【免费下载】粒子图像测速技术

粒子影像测速技术概述粒子影像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）技术是一种非侵入式流体力学测量方法，用于研究流体的运动和流场。

该技术通过在流体中悬浮微小颗粒，并利用激光照射和相机拍摄的方式，获得颗粒在不同时间间隔内的位置信息，从而推导出流体的速度场。

PIV技术的基本原理是利用流体中的颗粒作为标记物，在连续拍摄的图像序列中跟踪颗粒的运动轨迹，从而得到流体速度场的空间分布情况。

其中，激光光束被用来照射流体中的颗粒，通过相机拍摄颗粒图像，并计算相邻两幅图像中颗粒位置的变化，从而计算颗粒的位移和速度。

PIV技术的实施过程主要包括以下几个步骤：1.准备实验环境：选择合适的流场实验装置和流体介质，并在流体中悬浮微小颗粒，以便在图像中能够清晰地观察到颗粒的运动轨迹。

2.激光照射：通过激光光源照射流体，形成一个平面光束，并在流体中的颗粒上产生散射，从而在图像中形成明亮的颗粒光斑。

3.图像拍摄：使用高速相机或摄像机对照明的颗粒图像进行连续拍摄，并以一定的时间间隔记录图像序列。

4.图像处理：对连续的图像序列进行处理，包括背景校正、图像配准、颗粒定位等步骤，以获得颗粒位置信息。

5.数据分析：通过比较颗粒在不同时间间隔内的位置信息，计算颗粒的位移和速度，并进一步推导出整个流体区域的速度场分布。

PIV技术的优点在于它能够提供全场的速度信息，而不仅仅是单点或线性的数据。

这使得PIV技术在研究流体湍流、气动性能以及流体工程等领域具有广泛的应用。

同时，PIV技术还可以与其他测量技术相结合，如激光雷达、压力传感器等，以提供更加全面和准确的流体力学数据。

然而，PIV技术也存在一些局限性。

首先，要求流体中应有足够数量和密度的微小颗粒，以便在图像中清晰可见，这对于一些实验环境下的流体可能是困难的。

其次，由于颗粒在流体中的多次散射，会造成颗粒在一些位置上的位置模糊，从而影响速度计算的准确性。

总的来说，粒子影像测速（PIV）技术作为一种先进的非侵入式流体力学测量方法，具有高时空分辨率、全场测量等优点，被广泛应用于航空航天、水力学、气动学等领域的流体力学研究。

《现代流体测试技术》第九章粒子成像测速技术刘宝杰，于贤君2015年6月15日速度的定义是什么？能不能根据速度的定义直接测量速度？粒子图像测速技术：Particle Image Velocimetry简称PIVParticle Image Velocimetry 简称PIV典型的PIV原理图系统构成：PIV只能测量激光片光平面内的速度分量。

PIV 能干什么？加力燃烧室火焰稳定器流场：单点测量技术都能做到只有PIV技术能做到是一种全场测量技术，能够获得非定常流动的瞬态速度场。

测量速度快，周期短，成本低。

是一种先进的流场诊断技术。

激光散斑测速技术（固体力学）层流、射流和对流（流体力学）七十年代末八十年代初从而建立了流体力学的激光散斑测速技术！发现一般情况下添加的示踪粒子浓度不足以产生激光散斑！1984年：Pickering & HalliwellAdrianPIV技术诞生1985年全数字化的PIV和SPIV已经商品化1998年LDV PIV时间序列的空间单点测量在一个瞬时的空间多点测量时间统计平均瞬时速度场，由多个速度场平均获得统计平均数据由测量移动已知距离的时间来获得速度测量已知时间内粒子位移来获得速度测量统计的尺寸决定了空间分辨率最大的图象位移给出了空间分辨率测量时间长，实验消耗大测量时间短，实验消耗小对于粒子的跟随性要求相同选择的标准是什么？散射特性好跟随性好双腔的Nd：YAG激光器•脉冲光，10ns•能量高，50~1000mJ•频率较低，10~30Hz其它光源为什么要用脉冲光？3．图像记录•胶片式照相机•数码照相机（CCD,CMOS）4．图像处理：4．图像处理：4．图像处理：4．图像处理：1.杨式条纹法2.自相关方法3.互相关方法PIV图像分析过程示意图4．图像处理：4．图像处理：He－Ne激光器杨氏条纹观测平面CCD摄像机L1L2二维扫描移动支架三维扫描移动支架控制电机图像处理计算机PIV底片杨氏条纹法自动判读系统示意图4．图像处理：自相关(Auto-Correlation)方法两次Fourier变换的结果最大峰值和次大峰值之间的距离即为粒子的位移！自相关第二次FFT变换方向如何确定？有噪音后会是什么情况？互相关第三次FFT变换4．图像处理：互相关（Cross-Correlation）方法方向如何确定？有噪音后是什么情况？自相关和互相关的对比#空间分辨率高；#测量的动态范围大；#查问域的偏移量允许有更多的有效粒子对；#不需要像移装置。

