PIV应用

 PIV 应用原理

 

PIV 是一种非接触式、全场（整个平面内）的流体速度测量技术。其核心思想是通过测量示踪粒子在已知极短时间间隔内的位移，来反演流体的速度。具体步骤如下：

 

1. 示踪粒子播撒：

    * 在待测流场（水流、气流等）中均匀播撒微小的示踪粒子。这些粒子需要足够小（微米级）以精确跟随流体运动（跟随性好），同时又要足够大/反光以被相机清晰成像。

    * 常用粒子：水流中用空心玻璃球、聚酰胺粒子、荧光粒子等；气流中用油雾、二氧化钛、DEHS 液滴等。

 

2. 片光源照明：

    * 使用连激光器或者脉冲激光器产生高功率或能量、短脉冲（纳秒级）的激光束。

    * 通过柱面镜或球面镜+柱面镜组合将激光束扩展并聚焦成一个非常薄的二维光片。

    * 这个光片精确地照亮流场中需要测量的平面（测量平面）。

 

3.        双脉冲图像采集：

    * 在极短的时间间隔 Δt（微秒到毫秒量级，取决于流速）内，激光器发射两个高强度的脉冲。

    * 高速相机（或双帧相机）与激光脉冲精确同步，分别在每个激光脉冲照亮测量平面的瞬间，拍摄一张粒子的图像（Frame A 和 Frame B）。

    * 相机通常配备窄带滤光片，只允许激光波长通过，抑制环境光干扰。

 

4. 图像分析与互相关计算：

    * 将采集到的两张数字图像（Frame A 和 Frame B）划分成许多小的区域，称为**询问窗口**。

    * 对每个询问窗口，计算 Frame A 中的粒子图案与 Frame B 中的粒子图案之间的**二维空间互相关函数**。

    * 互相关函数的峰值位置代表了该窗口内粒子群在时间 Δt 内的**平均位移矢量**。

    * 速度矢量计算： `速度 = 位移 / Δt`。

 

5. 后处理与矢量场生成：

    * 对所有询问窗口重复上述计算，得到整个测量平面上的**瞬时速度矢量场**。

    * 通常还需要进行后处理，如去除异常矢量、矢量平滑、插值等，以提高数据质量。

    * 通过采集多对图像并进行统计平均，可以得到时均流场、湍流统计量（如雷诺应力、湍动能）等。

 

核心原理总结： PIV 通过精确控制的高强度激光脉冲序列照亮流体中的示踪粒子，由同步的高速相机记录粒子在已知微小时间间隔内的位置变化，利用空间互相关算法计算粒子群的位移，进而得到流体的速度矢量场。

 

 对激光器的要求

 

激光器是 PIV 系统的核心部件之一，其性能直接决定了测量结果的精度、分辨率和可靠性。主要要求如下：

 

1.        连续激光器：功率1-30w不等，可外部触发TTL信号。

2.       脉冲激光：

    * 绝对要求：PIV 必须使用脉冲激光器，以产生极短时间的高强度光照，实现粒子运动的“冻结”成像。连续激光无法区分不同时刻粒子的位置。

 

2. **短脉冲宽度：

    * 要求： 脉冲持续时间（脉宽）必须非常短（通常在 5-15 纳秒范围内）。

    * 原因：

        * 冻结粒子运动：在脉冲持续时间内，粒子本身的运动必须可以忽略不计（运动模糊小于 1/4 像素）。短脉宽确保即使高速运动的粒子也能在图像中呈现清晰的点状光斑，而不是拖影。

        * 减少背景光影响：短脉宽减少了相机传感器接收环境杂散光的时间，提高信噪比。

 

3. 足够的脉冲能量：

    * 要求： 单个脉冲的能量必须足够高（从几毫焦到几百毫焦甚至焦耳级，取决于应用）。

    * 原因：

        * 照亮粒子： 粒子散射的光非常微弱。高能量脉冲确保粒子散射光足够强，能被相机清晰探测到，尤其是在大视场、浑浊流体或需要小光圈（增大景深）的情况下。

        * 穿透介质： 对于厚的水体、有雾的气流或复杂几何体内部流场，高能量有助于光片穿透介质并保持足够的亮度。

        * 高速应用： 高速流场需要更短的 Δt，导致粒子位移小。为了获得足够强的互相关信号，需要更小的询问窗口（包含更少粒子），此时需要更高的粒子图像强度（即更高激光能量）来维持信噪比。

