一种新型自适应触发PIV测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种新型自适应触发PIV测量装置与方法，包括：获取自适应触发电路的输入信号，通过信号放大器对输入信号进行放大，获得放大信号；基于低通滤波器对放大信号进行低通滤波，降低放大信号中高频分量的幅值，获得滤波信号；通过方波发生器将滤波信号转换为方波，之后通过脉冲发生器产生方波触发信号，并将方波触发信号输入PIV系统；PIV系统收到方波触发信号后进行粒子图像拍摄与速度测量，获得测量结果。本发明专利技术通过增加了放大器和低通滤波电路，针对含有噪声的变频率系统也同样适用，实现了可重复、快捷的自适应触发PIV流场测量。快捷的自适应触发PIV流场测量。快捷的自适应触发PIV流场测量。

【技术实现步骤摘要】
一种新型自适应触发PIV测量装置与方法


[0001]本专利技术属于流体力学领域，特别是涉及一种新型自适应触发PIV测量装置与方法。

技术介绍

[0002]在用实验法研究流体力学的过程中，流速是最基本的待测量。精确测量流场速度矢量将有助于获取流场压力、剪切力等诸多参数。现有速度测量技术可以分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量需要在流场中放置传感器元件，会给流场带来系统误差，尤其是在非定常流场测量中带来了诸多不便。相比之下，非接触式测量技术对于流场的干扰较小。
[0003]粒子图像技术(particle image velocimetry,PIV)作为代表性的非接触式流场测量技术，拥有全场测量能力、非侵入性测量和实现简单的优点，已经成为复杂流动速度的标准测量工具。PIV技术通过在流场中散布示踪粒子，采用脉冲激光片光源入射到待测流场区域中，通过多次连续曝光获得粒子图像，再对图像进行自相关或互相关处理获得粒子在曝光间隔时间内走过的位移，实现全流场速度测量的目的。伴随硬件的发展及图像处理技术的提高，PIV技术已日趋完善。
[0004]由于生活中流体的特征频率通常远大于PIV系统的最大频率，导致无法直接通过PIV技术获得流动结构的时序演化过程，因此当使用PIV系统对流体进行测量时，需要采用自适应触发技术结合流动结构对应的压力等特征信号对高频系统进行指定频率拍摄测量。
[0005]现有触发技术包括物理触发技术及基于现场可编程逻辑门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)的触发技术。物理触发技术是指利用机械装置在特性时刻进行触发拍摄。以采用光学触发装置对周期性物理系统进行锁相拍摄为例，该技术需要额外安装红外探头，增加了系统的成本，并且只适用于特定的流动模式下的测量，普适性较差。基于FPGA的锁相技术是指借助可编程FPGA实现信号锁定功能的技术，FPGA的可编程性使该方法使用更加灵活，但是该装置成本高昂且依赖于进口，以美国NI公司的CompactRIO系列为例，产品价格在数万元。目前尚缺少兼具经济性和实用性的PIV自适应触发技术。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术提供了如下方案：一种新型自适应触发PIV测量装置，包括：
[0007]压力传感器，用于采集压力信号；
[0008]信号调节器，与所述压力传感器连接，用于对所述压力信号进行调节，获得自适应触发电路的输入信号；
[0009]信号放大器，与所述压力传感器连接，用于将所述输入信号进行信号放大，获得放大信号；
[0010]低通滤波器，与所述信号放大器连接，用于对所述放大信号进行低通滤波，降低所述放大信号中高频分量的幅值，获得滤波信号；
[0011]方波发生器，与所述低通滤波器连接，用于基于所述滤波信号获得方波触发信号；
[0012]脉冲发生器，与所述方波发生器连接，用于获取PIV拍摄的自适应触发信号，实现流场的拍摄测量，获得测量结果。
[0013]优选地，所述信号放大器为分压式偏置放大电路，包括电容C1、电压源V
CC1
、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、NPN型晶体管；
[0014]通过所述电压源V
CC1
进行供电，所述输入信号经过电容C1后由电阻R1和电阻R3构成分压电路，为NPN型晶体管基极提供直流电压；
[0015]所述NPN型晶体管发射极通过电阻R4接地，NPN型晶体管基极电压高于发射极电压，发射结处于正向偏置状态。
[0016]优选地，所述低通滤波器包括电容C2及电阻R5；
[0017]所述电容C2分别与NPN型晶体管的基级和电阻R2连接；
[0018]所述电阻R5与所述电容C2连接。
[0019]优选地，所述方波发生器包括电容C3、电压比较器CMP、电压源V
CC2
、电压源V
CC3
、电阻R6、电阻R7、电阻R8；
[0020]所述电压比较器CMP的正极分别与所述电容C3以及电压源V
CC3
连接，负极通过电阻R8与所述电容C3并与电阻R6、电阻R7连接；
[0021]所述电压源V
