PIV系统CCD相机位移调整机构的设计

王成军，江平

(沈阳航空航天大学航空航天工程学部，辽宁沈阳110136)

20世纪70年代末发展起来的PIV测速技术，是一种全场非接触式、瞬态新流场型测速技术，它突破了传统单点测量限制，实现了对空间瞬态流场的实时测量［1］。目前，PIV技术已经成为流场测试中的主流技术，其测速的基本原理是基于最基本的流体速度测量方法，就是在所测流场中均匀散布示踪粒子，以粒子速度代表所测流场流体的运动速度，将激光器产生的片光源入射到流场待测区域，形成光照平面，用CCD相机以垂直片光源的方向对准该区域，记录下两次激光脉冲曝光时粒子位置信息的图像，利用互相关统计技术求取查问区内粒子位移的大小和方向，从而得到流场中各点的速度矢量，并可相应计算出其他运动参量，如流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等［2］。进行PIV试验时，首先必须对PIV系统进行标定，确定片光照射待测流场的位置和CCD相机的焦距，使其获取清晰的图像，同时拍摄标定图像，利用PIV软件对图像进行计算以获得像素与自然空间的比例系数，将粒子的空间坐标尺寸以国际单位米 (m)替代图像中的像素单位，使速度的单位由像素/s转化为米m/s。因此，成功应用PIV技术的关键之一是CCD相机的安装、拍照的可靠性和稳定性，这也是获取准确试验数据和提高试验效率的重要保障［3］。为了满足流场测量方式的多样性以及PIV系统的高效和可靠性，使其能有效完成空间流场测量，迫切需要一种简单、灵活的CCD相机移位和固定装置，为此，研制了该CCD相机位移调整机构，以便更好地实现PIV技术在流场测量中的应用。

1 PIV系统现场安装要求和工作环境

以下介绍的是由美国TSI公司生产的2D-PIV系统，至少20 m2的清洁房间一间，用于布置激光器、CCD相机、同步器和计算机等仪器，相对湿度要求10%～80%，温度要求10℃～30℃。所有窗户均需配置不透光窗帘，门外设置激光警示标志。其测量精度为0.2%，最大测量区域为500 mm×500 mm。其基本组成部件有:计算机及相关的软件、同步控制器、双脉冲Nd:YAG激光器及导光臂、CCD相机、光学组件等。各组件间连接方式如图1所示。

图1 PIV系统组成图

该系统必须根据所测流场来确定CCD相机的安装、固定位置，所以该位移调整机构必须能在三维空间，即X、Y、Z3个位移方向上对CCD相机进行自由调节;为使CCD相机拍摄区域与激光片光垂直，则当机构确定位置后，相机固定底座还应能自由旋转角度，使其进行微调;为更好地适应测试流场区域，方便整个机构移动、安装，该机构必须结构简单，空间占有小，灵活操作。

2 机械结构设计

为使该位移调整机构结构设计简单化，加工更方便，三维空间上3个方向 (X、Y、Z)的驱动机构采用了一样的设计结构，均为丝杠驱动，且大多采用标准件。该机构总长1 060 mm，宽1 060 mm，高785 mm，能在900×900×800 mm空间范围内对CCD相机位置进行调整。分为上、中、下三层，其中:上、中层进行X、Y(水平二维)方向位移调整，驱动丝杠水平放置且相互垂直;下层为Z(竖直)方向，驱动丝杠竖直放置且安装在整个机构支撑立柱横梁上，各方向丝杠驱动均采用人工手摇控制［4］。当空间受限或不需在三维空间进行位移调整时，可以将该机构最上层拆下，将相机底座安装在中间层移动滑块上，对其进行二维位移调整。该机构整体结构如图2所示。

