PIV操作規(guī)程總結(jié)

PIV操作規(guī)程一、特別注意事項(xiàng)1激光非常危險(xiǎn)，特別注意眼睛和相機(jī)安全，操作一定按照規(guī)定方法執(zhí)行。2使用激光器前，仔細(xì)檢查各系統(tǒng)是否連接正確。3相機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間連接電源，做完實(shí)驗(yàn)后一定將電源線拔掉。4用相機(jī)標(biāo)定時(shí)，需要拆下濾光鏡，此時(shí)不允許打開激光器；實(shí)驗(yàn)時(shí)，打開激光器前，必須安裝上相機(jī)鏡頭蓋。5做實(shí)驗(yàn)前一定要蓋上濾光片6激光器必須每周至少使用一次，否則性能將下降。7實(shí)驗(yàn)時(shí)，不允許非實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)室停留。開機(jī)前:開機(jī)前檢查設(shè)備連線是否正確，并打開所有儀器的電源（相機(jī)、激光器和計(jì)算機(jī)）。需要注意：激光器電源開啟后需要預(yù)熱一段時(shí)間才能投入使用，激光器主機(jī)背后左下方有個(gè)液晶面板，等上面的溫度讀數(shù)達(dá)到100后再開激光。激光器主機(jī)正面面板上有四個(gè)撥動(dòng)開關(guān)，把四個(gè)開關(guān)全部撥到INT為內(nèi)觸發(fā)，把四個(gè)開關(guān)全部撥到EXT為外觸發(fā)。下文中提到的切換內(nèi)外觸發(fā)時(shí)，請(qǐng)進(jìn)行相應(yīng)操作。激光器開啟的順序?yàn)椋合乳_啟主機(jī)背后的左下方的電源（POWER），再開啟遙控器上的開關(guān)（SYSTEMON）。然后開啟水泵對(duì)應(yīng)的開關(guān)（PUMPON）。待預(yù)熱階段結(jié)束后，開啟激光（LASERON）再開啟擋光板的開關(guān)（SHUTTEROPEN）的開關(guān)便會(huì)發(fā)射激光。(內(nèi)觸發(fā)時(shí)會(huì)在SHUTTER開啟后立刻出光，外觸發(fā)時(shí)需要在軟件中選擇采集后激光才會(huì)出光)注意：開啟激光前將控制激光能量大小的旋鈕調(diào)至較小位置，并注意保護(hù)相機(jī)。三、標(biāo)定操作流程與采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流程（1）開啟計(jì)算機(jī)（2）啟動(dòng)DynamicStudio操作軟件。1.標(biāo)定操作流程把相機(jī)蓋蓋上（一定要蓋上），打開激光器，用片光找到要測(cè)量的平面；在片光平面中放入標(biāo)定靶，并移動(dòng)標(biāo)定靶的位置，使片光進(jìn)入標(biāo)定靶整個(gè)面的小孔，然后保持標(biāo)定靶的位置不變，并關(guān)閉激光，打開相機(jī)蓋；運(yùn)行DynamicStudio軟件，新建一個(gè)Database并按鍵切換到采集模式（如下圖）。在SystemControl選項(xiàng)里點(diǎn)擊“FreeRun”來進(jìn)行調(diào)焦，使相機(jī)盡可能清楚的拍到標(biāo)定靶，并且調(diào)焦調(diào)到是拍到標(biāo)定靶的點(diǎn)盡可能清晰，一般用鼠標(biāo)放大最中心的點(diǎn)觀察是否為最清晰。（此時(shí)相機(jī)不用濾光鏡）；選擇單幀拍攝模式（singleframemode）→采集圖片數(shù)（Numberofimages）輸入1（見下圖）→點(diǎn)擊Acquire采集圖片（此時(shí)激光器調(diào)至內(nèi)觸發(fā)，用自然光拍攝）→切換到AcquiredData欄→點(diǎn)擊SaveforCalibration，把數(shù)據(jù)存為標(biāo)定數(shù)據(jù)；然后再分別向前和向后、左右翻轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)移動(dòng)坐標(biāo)靶對(duì)稱的采集幾個(gè)位置。一般采集為七張圖片。采集并存儲(chǔ)完成后，按鍵切換到分析模式，先觀察采集的七張圖片亮度是否合適，如果不合適可以按照下面的步驟調(diào)節(jié)：calibrations——》imageprocessing——》imageArihmetic——》在第二快中乘以或者除以倍數(shù)來調(diào)節(jié)亮度（也可以利用第三塊中的功能）——》OK.e)照片的照片亮度調(diào)節(jié)合適候，接著進(jìn)行驗(yàn)證：calibrations——》imageModelFit——》Dot,200×200mm——》pinholecameramodel.如果驗(yàn)證通過后這結(jié)束，若通不過則看知哪一張不通過，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)操作流程標(biāo)定完成后，相機(jī)、片光的位置不要變。把相機(jī)加上濾光片，激光器切換到外觸發(fā)模式并按下Laseron和Shutteropen（做好發(fā)光準(zhǔn)備）；在要測(cè)量的流體中添加示蹤粒子。先在一容器中倒少量失蹤粒子，加水充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙猓髮⑵涞谷胍獪y(cè)量的流體中。開啟實(shí)驗(yàn)裝置，使待測(cè)流體達(dá)到待測(cè)速度。分別在frame1和frame2下調(diào)節(jié)LASER1和LAER2，使屏幕中看到的粒子亮度和濃度合適為止。