piv粒子测速仪技术参数
PIV（Particle Image Velocimetry）粒子测速仪是一种常用的
流体力学实验技术，用于测量流体中的速度场分布。

以下是一些常
见的 PIV 粒子测速仪的技术参数：
1. 分辨率：PIV 粒子测速仪的分辨率是指它能够检测到的最小
速度变化。

通常以像素/距离的形式表示，例如 1 pixel/mm。

2. 采样率：采样率指的是测速仪在单位时间内进行测量的次数。

它决定了测速仪对流体速度变化的响应能力。

3. 测量范围：测量范围是指测速仪可以有效测量流体速度的区
域大小。

它通常由测速仪的光学系统和图像传感器决定。

4. 粒子浓度：粒子浓度是指在测量中所使用的示踪粒子的浓度。

适当的粒子浓度可以提高图像的质量和测量的准确性。

5. 曝光时间：曝光时间是指光源照射示踪粒子的时间。

适当的
曝光时间可以保证图像清晰度和示踪粒子的轨迹清晰可见。

6. 图像处理算法：PIV 粒子测速仪通常使用图像处理算法来分析图像序列，提取流体速度信息。

常见的算法包括互相关算法和基于相关峰的算法。

这些是一些常见的 PIV 粒子测速仪的技术参数，不同型号的测速仪可能会有一些差异。

在选择和使用 PIV 粒子测速仪时，需要根据实际需求和实验条件来确定合适的技术参数。

PIV实验技术报告摘要：本文介绍了PIV（粒子图像测速）实验技术的原理、仪器设备、实验过程和数据处理方法。

通过PIV实验，可以精确地测量流体介质中的速度分布，并对流场的运动特性进行分析和研究。

实验结果表明，PIV技术是一种高精度、高分辨率的流场测量方法，对于流体力学研究和工程应用具有重要意义。

1.引言粒子图像测速(PIV)是一种用于测量流体介质中速度场分布的非接触式测量方法。

它通过在流场中添加颗粒或通过实验液体中的已有颗粒来测量流场中颗粒的运动轨迹，并利用计算算法来获得流场中的速度矢量场。

本文主要介绍PIV技术的原理、仪器设备、实验过程和数据处理方法。

2.原理PIV实验的基本原理是通过拍摄两幅连续时间间隔极短的图像，再通过计算机处理这两幅图像来获得流场速度分布。

实验中，通过成像装置将流场中的颗粒的二维图像记录下来，并通过图像处理软件对这些图像进行处理，得到颗粒运动的位移信息。

根据颗粒在两幅图像中的位置变化以及两幅图像之间的时间间隔，可以计算出流场中颗粒的平均速度。

3.仪器设备PIV实验所需的主要仪器设备有：激光器、摄像机、成像装置、实验容器和图像处理软件。

激光器用于提供激光光源，摄像机用于捕捉流场中颗粒的图像，成像装置用于将颗粒的图像传送给摄像机进行记录，实验容器用于容纳流体介质，图像处理软件用于对图像进行处理和分析。