图2 整体结构图

2.1 水平方向位移调整机构设计

X、Y(水平)方向位移调整机构结构，如图3所示。

X、Y(水平)方向上互相垂直，中部位移调整机构由两根长方管连接上两根短方管，形成一个中空的矩形，正好将丝杠通过短横梁固定于中空处;移动滑块组套在丝杠上并连接了上部位移调整构。通过手摇驱动丝杠，进而带动中间的移动滑块，从而使顶上的位移机构在长横梁导轨上移动。上部位移调整机构驱动原理和中部一样，两根长方管穿过中部移动滑块组;两端由两根短横梁垫起，用来固定驱动丝杠;再将两根细长方管固定在短方管上作为相机底座移动轨道;移动滑块组穿过丝杠，其上固定有相机底座，通过手摇驱动丝杠，进而带动移动滑块组，从而使相机底座在水平方向上自由调整位置。各部件之间都是通过螺栓连接，拆装方便;当只需对CCD相机进行一个水平方向位移调整时，可以拆掉上部，这样更可以节省机构所占实验室空间，使操作更加简单、方便。

图3 水平方向位移调整结构图

2.2 竖直方向位移调整机构设计

Z(竖直)方向位移调整机构结构，如图4所示。

图4 竖直方向位移调整结构图

一对垂直方管，在顶部用一主横梁将其连接，作为整个位移调整机构的支撑。底下一根副横梁连上两根竖直细方管，作为竖直方向的移动导轨，通过手摇驱动中间的丝杠，带动底部横梁，从而使竖直管顶起顶部的水平方向连接块，进而实现竖直方向的位移调整。该机构支撑设计将传统的四腿支撑改为质两腿支撑，这样更节省空间，减轻机构整体质量，更利于对机构的安装移动。

2.3 相机固定底座设计

为使CCD相机能在空间内具有更好的位移调整能力，该机构所设计的相机底座由两个不锈钢圆盘组成，使其能在垂直方向上进行360°自由旋转，使定位更精确，位移调整范围更广［5］。该底座下圆盘直接固定在可移动滑块上，通过丝杠驱动，使其一起在中间轨道上自由滑行;上圆盘用螺栓与下圆盘连接，从而可实现其绕垂直方向360°自由旋转，并带有自锁螺母用于上圆盘定位，如图5所示。

图5 CCD相机固定底座结构图

2.4 该位移调整机构特点

该位移调整机构设计有以下特点:

(1)该机构整体结构简单，各线位移机构正交叠加、结构紧凑，所占空间少。

(2)该机构采用标准不锈钢方管材料制成，减轻了机构质量，方便拆装、移动，且大多使用标准件，通用性强，方便对该机构的维护和检修。

(3)该机构设计为对称结构，通过手摇丝杠驱动，使系统更加简单，操作方便，运行平稳，实现精确定位，能使相机快速调整到所需工作状态。

(4)该机构能使CCD相机安装在相机支座上，能实现绕垂直轴的360°自由旋转，使系统定位更加精确，增加了系统CCD相机的位移调整范围。

(5)该机构各处均为活性连接，便于拆装，不需要在三维空间调节时，可将机构顶部机构拆下，用作二维使用更灵活;在系统不使用时，可拆装放好。

3 试验

利用新设计的CCD相机位移调整机构所进行的PIV流场测试试验，如图6所示。该机构在调整过程中，运行平稳，操作灵活，能有效、准确将CCD相机调整到所需位置使其固定。通过该试验，验证了该机构在PIV流场测试试验中的可操作性和实用性，实现了在三维空间内对CCD相机安装位置的自由调整，使整套系统更加简单，操作方便，使拍照效果更加清晰。

图6 PIV流场测试试验

4 结束语

通过对PIV测速原理的研究，结合对PIV系统布置环境的考察，设计了CCD相机位移调整机构，并用其进行了PIV流场测试试验。结果表明，该设计能满足PIV系统在流场测试中的工作特点，能更好地进行流场测量实验和实现PIV技术，整套机构在操作方法简单，利于拆装，并能实现较高的标定精度，能够满足PIV在流场测试中的工作要求，使整个系统更加高效，测量结果更加准确。

［1］范洁川.近代流动显示技术［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［2］杨小林，严敬.PIV测速原理与应用［J］.西华大学学报，2005，24(1):19 －21.

［3］欧阳长春，张春华.CCD相机移测装置的设计［J］.兵工自动化，2009，28(11):71 －73.

［4］祝明红，张钧.PDPA移测架系统的研制与应用［M］.中国空气动力研究与发展中心，2004.

［5］成大先.机械设计手册［M］.北京:化学工业出版社.2002.