粒子影像测速(PIV)技术概述

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。

PIV技术的原理与应用1. 什么是PIV技术？PIV（Particle Image Velocimetry）技术是一种用于测量流体中速度变化的光学测量技术。

它基于成像和粒子追踪的原理，通过记录流体中的颗粒运动轨迹，从而推断速度信息。

PIV技术可以应用于多个领域，包括流体力学研究、流体工程、航空航天等。

2. PIV技术的原理PIV技术的原理基于两个主要步骤：成像和粒子追踪。

2.1 成像在PIV实验中，成像是通过激光束照射流体中的颗粒，形成一个平面投影，并利用高速摄像机记录下颗粒的图像。

成像过程中需要注意以下几点：•使用适当的激光光源，以确保产生足够能量的光线来照亮流体中的颗粒，同时避免对流体的影响。

•选择适当的摄像机来记录图像。

高速摄像机通常具有较高的帧率和分辨率，可以捕捉到颗粒的快速运动。

2.2 粒子追踪粒子追踪是PIV技术中的核心步骤，它通过分析颗粒在连续图像帧中的位移来推断流体的速度。

粒子追踪主要包括以下两个步骤：•特征提取：在每一帧图像中，使用适当的特征提取算法找到颗粒的位置。

常用的特征提取算法包括亮度加权相关方法和互相关方法。

•位移估计：通过对颗粒在不同帧之间的位移进行比较，可以估计出流体的速度。

位移估计通常使用相关与平均方法或剪切相关方法。

3. PIV技术的应用PIV技术以其快速、非侵入性和高精度的特点，得到了广泛的应用。

以下是PIV技术在不同领域中的应用示例：3.1 流体力学研究PIV技术在流体力学研究中起着至关重要的作用。

通过使用PIV技术，研究人员可以获得流体中不同位置的速度分布和涡旋结构等信息。

这有助于深入了解流体运动的本质，优化流体系统的设计。

3.2 流体工程PIV技术在流体工程中的应用非常广泛。

例如，在风洞实验中，通过使用PIV 技术，可以获得飞机在风中的速度分布和风阻等参数。

这对于飞机设计和气动性能评估非常重要。

3.3 航空航天PIV技术在航空航天领域中也有广泛的应用。

例如，在火箭推进系统中，PIV 技术可以帮助研究人员分析燃烧室内的流动特性，优化燃烧效率。

piv测速原理Piv测速原理。

PIV（Particle Image Velocimetry）是一种流体力学实验技术，用于测量流体中的速度场。

它通过在流体中注入颗粒或在流场中存在颗粒的情况下，利用高速摄像机拍摄颗粒图像，进而获取流场速度信息。

PIV技术在流体动力学、空气动力学、生物力学等领域广泛应用，成为研究流体运动的重要手段之一。

PIV测速原理的基本思想是利用颗粒在流场中的运动来推导流体的速度场。

首先，在流体中加入颗粒示踪剂，这些颗粒要足够小，以至于它们的质量对流体的运动不会产生显著影响。

然后，利用激光或者其他光源照射流场，使颗粒产生光斑，再利用高速摄像机拍摄颗粒图像。

最后，通过对连续两帧图像进行处理，可以得到颗粒的位移，从而计算出流场的速度分布。

PIV测速原理的关键在于对颗粒图像的处理和分析。

首先，需要对拍摄到的颗粒图像进行预处理，包括去噪、增强对比度等操作，以便更准确地提取颗粒的位置信息。

接着，利用相关算法或者其他图像处理方法，对两帧图像进行匹配，得到颗粒的位移矢量。

最后，通过位移矢量的计算，可以得到流场中各点的速度信息。

PIV测速原理的优势在于可以在短时间内获取大范围流场的速度信息，且不需要干涉流场，对流体运动不会产生影响。

同时，由于可以获取流场中每个点的速度信息，因此可以对流体运动进行全面的分析和研究。

此外，PIV技术还可以应用于多相流、湍流等复杂流动情况下的速度场测量，具有广泛的适用性。

然而，PIV测速原理也存在一些局限性。

首先，颗粒图像的处理和分析需要较为复杂的算法和技术，对于图像质量和颗粒分布有一定要求；其次，颗粒图像的拍摄需要高速摄像机和高功率激光等设备，成本较高；最后，对于流体中速度梯度较大的情况，PIV技术可能会出现测量误差。

总的来说，PIV测速原理是一种重要的流体力学实验技术，通过对颗粒图像的处理和分析，可以获取流场的速度信息。

它在流体力学研究、流体工程、空气动力学等领域具有广泛的应用前景，对于理解流体运动规律、优化流体设备等具有重要意义。

《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。

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、全场速度测量方式，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有效价值。

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式。

PIV是流场显示技术的新进展。

它是在传统流动显示技术基础上, 利用图形图像处置技术进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势, 克服了两种测量技术的弱点而成的, 既具有了单点测量技术的精度和分辨率, 又能取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，确实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，用成像的方式(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术取得各点粒子的位移，由此位移和曝光的时刻距离即可取得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)。