4.实验过程PIV实验的基本步骤包括：实验准备、实验装置安装、调试系统、进行实验和数据处理。

实验前需要根据具体情况选择合适的颗粒，并进行流动性能测试以确定实验参数。

然后需要根据实验要求进行装置安装和调试，确保实验装置的稳定性和准确性。

实验过程中，通过激光照射流体中的颗粒，并通过摄像机记录颗粒的图像。

最后，通过图像处理软件对图像进行处理和分析，得到流场的速度分布数据。

5.数据处理方法PIV实验得到的数据需要经过一系列处理方法来提取有用的流场信息。

数据处理方法包括：图像预处理、图像匹配、自相关分析、位移矢量计算和速度矢量分析。

基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究【摘要】本研究基于粒子图像测速技术(PIV)，通过砂箱物理模拟实验探究颗粒在不同特定流场下的运动规律。

在实验设计中，我们搭建了流动场装置，并通过PIV技术实时捕捉颗粒运动图像。

测速原理部分介绍了PIV技术的工作原理及应用。

在数据处理方法中描述了如何处理和分析实验数据，结果分析部分详细探讨了实验结果及颗粒运动规律。

实验验证部分通过与理论模型对比进行验证。

最后结论部分总结了实验结果，展望了PIV技术在地质工程领域的应用前景。

本研究将深入探讨颗粒在复杂流场下的运动规律，为解决地质工程中的颗粒运动问题提供理论支持。

【关键词】粒子图像测速技术(PIV)、砂箱物理模拟、实验设计、测速原理、数据处理方法、结果分析、实验验证、实验结果总结、技术应用展望、研究背景、研究意义1. 引言1.1 研究背景随着科学技术的不断进步，粒子图像测速技术(PIV)在流体力学研究中得到了广泛应用。

砂箱物理模拟实验是一种常用的流体力学实验方法，通过在实验室环境中模拟真实的地质流体运动情况，可以帮助研究人员理解地下水流、地表水流、河道水流等现象的规律。

传统的砂箱物理模拟实验存在着一些局限性，比如实验数据获取困难、测速精度低等问题。

而基于粒子图像测速技术的砂箱物理模拟实验则能够更准确地获取流体速度场信息，提高实验数据的准确性和可靠性。

本研究旨在结合粒子图像测速技术和砂箱物理模拟实验，探讨如何应用PIV技术提高砂箱实验的测速精度，以及进一步揭示地下水流或地表水流等流体运动规律。

这将为地质工程领域提供更为准确的实验数据和分析方法，具有重要的理论和实践意义。

1.2 研究意义基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究具有重要的理论和应用价值。

通过这种技术可以精确地测量流体中颗粒的速度和运动轨迹，从而揭示颗粒在流场中的动力学行为和相互作用规律，为颗粒物理学和流体力学等领域的研究提供重要的实验数据。

热灾害实验技术粒子图像测速技术实验目的：测量流场的速度分布实验装置：摄像头，片光源，计算机实验原理与方法：互相关算法：根据DPIV 互相关算法理论，过一采样窗口，同一特定位置，可顺序获取两幅数字图像。

粒子的位移可从一幅图像到另一幅相对应的图像经互相关计算获得。

两幅顺序获取图像中相同位置的两个查问窗口函数 f(m ，n)和g(m ，n)，从信号系统的观点出发，g(m ，n)可以看作是f(m ，n)经线性转换后叠加以噪声而成，如图所示。

1、预先在流场中撒入一定浓度和大小的示踪粒子，用脉冲激光片光源照明二维流场，在垂直片光的方向上摄像，获得两次或者多次曝光的粒子图像。

2、对采取的图像使用Photoshop进行处理使之变成长宽为256x256的灰度图像，使用matlab和互相关算法编程，对图像进行处理，得到二维流场中速度矢量分布图。

