機構(gòu)能使CCD相機安裝在相機支座上,能實現(xiàn)繞垂直軸的360°自由旋轉(zhuǎn),使系統(tǒng)定位更加精確,增加了系統(tǒng)CCD相機的位移調(diào)整范圍。
(5)該機構(gòu)各處均為活性連接,便于拆裝,不需要在三維空間調(diào)節(jié)時,可將機構(gòu)頂部機構(gòu)拆下,用作二維使用更靈活;在系統(tǒng)不使用時,可拆裝放好。
利用新設(shè)計的CCD相機位移調(diào)整機構(gòu)所進行的PIV流場測試試驗,如圖6所示。該機構(gòu)在調(diào)整過程中,運行平穩(wěn),操作靈活,能有效、準確將CCD相機調(diào)整到所需位置使其固定。通過該試驗,驗證了該機構(gòu)在PIV流場測試試驗中的可操作性和實用性,實現(xiàn)了在三維空間內(nèi)對CCD相機安裝位置的自由調(diào)整,使整套系統(tǒng)更加簡單,操作方便,使拍照效果更加清晰。
圖6 PIV流場測試試驗
通過對PIV測速原理的研究,結(jié)合對PIV系統(tǒng)布置環(huán)境的考察,設(shè)計了CCD相機位移調(diào)整機構(gòu),并用其進行了PIV流場測試試驗。結(jié)果表明,該設(shè)計能滿足PIV系統(tǒng)在流場測試中的工作特點,能更好地進行流場測量實驗和實現(xiàn)PIV技術(shù),整套機構(gòu)在操作方法簡單,利于拆裝,并能實現(xiàn)較高的標定精度,能夠滿足PIV在流場測試中的工作要求,使整個系統(tǒng)更加高效,測量結(jié)果更加準確。
[1]范潔川.近代流動顯示技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.
[2]楊小林,嚴敬.PIV測速原理與應(yīng)用[J].西華大學(xué)學(xué)報,2005,24(1):19 -21.
[3]歐陽長春,張春華.CCD相機移測裝置的設(shè)計[J].兵工自動化,2009,28(11):71 -73.
[4]祝明紅,張鈞.PDPA移測架系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[M].中國空氣動力研究與發(fā)展中心,2004.
[5]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2002.