PIV系統CCD相機位移調整機構的設計

王成軍，江平

(沈陽航空航天大學航空航天工程學部，遼寧沈陽110136)

20世紀70年代末發展起來的PIV測速技術，是一種全場非接觸式、瞬態新流場型測速技術，它突破了傳統單點測量限制，實現了對空間瞬態流場的實時測量［1］。目前，PIV技術已經成為流場測試中的主流技術，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，將激光器產生的片光源入射到流場待測區域，形成光照平面，用CCD相機以垂直片光源的方向對準該區域，記錄下兩次激光脈沖曝光時粒子位置信息的圖像，利用互相關統計技術求取查問區內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，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轉化為米m/s。因此，成功應用PIV技術的關鍵之一是CCD相機的安裝、拍照的可靠性和穩定性，這也是獲取準確試驗數據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相機位移調整機構，以便更好地實現PIV技術在流場測量中的應用。

1 PIV系統現場安裝要求和工作環境

以下介紹的是由美國TSI公司生產的2D-PIV系統，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，門外設置激光警示標志。其測量精度為0.2%，最大測量區域為500 mm×500 mm。其基本組成部件有:計算機及相關的軟件、同步控制器、雙脈沖Nd:YAG激光器及導光臂、CCD相機、光學組件等。各組件間連接方式如圖1所示。

圖1 PIV系統組成圖

該系統必須根據所測流場來確定CCD相機的安裝、固定位置，所以該位移調整機構必須能在三維空間，即X、Y、Z3個位移方向上對CCD相機進行自由調節;為使CCD相機拍攝區域與激光片光垂直，則當機構確定位置后，相機固定底座還應能自由旋轉角度，使其進行微調;為更好地適應測試流場區域，方便整個機構移動、安裝，該機構必須結構簡單，空間占有小，靈活操作。

2 機械結構設計

為使該位移調整機構結構設計簡單化，加工更方便，三維空間上3個方向 (X、Y、Z)的驅動機構采用了一樣的設計結構，均為絲杠驅動，且大多采用標準件。該機構總長1 060 mm，寬1 060 mm，高785 mm，能在900×900×800 mm空間范圍內對CCD相機位置進行調整。分為上、中、下三層，其中:上、中層進行X、Y(水平二維)方向位移調整，驅動絲杠水平放置且相互垂直;下層為Z(豎直)方向，驅動絲杠豎直放置且安裝在整個機構支撐立柱橫梁上，各方向絲杠驅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整時，可以將該機構最上層拆下，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整。該機構整體結構如圖2所示。

圖2 整體結構圖

2.1 水平方向位移調整機構設計

X、Y(水平)方向位移調整機構結構，如圖3所示。

X、Y(水平)方向上互相垂直，中部位移調整機構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整構。通過手搖驅動絲杠，進而帶動中間的移動滑塊，從而使頂上的位移機構在長橫梁導軌上移動。上部位移調整機構驅動原理和中部一樣，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整時，可以拆掉上部，這樣更可以節省機構所占實驗室空間，使操作更加簡單、方便。

圖3 水平方向位移調整結構圖

2.2 豎直方向位移調整機構設計

Z(豎直)方向位移調整機構結構，如圖4所示。

圖4 豎直方向位移調整結構圖

一對垂直方管，在頂部用一主橫梁將其連接，作為整個位移調整機構的支撐。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軌，通過手搖驅動中間的絲杠，帶動底部橫梁，從而使豎直管頂起頂部的水平方向連接塊，進而實現豎直方向的位移調整。該機構支撐設計將傳統的四腿支撐改為質兩腿支撐，這樣更節省空間，減輕機構整體質量，更利于對機構的安裝移動。

2.3 相機固定底座設計

為使CCD相機能在空間內具有更好的位移調整能力，該機構所設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，使定位更精確，位移調整范圍更廣［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，從而可實現其繞垂直方向360°自由旋轉，并帶有自鎖螺母用于上圓盤定位，如圖5所示。

圖5 CCD相機固定底座結構圖

2.4 該位移調整機構特點

該位移調整機構設計有以下特點:

(1)該機構整體結構簡單，各線位移機構正交疊加、結構緊湊，所占空間少。

(2)該機構采用標準不銹鋼方管材料制成，減輕了機構質量，方便拆裝、移動，且大多使用標準件，通用性強，方便對該機構的維護和檢修。

(3)該機構設計為對稱結構，通過手搖絲杠驅動，使系統更加簡單，操作方便，運行平穩，實現精確定位，能使相機快速調整到所需工作狀態。

(4)該機構能使CCD相機安裝在相機支座上，能實現繞垂直軸的360°自由旋轉，使系統定位更加精確，增加了系統CCD相機的位移調整范圍。

(5)該機構各處均為活性連接，便于拆裝，不需要在三維空間調節時，可將機構頂部機構拆下，用作二維使用更靈活;在系統不使用時，可拆裝放好。

3 試驗

利用新設計的CCD相機位移調整機構所進行的PIV流場測試試驗，如圖6所示。該機構在調整過程中，運行平穩，操作靈活，能有效、準確將CCD相機調整到所需位置使其固定。通過該試驗，驗證了該機構在PIV流場測試試驗中的可操作性和實用性，實現了在三維空間內對CCD相機安裝位置的自由調整，使整套系統更加簡單，操作方便，使拍照效果更加清晰。

圖6 PIV流場測試試驗

4 結束語

通過對PIV測速原理的研究，結合對PIV系統布置環境的考察，設計了CCD相機位移調整機構，并用其進行了PIV流場測試試驗。結果表明，該設計能滿足PIV系統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PIV技術，整套機構在操作方法簡單，利于拆裝，并能實現較高的標定精度，能夠滿足PIV在流場測試中的工作要求，使整個系統更加高效，測量結果更加準確。

［1］范潔川.近代流動顯示技術［M］.北京:國防工業出版社，2002.

［2］楊小林，嚴敬.PIV測速原理與應用［J］.西華大學學報，2005，24(1):19 －21.

［3］歐陽長春，張春華.CCD相機移測裝置的設計［J］.兵工自動化，2009，28(11):71 －73.

［4］祝明紅，張鈞.PDPA移測架系統的研制與應用［M］.中國空氣動力研究與發展中心，2004.

［5］成大先.機械設計手冊［M］.北京:化學工業出版社.2002.