实验结果：隔两帧得到的灰度图：得到速度矢量图如图所示：得到速度矢量图如图所示：源程序：function [XNum,YNum,AutoFlag]=g(a1,a2,OutFile) fid1=fopen('a1.jpg','r');fid2=fopen('a2.jpg','r');fid3=fopen('OutFile.jpg','w');XL=256;YL=256;frewind(fid1);Image1=fread(fid1,[XL,YL]);frewind(fid2);Image2=fread(fid2,[XL,YL]);WinSizeX=64;WinSizeY=64;DeltaX=16;DeltaY=16;XNum = (XL-WinSizeX)/DeltaX;YNum = (YL-WinSizeY)/DeltaY;a=3.4968e+006 +4.7425e-010i;frewind(fid3);for j1=1:YNum+1;for i1=1:XNum+1;CorrWin1=Image1((i1-1)*DeltaX+1:(i1-1)*DeltaX+WinSizeX,(j1-1)*Del taY+1:(j1-1)*DeltaY+WinSizeY);CorrWin2=Image2((i1-1)*DeltaX+1:(i1-1)*DeltaX+WinSizeX,(j1-1)*Del taY+1:(j1-1)*DeltaY+WinSizeY);F1=fft2(CorrWin1);F2=fft2(CorrWin2);S=F2.*conj(F1);Pks=ifft2(S);Pks=fftshift(Pks);Pks=Pks/a;if (i1==2)SURF(abs(Pks));pauseend[temp1,maxx]=max(Pks);[temp2,maxy]=max(temp1);if temp2==0.0 || abs(maxx(maxy)-WinSizeX/2-1)> WinSizeX/3.0 || abs(maxy-WinSizeY/2-1)>WinSizeY/3.0VX(i1,j1)=0;VY(i1,j1)=0;Corr(i1,j1)=0;elseTX=maxx(maxy);TY=maxy;Corr(i1,j1)=temp2;%---------用高斯拟合峰值的精确位置-----------y0=Pks(TX-1,TY); %横向y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX+1,TY);CX1=(y0-y2)/(2.0*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX,TY-1); %纵向y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX,TY+1);CY1=(y0-y2)/(2.0*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX-1,TY-1); %第一对角线y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX+1,TY+1);CX2=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));CY2=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX+1,TY-1); %第二对角线y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX-1,TY+1);CX3=-(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));CY3=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));%--------------------------------------------------VX(i1,j1)=TX+CX1+CX2+CX3-WinSizeX/2-1;VY(i1,j1)=TY+CY1+CY2+CY3-WinSizeY/2-1;endX(i1,j1)=WinSizeX/2+(i1-1)*DeltaX;Y(i1,j1)=WinSizeY/2+(j1-1)*DeltaY;%if(abs(Corr(i1,j1))>abs(a))% a=Corr(i1,j1);%end;fprintf(fid3,'%8.2f,%8.2f,%12.6f,%12.6f,%8.2f\n',X(i1,j1),Y(i1,j1 ),VX(i1,j1),VY(i1,j1),Corr(i1,j1));end%j1end%aquiver(X,Y,VX,VY);fclose(fid1);fclose(fid2);fclose(fid3);cx=5;cy=5;sigma=0;for j1=1:YNum+1,for i1=1:XNum+1,sx=cx*abs(VX(i1,j1)-cx)/(cx*cx+cy*cy);sy=cy*abs(VY(i1,j1)-cy)/(cx*cx+cy*cy);sigma=sigma+sqrt(sx*sx+sy*sy);endendsigma=sigma*100/((XNum+1)*(YNum+1)); %百分比[s,errmsg]=sprintf('sigma=%f\n',sigma);s。

粒子影像测速(PIV)技术概述1.PIV技术介绍1.1.引言目前为止，人类对流体力学仍有许多疑难问题，如对湍流、非定常流动等现象了解甚少，而在许多工程应用如飞行器外形设计、内燃机燃烧室中的多相流动等中又迫切需要解决这些问题，因而使流场测量问题变得极为重要。

流场测速新方法研究中，至今已发展了激光多普勒测速LDV(Laser Doppler Velocimetry)、粒子影像测速PIV(Particle Image Velocimetry)等技术。

LDV的综合性能较高，具有高精度、高分辨率和非接触测量等优点，通常作为仪器标校技术使用，但LDV只能实现单点测量。

PIV技术是一种全场、动态、非接触测量手段，已获得广泛使用，成功应用于风洞、水洞、水槽燃烧及喷射等实验中。

PIV研究始于上个世纪80年代，随着光学和计算机图像处理技术的迅猛发展，PIV取得了长足进步，测量精度已与LDV接近。

1.2.PIV原理图1是PIV 技术应用的简单原理图。

散播在流场中的跟随性及反光性良好的示踪粒子，由激光光束首先入射到一组球面透镜上，经聚焦后通过全反射镜至一组可调的柱面透镜形成具有一定厚度的片光，照亮流场中特定的区域，此时经过此区域的示踪粒子被照亮，通过CCD（CMOS）成像设备进行成像。