CC2
分别与电阻R6、电阻R7连接。
[0022]还包括一种新型自适应触发PIV测量方法，包括：
[0023]获取自适应触发电路的输入信号，通过信号放大器对所述输入信号进行放大，获得放大信号；
[0024]基于低通滤波器对所述放大信号进行低通滤波，降低所述放大信号中高频分量的幅值，获得滤波信号；
[0025]通过方波发生器将所述滤波信号转换为方波，之后通过脉冲发生器产生方波触发信号，并将所述方波触发信号输入PIV系统；
[0026]所述PIV系统收到所述方波触发信号后进行粒子图像拍摄与速度测量，获得测量结果。
[0027]优选地，获取自适应触发电路的输入信号的过程包括，
[0028]通过压力传感器采集压力信号后，经信号调节器对所述压力信号进行调节后，获得自适应触发电路的输入信号。
[0029]优选地，通过信号放大器对所述输入信号进行放大的过程包括，通过电压源V
CC1
进行供电，所述输入信号经过电容C1后由电阻R1和电阻R3构成分压电路，为NPN型晶体管基极提供直流电压；
[0030]所述NPN型晶体管发射极通过电阻R4接地，NPN型晶体管基极电压高于发射极电压，发射结处于正向偏置状态；通过改变电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的阻值实现不同的电压放大倍数。
[0031]优选地，所述电压放大倍数的计算表达式为：
[0032][0033][0034]其中，r
be
为晶体管的输入电阻，β为晶体管的电流放大系数，I
E
为晶体管的发射极电流。
[0035]优选地，基于所述低通滤波器对所述放大信号进行低通滤波，降低所述放大信号中高频分量的幅值，获得滤波信号的过程包括，
[0036]根据实际需要，通过所述低通滤波器将超过预设阈值的频率幅值进行衰减，并对流场特征频率的幅值进行保留，获得消除噪声对结果的影响而不影响主要成分分析的滤波信号。
[0037]优选地，所述PIV系统进行粒子图像拍摄与速度测量，获得测量结果的过程包括，
[0038]所述PIV系统分别对不同周期同一相位与同一周期不同相位进行粒子图像拍摄与速度测量，获得PIV系统测量结果。
[0039]本专利技术公开了以下技术效果：
[0040]本专利技术提供的一种新型自适应触发PIV测量装置与方法，通过常见的电子元器件搭建了测控电路，设计了新型PIV自适应触发测量装置，通过对压力等流场相关的特征信号进行处理实现流场的特定频率拍摄。相比于传统触发方法，该装置结构轻巧、易实现、成本低，同时在比较元件之前增设了放大器和低通滤波电路，分别用来解决待测信号弱和高频噪音干扰的问题，针对含有噪声的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型自适应触发PIV测量装置，其特征在于，包括：压力传感器，用于采集压力信号；信号调节器，与所述压力传感器连接，用于对所述压力信号进行调节，获得自适应触发电路的输入信号；信号放大器，与所述压力传感器连接，用于将所述输入信号进行信号放大，获得放大信号；低通滤波器，与所述信号放大器连接，用于对所述放大信号进行低通滤波，降低所述放大信号中高频分量的幅值，获得滤波信号；方波发生器，与所述低通滤波器连接，用于基于所述滤波信号获得方波触发信号；脉冲发生器，与所述方波发生器连接，用于获取PIV拍摄的自适应触发信号，实现流场的拍摄测量，获得测量结果。2.根据权利要求1所述的新型自适应触发PIV测量装置，其特征在于，所述信号放大器为分压式偏置放大电路，包括电容C1、电压源V
CC1
、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、NPN型晶体管；通过所述电压源V
CC1
进行供电，所述输入信号经过电容C1后由电阻R1和电阻R3构成分压电路，为NPN型晶体管基极提供直流电压；所述NPN型晶体管发射极通过电阻R4接地，NPN型晶体管基极电压高于发射极电压，发射结处于正向偏置状态。3.根据权利要求1所述的新型自适应触发PIV测量装置，其特征在于，所述低通滤波器包括电容C2及电阻R5；所述电容C2分别与NPN型晶体管的基级和电阻R2连接；所述电阻R5与所述电容C2连接。4.根据权利要求1所述的新型自适应触发PIV测量装置，其特征在于，所述方波发生器包括电容C3、电压比较器CMP、电压源V
CC2
、电压源V
CC3
、电阻R6、电阻R7、电阻R8；所述电压比较器CMP的正极分别与所述电容C3以及电压源V
CC3
连接，负极通过电阻R8与所述电容C3并与电阻R6、电阻R7连接连接；所述电压源V
CC2
分别与电阻R6、电阻R7连接。5.一种新型自适应触发PIV测量方法，其特征在于，包括：获取自适应触发电路的输入信号，通过信号放大器对所述输入信号进行放大，获...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐杨，王涵斌，郭沁峰，樊迪，王晋军，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：