因采纳的记录设备不同, 又别离称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系统通常由三部份组成, 每一部份的要求都相当严格。

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。

除要知足一样要求( 无毒、无侵蚀、无磨蚀、化学性质稳固、清洁等) 外,还要知足流动跟从性和散光性等要求。

要使粒子的流动跟从性好, 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, 粒子选取的原那么为: 粒子的密度尽可能等于流体的密度,粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小, 一样为拜m 量级。

经常使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, 最常利用的示踪粒子有二氧化钦、铝粉等。

PIV(微粒成像速度测量技术）简介39051414 孙飞介绍：PIV是一种测量平面上不同位置瞬时气流速度的技术。

工作原理很简单，在流场中布撒大量反光的示踪粒子，然后用平面光去照射测量平面上的微粒，同时用相机采取两个曝光位置对平面照相。

两次照相应该在短的时间间隔内进行，可以将同一个粒子进行两次照射，这两次照射可以作为一个图的两个不同角度，也可以算作两个图的不同角度，他的工作原理是根据自动关联技术而来的，它的结果并不是很清楚，所以在使用这样的技术时，气流只能在一个方向流动，所以利用两个图的技术应用的更加广泛，下文就是关于这项技术的简介。

测量技术：为了对流场进行拍照，需要在流场中布撒反光微粒。

微粒的大小应能随流场流动并反射足够的光。

总体来说PIV技术相较LDV（激光多普勒测速）技术需要更大密度的反光粒子。

比较好的是经验法则是每个待测速度向量上有10个微粒。

平面光：以下两幅图片展示的分别是PIV技术的设置过程和激光的安装过程，即将被测量的平面要首先被光照射，经常用脉冲Nd:Y AG激光源做光源，因为它具有高光强。

每束脉冲激光发射前都需要一定时间积累能量，所以PIV的两幅图只能在一个极短的时间间隔内拍摄。

因此，PIV中常用双腔激光器。

激光脉冲的持续时间为5-10ns，每个脉冲中的能量可以高达400mJ。

Nd：YAG激光器可以发射波长为1064nm的处于红外波段的激光。

而这样的波长也会造成一些弊端，因为大部分的相机更容易捕捉到蓝绿之间的波段，另一个弊端使我们不能直接看到上面的光，所以这就需要我们用谐波发生器将Nd:Y AG激光源的波长平均分成532的两部分，而这种方法并不一定完全有效，所以还需要一个分离器和红外线转存器来去掉剩余的光，激光器发出的激光束具有轴对称结构，因此需要让其通过圆柱形的镜片以形成二维的平面光。

相机：PIV技术需要的相机具有很高的要求，特别是在流体的速度很快，区域很小，具有反光粒子的情况下。

PIV原理及其应用PIV是Particle Image Velocimetry的缩写，意为“粒子图像测速”，是一种用于测量流场速度和流体运动行为的非接触式光学测量技术。

它通过将流场中的小颗粒（通常是悬浮在液体中的粒子）作为示踪物来进行测量，利用高速摄像机等设备捕捉颗粒图像，并通过图像处理和分析获取流场的速度和速度矢量分布信息。

PIV的基本原理是利用颗粒在流场中随流动变化的速度来获取流场速度信息。

具体操作过程包括以下几个步骤：1.示踪颗粒标记：在流体中添加适量的颗粒（通常是微米级的粒子），这些颗粒应具有足够的密度和散射光的特性，以便使它们能够被摄像机捕捉到。

2.图像获取：使用高速摄像机等设备对流场中的颗粒进行连续的图像捕获。

由于颗粒会在流场中运动，因此在时间序列上连续获取的图像可以反映出颗粒的运动轨迹。

3.图像处理：对连续捕获的图像进行处理，以识别和跟踪颗粒的位置。

通常使用相关算法、互相关算法或相关算法和追踪算法的组合来实现。

4.速度计算：根据颗粒在相邻图像之间的位移，计算每个颗粒的瞬时速度。

可以根据这些速度数据获取流场的速度分布和速度矢量图像。

PIV技术具有许多应用领域，以下列举其中几个典型的应用：1.流体力学研究：PIV技术可以用于测量液体和气体的粘性、湍流、湍流结构、边界层行为等流体力学性质。

通过获取流体流动的速度分布和速度矢量图像，可以对流体的流动行为进行详细的分析和研究。

2.空气动力学研究：PIV技术可以用于测量飞机、汽车、船舶等物体周围的气流速度和流场结构。

这对于设计和优化运输工具的气动外形、减少阻力和气动噪声等方面具有重要意义。

3.涡流研究：PIV技术可以用于测量涡流的速度、旋转方向和强度等特性。

涡流是流体中旋转速度明显高于周围流体的局部区域，它在空气动力学、流体力学和气象学等领域中都有重要的研究价值。

4.生物流体力学研究：PIV技术可以用于测量生物流体中的速度分布，如心脏血流、肺部气流、细胞运动等。

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。

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。