对这个特定的区域在一定时间间隔内利用图1 PIV简单原理图激光脉冲连续照亮两次，就能得到粒子在第一次照亮时间t 和第二次照亮时间t’的两个图像，对这两幅图像进行互相关分析，就能得到流场内部的二维速度矢量分布。

在利用PIV 技术测量流速时,需要在二维流场中均匀散布跟随性、反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子。

将激光器产生的光束经透镜散射后形成厚度约1 mm 的片光源入射到流场待测区域,CCD 摄像机以垂直片光源的方向对准该区域。

利用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像,形成两幅PIV 底片(即一对相同待测区域、不同时刻的图片) ,底片上记录的是整个待测区域的粒子图像。

PIV，全名：Particle Image Velocimetry，简单来说是一种二维的方式显示速度矢量，使流体可视化的一种测量技术。

该方法是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。

近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如CTA、LDA）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。

粒子图像测速系统（PIV）技术简介PIV流速测量范围为0.02~500.00m/s。

在流体力学领域中，流场测量技术与流场理论研究相辅相成，共同推进本学科的前进与发展。

但是该研究领域中湍流、涡流等复杂非定常流动的存在使得传统流场测量技术的单点测量，已经不能满足人们对流体流动认知的需求。

这就需要新的流场测量技术，实现流场测量由单点向多点、平面向空间、稳态向瞬态、单相向多相发展。

流场测量技术随着时代迅速发展，从20世纪初对湍流流动测量有开创性意义的热线热膜流速计（Hot Wire/Film Anemometer，HWFA）的出现。

到20世纪60年代，激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimetry，LDV）利用流场中粒子的Mie散射。

实现流场的无接触测量。

再到20世纪80年代，粒子图像测速技术（Particle ImageVelocimetry，PIV）实现了点向面的流场测量。

PIV技术是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学（水和空气）测速方法。

可以在同一瞬时记录下大量空间上的速度矢量分布信息，并可以提供丰富的流场空间结构和流动特性。

目前，PIV技术也是在不断的发展，从一个切面发展到一个容积空间、从平面二维速度矢量的二维切片发展到二维切片内三位速度矢量、从瞬间速度场的测量发展到一个连续时间过程内的速度场测量。

粒子图像测速系统（PIV）的基本原理PIV技术的基本原理是在待测流场中布散示踪粒子，示踪粒子代表流场空间中相应的流体质点，粒子会随着流场运动而运动，使用相机来记录不同时刻下示踪粒子的位置信息，通过计算机的图像处理算法分析相机所拍摄的粒子图片，将示踪粒子的位置信息和时间信息转换为流场流动的速度矢量信息，进而分析出流场的流动结构、涡量场等流动特性。

PIV，全名：Particle Image Velocimetry，简单来说是一种二维的方式显示速度矢量，使流体可视化的一种测量技术。

该方法是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。

近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如CTA、LDA）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。

粒子图像测速系统（PIV）技术简介PIV 流速测量范围为0.02~ 500.00 m/ s。

在流体力学领域中，流场测量技术与流场理论研究相辅相成，共同推进本学科的前进与发展。

但是该研究领域中湍流、涡流等复杂非定常流动的存在使得传统流场测量技术的单点测量，已经不能满足人们对流体流动认知的需求。

这就需要新的流场测量技术，实现流场测量由单点向多点、平面向空间、稳态向瞬态、单相向多相发展。

流场测量技术随着时代迅速发展，从20世纪初对湍流流动测量有开创性意义的热线热膜流速计（Hot Wire/Film Anemometer，HWFA）的出现。

到20世纪60年代，激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimetry，LDV）利用流场中粒子的Mie散射。