 

4. 高重复频率：

    * 要求：激光器每秒能发射的脉冲对数量（即重复频率）需要足够高。

    * 原因：

        * 高速动态过程捕捉： 要研究湍流结构演化、非定常流等快速变化过程，需要高的采样率（即高重复频率的 PIV 图像对序列）。这被称为高频 PIV 或时间分辨 PIV。

        * 统计精度： 获取高精度的统计量（如湍流强度）需要大量瞬时矢量场进行平均，高重频能更快地积累数据。

    * 权衡：通常高重频激光器的单脉冲能量会低于低重频激光器（如 Nd:YAG）。选择时需要平衡能量和重频需求。

 

5. 合适的波长：

    * 要求： 激光波长通常在可见光范围，尤其是绿光（532nm）最为常用。

    * 原因：

        * 相机灵敏度：CCD/CMOS 相机在可见光波段（特别是绿光）具有最高的量子效率。

        * 滤光：使用与激光波长匹配的窄带滤光片可以非常有效地抑制环境光干扰（太阳光、灯光等）。

        * 人眼安全（相对）：虽然所有激光都需要注意安全，但可见光激光更容易被看到并避开（相比不可见红外光）。532nm 绿光尤其显眼。尽管如此，**任何用于 PIV 的激光器都必须严格遵守激光安全规范**。

        * 材料兼容性： 某些波长（如紫外）可能损伤光学元件或激发被测流体/粒子产生荧光干扰。

 

6. 良好的光束质量：

    * 要求：激光束应具有高空间相干性（TEM00 模式）和稳定的指向性。

    * 原因：

        * 形成均匀薄片光： 高质量的高斯光束更容易通过光学元件整形为厚度均匀、边缘锐利的薄片光。不均匀的光片会导致测量平面内不同区域的粒子亮度差异巨大，影响互相关计算精度和动态范围。

        * 能量利用效率： 光束质量好，整形过程中的能量损失小。

 

7. 精确的脉冲时序控制：

    * 要求：激光器必须能够接收外部触发信号，并精确地发射两个脉冲（构成一个 PIV 脉冲对），且两个脉冲之间的时间间隔 Δt 必须非常精确且稳定可调。

    * 原因：

        * 同步： 激光脉冲必须与相机的曝光时刻严格同步。

        * 精确控制 Δt：Δt 是计算速度的关键参数，其精度和稳定性直接影响速度测量的精度。Δt 需要根据流场速度范围进行优化设置（位移在询问窗口内约 1/4 到 1/2 大小）。

 

8. 稳定性与可靠性：

    * 要求： 激光输出（能量、指向、时序）需要稳定可靠，尤其在长时间测量或恶劣环境中。

    * 原因： 保证测量数据的一致性和可重复性。

 

 常用 PIV 激光器类型

 

* 双腔 Nd:YAG 激光器：

    * 特点： 目前最主流的选择。两个独立的激光谐振腔（通常共享一个泵浦源），可以独立控制或联动。输出波长 532nm（基频 1064nm 倍频），脉宽 5-10ns，单脉冲能量高（可达数百 mJ 甚至 J 级），重频中等（通常 10-50 Hz，高频型号可达 kHz）。稳定性好。

    * 适用： 大多数通用 PIV 应用，特别是需要高能量的场合（水洞、风洞、大视场、复杂环境）。

* 高重复频率固体/光纤激光器：

    * 特点：重频很高（kHz 到 MHz），但单脉冲能量较低（μJ 到 mJ 级）。波长多样（常见 527nm， 532nm）。

    * 适用： 高频 PIV/TR-PIV，研究快速非定常流动、湍流精细结构。通常用于小视场、低速度梯度或非常洁净的流场。

* 二极管泵浦固体激光器：建议型号：DPSS-532-20w

    * 特点： 结构紧凑、效率高、寿命长。性能介于 Nd:YAG 和高重频激光器之间，重频和能量可调范围广。

    * 适用： 便携式 PIV 系统、中等要求的实验室和工业应用。

PIV激光器和相机配置建议：

流速 参考硬件

0-2m/s 高速相机+连续激光器

0-5m/s 高速相机+高频单脉冲激光器

5-10m/s 高速相机+高频双脉冲激光器

>10m/s 高速跨帧相机+高频双脉冲激光器