PIV 测量技术PPT课件

简述二维piv测量方法的原理
二维PIV (Particle Image Velocimetry) 测量方法是一种流体力学实验技术，用于测量流体中的流速。

它基于两个主要原理：图像处理和粒子追踪。

在二维PIV测量中，首先会在被测流体中注入微小颗粒（如烟雾粒子或荧光颗粒），这些颗粒在流体中具有与流体相同的运动特性。

然后，通过使用激光或闪光灯等光源照亮流体中的颗粒，形成立体图像。

图像处理是二维PIV方法的核心。

通过捕捉流体中颗粒的两个连续图像，通过图像处理软件将这些图像分成小的像素，并对每个像素进行亮度分析。

这些亮度值可以表示颗粒的位置。

一旦获得了两个连续图像的位置信息，就可以通过比较两个图像之间颗粒的位移来计算流体中每个位置的流速。

通常采用相关分析方法来进行位移和速度的计算。

粒子追踪是图像处理的一部分，用于跟踪颗粒在连续图像中的位置变化。

通过在连续图像中的相邻位置查找具有相似亮度特征的像素，可以追踪颗粒的运动轨迹。

最终，通过将颗粒的位移转换为速度矢量场，可以获得流体中各个位置的速度分布情况。

这种方法可以提供高时间和空间分辨率的流速测量结果，以获得流体中的细节信息。

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。

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。

简述二维piv测量方法的原理二维粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）是一种用于测量流体速度场的非侵入式方法。

它通过追踪空气、液体或气固界面中的小颗粒来获取流场中物质的动态信息。

其基本原理是利用流体中的颗粒在快速连续曝光下的位移来计算流场的速度。

PIV测量技术主要分为两个步骤：颗粒图像拍摄和图像处理。

在图像拍摄阶段，液体或气体中被称为追溯颗粒的小颗粒会被注入流场中。

然后，通过一个激光光源对颗粒进行照亮，并利用高速相机捕捉两幅连续图像。

接着进行图像处理，包括颗粒图像的光流检测、颗粒匹配、位移和速度计算等。

在PIV测量中，颗粒图像的光流检测是其中一个重要步骤。

它通过分析两幅连续图像之间的亮度变化来确定颗粒的位移。

颗粒的位移是通过计算两幅图像上对应颗粒位置的亮度互相关来估计的。

由于连续图像中的颗粒位置不同，因此需要使用其中一种算法将其对齐。

常用的光流检测算法有相关法、互相关法、基于模型法等。

接下来是颗粒匹配阶段，它是确定两幅图像中对应颗粒位置的过程。

颗粒匹配的目标是找到两幅图像中最接近的颗粒匹配对，从而计算出颗粒的位移。

这可以通过计算两幅图像中颗粒的亮度互相关来实现。

一种常见的颗粒匹配算法是基于相关峰值的匹配算法，通过在互相关函数中寻找最大峰值来确定匹配颗粒的位置。

在位移和速度计算阶段，通过测得的颗粒位移和已知的时间间隔，可以计算出流场中颗粒的平均速度。

常见的位移和速度计算方法有全局、局部和迭代方法。

全局方法是对整个流场进行统一的位移和速度计算，适用于均匀的速度场。

局部方法只考虑特定区域内的位移和速度，适用于非均匀的速度场。

迭代方法则通过多次迭代计算来提高位移和速度计算的精度。

最后，通过将颗粒的位移和速度进行插值和平滑处理，可以得到整个流场的速度分布。

PIV测量方法的优点是非常适用于高速流动和动态流动的实时定量测量。

它不需要在流体中放置传感器，也不会干扰流场的流动特性。

粒子图像测试技术在河势分析中的应用PIV技术的产生具有深刻的科学技术发展背景。

首先是瞬态流场测试的需要，这是单点测量技术不可能完成的任务；而流动显示技术对于提供瞬态流动图案无疑是非常有效的，但在定量上遇到了很大的困难。

利用一些典型流动来估计流场速度的办法虽然取得了某些成效，但精度比单电测量低了一个数量级，分辨率也差不多笑了一个数量级。

人们自然地就想到了多点测量技术。

热线技术是最早实现多点测量技术的方法，但是这些方法或者干扰和破坏了流场，或者成本太高，而且获得整个细致的流动图像也很不方便，更主要的是难以满足瞬态流场测试的需要。

其次是了解流动空间结构的需要。

通常只有在同一时刻记录下整个信息场时才能看到空间结构。

在高湍流流动中，采用整体平均的数据并不适合于表现流动中不断改变的空间结构，这是因为平均数据的过程同时引起流动图像的模糊。

PIV技术具有获得流动中小尺度结构的矢量图，其中平均速度矢量的影响已从场信息图的每个矢量中消除了。

然而条件采样法常常使空间结构平滑到不能接受的程度，根本无法满足研究瞬时非平均相干结构的xuy6ao。

在湍流结构研究中，湍流的流动特性包含了很宽范围的运动尺度，同时又要求具有能分析足够小的尺度的空间分辨率，也即是说测量点数必须非常大，这不是前述常规多点测量法所能满足的。

最后是某些稳定流动的测试需要。

所谓稳定流动指的是速度脉动与平均速度相比很小的流动。

实际流动中存在着许多特殊的情况，比如狭窄流场，其流动本身是稳定的，但流场狭小，LDV的分光束难以相交成可测状态，而HWFA又会破坏流场的状态，此时PIV可以大显身手。

PIV技术的产生也有其技术基础。

PIV技术本质上是流动显示技术的发展，可以说粒子图像测速技术中的多数方法都是经典的流动显示技术的自然延伸和扩展。

最初流动显示的方法只用来定性地观察一些实验现象以供研究，如雷诺实验导致了湍流的发现、边界层概念的建立等；在定量的测速技术发展起来以后，显示结果成为人们分析测量结果的重要依据，特别是很多逐点的测量结果由于缺乏时间上的同步性，需要全场结构上的信息来对照，这也说明了逐点测速方法受到一定的限制，PIV技术就是在传统流动显示技术基础上利用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，既具备单点测量技术的精度和分辨率，又能获得流动显示的整体结构和瞬态图像。

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（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。