实现流场的无接触测量。

再到20世纪80年代，粒子图像测速技术（Particle ImageVelocimetry，PIV）实现了点向面的流场测量。

PIV技术是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学（水和空气）测速方法。

可以在同一瞬时记录下大量空间上的速度矢量分布信息，并可以提供丰富的流场空间结构和流动特性。

目前，PIV技术也是在不断的发展，从一个切面发展到一个容积空间、从平面二维速度矢量的二维切片发展到二维切片内三位速度矢量、从瞬间速度场的测量发展到一个连续时间过程内的速度场测量。

粒子图像测速系统（PIV）的基本原理PIV技术的最基本原理是在待测流场中布散示踪粒子，示踪粒子代表流场空间中相应的流体质点，粒子会随着流场运动而运动，使用相机来记录不同时刻下示踪粒子的位置信息，通过计算机的图像处理算法分析相机所拍摄的粒子图片，将示踪粒子的位置信息和时间信息转换为流场流动的速度矢量信息，进而分析出流场的流动结构、涡量场等流动特性。

piv粒子测速仪技术参数Piv粒子测速仪技术参数一、引言Piv粒子测速仪是一种用于测量流体中粒子速度和流场特性的先进仪器。

它通过激光照射和相机捕捉图像的方式，对流体中的微小颗粒进行跟踪，从而获得粒子的运动轨迹和速度信息。

本文将介绍Piv粒子测速仪的技术参数，包括分辨率、测速范围、测速精度、采样率和测量原理。

二、分辨率Piv粒子测速仪的分辨率是指其能够分辨的最小距离或最小尺寸。

一般来说，分辨率越高，粒子测速仪能够捕捉到更小的颗粒并更准确地测量其速度。

常见的Piv粒子测速仪分辨率范围在1-100像素之间，根据实际需要选择合适的分辨率。

三、测速范围Piv粒子测速仪的测速范围是指其能够测量的粒子速度范围。

不同型号的Piv粒子测速仪测速范围不同，一般可达0.1 m/s至100 m/s。

此外，还有一些高速型号的Piv粒子测速仪，可以测量更高速度范围的粒子。

四、测速精度Piv粒子测速仪的测速精度是指其测量结果与真实值之间的偏差。

测速精度受多种因素影响，包括光学系统的精度、图像处理算法的准确性等。

一般来说，Piv粒子测速仪的测速精度可以达到百分之一到百分之几。

五、采样率Piv粒子测速仪的采样率是指每秒钟测量的图像帧数。

采样率越高，可以提供更多的数据用于分析和处理。

常见的Piv粒子测速仪采样率在1 kHz至10 kHz之间，高速型号的Piv粒子测速仪采样率可达几十kHz。

六、测量原理Piv粒子测速仪的测量原理基于散射光的特性。

当激光照射到流体中的微小颗粒上时，颗粒会散射出光线，并形成一个散射光斑。

通过记录颗粒在不同时间间隔内的散射光斑位置，就可以计算出颗粒的位移和速度。

Piv粒子测速仪通常使用两个相机同时记录两个不同时刻的散射光斑图像，然后通过图像处理算法计算出颗粒的速度。

七、应用领域Piv粒子测速仪广泛应用于流体力学、空气动力学、水力学等领域的研究中。

例如，在风洞实验中，可以使用Piv粒子测速仪来测量飞行器表面周围的气流速度，从而评估其气动性能。

PIV（粒子图像测速）全名：Particle Image Velocimetry，简单来说是一种二维的方式显示速度矢量，使流体可视化的一种测量技术。

该方法是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。

近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如CTA、LDA）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。

PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场。

另外PIV 技术具有较高的测量精度。

由于PIV技术的上述优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课题，因而日益得到重视。

PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。

若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。

因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。

在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为：（1）比重要尽可能与实验流体相一致；（2）足够小的尺度；（3）形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀；（4）有足够高的光散射效率。

通常在液体实验中使用空心微珠或者金属氧化物颗粒，空气实验中使用烟雾或者粉尘颗粒（超音速测量使用纳米颗粒），微管道实验使用荧光粒子等。

通过使用西华数码影像（日本Seika公司）开发的PIV专用控制和分析软件Koncerto II，就可以完成测量与分析（详情可咨询武汉中创联达科技有限公司，网址：）。

其技术原理为：对在一定空间中的粒子使用片状激光在极短的时间内连续照射两次，并且使用高分辨率相机于继光同时拍摄，取得两个粒子群的图像。

通过PIV专有算法（互相关）分析该图像的同一区域（解析窗口）中的粒子，可以获得表示速度矢量的二维数据。

PIV不仅可以获得二次元的数据（2D2C），还可以通过使用立体拍摄来获得二维三分量（2D3C）数据。

粒子图像测试仪技术参数主要功能：1)粒子图像测速系统能应用于水，空气或两相流流场的测试与研究；2)工作范围和指标测量介质：空气流，水流，两相流测速范围：0～1000m/s硬件及软件主要性能指标：1.高频激光器数量：1套输出能量：20mJ/Pulse@1000Hz；双腔脉冲激光器，脉冲波长527nm。

脉冲宽度小于250ns2.片光源透镜组数量： 1套，片光透镜组一套,0.3—4米可调，透镜角度14°，25°可选3.同步器数量：1套时间分辨率：0.25ns；延迟：0-1000s；脉冲宽度：10ns-1000s；Jitter <400ps。

为独立的同步器，而不是插入计算机的同步卡或时序卡。

4.高速相机数量：1套分辨率：不小于1920*1200 最大分辨率高速相机；满帧率：不小于1380fps；机头内存：12GB传感器尺寸19.2mm*10.8mm。

5.图像采集及数据分析系统数量： 2DPIV软件处理模块5.1基于NET的Windwos 7 平台下的应用软件包，系统通过RS232采用计算机命令控制；实时显示采样的图象数据，在线显示方向矢量场；5.2. 必须带有高速PIV分析模块，Spatial and time Series toolbox,可以对指定模型进行速度区域设定，可以处理非连续帧的图像的相关性；★5.3 软件可在连续采集过程当中，实时修改DLETA T的时间，且更换DLETA T的延时不超过2HZ；★ 5.4 带有粒子跟踪测速SR-PIV分析模块：可以单独追踪离散相的运动，又可以计算出离散相得粒径，也可以用分相计算离散相和连续相的速度场。

★5.5 具有动态掩模功能★5.6 具有不确定分析功能，可以对图像准确度经行评估5.7 具备Off-axis分析模块5.8 具备stereoautomapping功能，可对三维PIV进行优化。

5.9．带有本征正交分解（POD）功能，强大的时空分析工具，可以利用PIV实验结果和CFD计算结果进行多方面的时间和空间结构的对比分析；可有效分析旋转周期流动问题中的相干结构；6.固态粒子发生器数量：1套主要播撒的粒子类型有：固体粉末，SiO2 , TiO2 , Al2O3最大出口压力：8 Bar最大容器压力：16 Bar适用于火焰燃烧示踪粒子发生器7.示踪粒子数量：1套高温示踪粒子TiO2，3um颗粒大小，454克一袋。

粒子图像测速技术（PIV ）1．PIV 简介粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。

粒子图像测速技术（PIV ）是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。

PIV 是流场显示技术的新发展。

它是在传统流动显示技术基础上,利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。

综合了单点测量技术和显示测量技术的优点,克服了两种测量技术的弱点而成的, 既具备了单点测量技术的精度和分辨率, 又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。

图1. 粒子图像测速技术2．PIV 的原理PIV 技术原理简单，就是在流场中撤入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度．应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平面，用成像的方法(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等)。

因采用的记录设备不同, 又分别称FPIV ( 用胶片作记录) 和数字式图像测速DPIV （用CCD 相机作记录)。

3．PIV 系统组成PIV 系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。

图2. 粒子图像测速系统结构（1）直接反映流场流动的示踪粒子。

除要满足一般要求( 无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。

要使粒子的流动跟随性好, 就需要粒子的直径较小, 但这会使粒子的散光性降低,不易于成像。

因此在选取粒子时需综合考虑各个因素。

总之, 粒子选取的原则为: 粒子的密度尽量等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小, 一般为拜m 量级。

常用的示踪粒子有聚苯乙烯、铝、镁、二氧化钦、玻璃球等。

柴油机汽缸内气流运动实验研究中, 最常使用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。

粒子图像测速技术与应用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV）是一种非侵入式流场测量技术，其原理是利用高速数字摄像机捕捉流体中由体积或表面轮廓的微粒所组成的图像序列，并通过计算处理来得到流体的速度场信息。

PIV技术的应用范围非常广泛，既可以用于研究天然流体运动现象，又可以用于工业流体力学领域的实验研究，还可以应用于医学、环境、生态等领域的研究。

1. PIV技术原理PIV技术主要基于两帧流场图像的匹配和计算，其中流体中的不透明微粒被认为是运动的跟踪标记。

首先，在被测流场中加入微粒探针，并用高速摄像机记录粒子在不同时刻的位置分布图像序列，然后通过图像处理技术，选定两个特定的时间点，提取出图像中的微粒位置，并进行匹配。

匹配后，根据匹配到的微粒在两个时间点的位置变化，即可得到流体中的速度矢量场分布。

最后，通过计算流体中的不同位置的速度值，得到流量、涡量、剪切应力等流体动力学参数。

2. PIV技术的应用2.1 工业流体力学领域PIV技术广泛应用于工业流体力学领域的实验研究，例如：航空、汽车等领域的气动力学研究。

在飞行器的设计和研发过程中，需要研究其外形对飞行性能的影响，包括气动阻力和升力，而PIV技术可以帮助识别飞行器表面的速度分布，为改善其性能提供参考。

同样，汽车的气动设计也需要通过PIV技术来评估不同外形对车速、空气阻力的影响。

2.2 医学、环境、生态研究PIV技术还可以应用于医学、环境、生态等领域的研究。

例如，PIV技术可以研究心脏壁的运动，进而分析心脏的收缩过程；还可以用于细菌、气溶胶等颗粒的测速和分布分析；在水流环境中，PIV技术可以帮助研究河流和海洋生态系统中的流体运动，以及水动力学问题，如洪水预警、海洋污染控制等方面。

3. PIV技术的优劣虽然PIV技术被广泛应用于流体力学领域中，但PIV技术本身存在一些局限性。

首先，由于流场中粒子的亮度和聚集程度可能受到流体物性、涡旋等因素的影响，粒子图像的质量会受到一定的影响，对测量结果的准确性产生影响。

粒子影像测速(PIV)技术概述1.PIV技术介绍1.1.引言目前为止，人类对流体力学仍有许多疑难问题，如对湍流、非定常流动等现象了解甚少，而在许多工程应用如飞行器外形设计、内燃机燃烧室中的多相流动等中又迫切需要解决这些问题，因而使流场测量问题变得极为重要。

流场测速新方法研究中，至今已发展了激光多普勒测速LDV(Laser Doppler Velocimetry)、粒子影像测速PIV(Particle Image Velocimetry)等技术。

LDV的综合性能较高，具有高精度、高分辨率和非接触测量等优点，通常作为仪器标校技术使用，但LDV只能实现单点测量。

PIV技术是一种全场、动态、非接触测量手段，已获得广泛使用，成功应用于风洞、水洞、水槽燃烧及喷射等实验中。

PIV研究始于上个世纪80年代，随着光学和计算机图像处理技术的迅猛发展，PIV取得了长足进步，测量精度已与LDV接近。

1.2.PIV原理图1是PIV 技术应用的简单原理图。

散播在流场中的跟随性及反光性良好的示踪粒子，由激光光束首先入射到一组球面透镜上，经聚焦后通过全反射镜至一组可调的柱面透镜形成具有一定厚度的片光，照亮流场中特定的区域，此时经过此区域的示踪粒子被照亮，通过CCD（CMOS）成像设备进行成像。

对这个特定的区域在一定时间间隔内利用图1 PIV简单原理图激光脉冲连续照亮两次，就能得到粒子在第一次照亮时间t 和第二次照亮时间t’的两个图像，对这两幅图像进行互相关分析，就能得到流场内部的二维速度矢量分布。

在利用PIV 技术测量流速时,需要在二维流场中均匀散布跟随性、反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子。

将激光器产生的光束经透镜散射后形成厚度约1 mm 的片光源入射到流场待测区域,CCD 摄像机以垂直片光源的方向对准该区域。

利用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像,形成两幅PIV 底片(即一对相同待测区域、不同时刻的图片) ,底片上记录的是整个待测区域的粒子图像。