DynamicStudio軟件切換到采集模式→選擇雙幀拍攝模式→輸入合適的TimeBetweenPulses→輸入采集頻率→輸入采集圖片數(shù)→點(diǎn)擊Acquire采集圖片→切換到AcquiredData欄→點(diǎn)擊SaveinDatabase；（后面會(huì)解釋參數(shù)如何設(shè)置）采集并存儲(chǔ)完成后，切換到分析模式，進(jìn)行分析。分析方法在后面介紹。采集時(shí)需要設(shè)定的主要參數(shù)如下：相機(jī)雙幀模式與單幀模式Timebetweenpulses為跨幀時(shí)間T，根據(jù)拍攝圖像粒子移動(dòng)距離而定，一般保證粒子在最小單元格（32*32）中移動(dòng)邊長(zhǎng)的1/4到1/2的時(shí)間為準(zhǔn)。注意：獲得的圖像中，每個(gè)單元格中的粒子數(shù)最好為5-8個(gè)，每個(gè)粒子所占的像素最好是2個(gè)左右。Triggerrate為拍攝頻率。Numberofimages為拍攝照片對(duì)的數(shù)量。FreeRun用于單幀模式中，激光器不發(fā)光，相機(jī)進(jìn)行對(duì)焦時(shí)使用，其連續(xù)不停。Preview用于試拍攝，激光發(fā)光，其連續(xù)不停?？梢杂^測(cè)激光能量和所加粒子濃度是否合適。Acquire用于正式采集。注意標(biāo)定時(shí)，用沒有濾光鏡的相機(jī)拍照前，一定將激光器關(guān)掉。在做實(shí)驗(yàn)前，一定先安裝上濾光鏡。使用Acquire正式采集后保存數(shù)據(jù)，如果是標(biāo)定，選擇SaveforCalibration。如果是PIV圖像，選擇SaveforDatabase。選擇ClearBuffers進(jìn)行清除圖片所占的內(nèi)存，一般無需使用。注意：在采集并儲(chǔ)存完數(shù)據(jù)后，就可以切換到分析模式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析了。3對(duì)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理可先截取所需圖片：Analysis——》imageprocessing——》ROIExtract,進(jìn)行截取圖片還可以對(duì)圖片進(jìn)行降噪處理：Analysis——》imageprocessing——》lmagemin/max——》subtract,空格鍵選定這次處理的圖與上一次圖片進(jìn)行降噪。在所采集的圖片上雙擊顯示對(duì)應(yīng)圖片，右擊選擇ShowContentsList（對(duì)后面所有右擊，只要出現(xiàn)都適用）就可以看到對(duì)應(yīng)圖片對(duì)的列表；或選擇Analysis進(jìn)行分析工作（注意此時(shí)是進(jìn)行圖片的分析，與后面矢量圖的分析有區(qū)別）。在顯示的圖片上雙擊會(huì)出現(xiàn)下圖，然后拖動(dòng)藍(lán)色的方塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以看到不太明顯的粒子。調(diào)節(jié)圖片灰度界面4對(duì)實(shí)驗(yàn)圖片分析得到矢量圖在原始圖片上右擊選擇Analysis→PIVSignal→AdaptiveCorrelation→OK就得到了矢量圖5用Masking截取所需矢量圖區(qū)域圖片不需要分析的區(qū)域，復(fù)雜劃分工具界面點(diǎn)擊DefineMask進(jìn)入分析區(qū)域劃分界面，定義一個(gè)Mask有多種工具可供選擇，顯示紅色的地方，在后面的運(yùn)算中，將不會(huì)被分析計(jì)算。ImageMasking可對(duì)原始圖片進(jìn)行分析計(jì)算（同時(shí)忽略Mask中選擇的區(qū)域）。一般不建議對(duì)原始圖片進(jìn)行MASK，建議對(duì)原圖進(jìn)行PIV分析后再對(duì)所得矢量圖進(jìn)行MASK。注意：要進(jìn)行imagemasking，必須先做DefineMask，然后選定所做的Mask才可以。6合成三維矢量圖依次選中兩個(gè)相機(jī)的標(biāo)定文件和兩個(gè)相機(jī)分別對(duì)應(yīng)的矢量圖，在其中一張矢量圖上點(diǎn)擊右鍵——Analyze——StereoPIV——StereoPIVprocessing——打開界面后默認(rèn)即可——OK。7對(duì)合成的矢量圖求流線和渦量Vector&DerivativesVector&Derivatives→ScalarDerivatives→ok8對(duì)合成的矢量圖求平均流場(chǎng)Analysis→statistics→vectorstatistics→Allvalidvectors(inclsubstitute)9對(duì)合成的矢量圖求一條線上的速度圖Analysis→plotsprofileplot→然后取一條需要的線→OK四以下是對(duì)軟件上數(shù)據(jù)分析功能的詳細(xì)介紹以下功能介紹在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)有需要時(shí)可以查閱1ImageProcessing圖片像素分析界面ImageArithmetic表示對(duì)像素的加減乘除運(yùn)算。DefineImageBalance定義片光的修正，進(jìn)行片光平滑。ImageBalancing進(jìn)行片光修正。注意：運(yùn)用Imagebalancing方法首先要定義imagebalance圖片。運(yùn)用此方法時(shí)，所用圖片需盡可能的多（大于50張），且所用圖片無背景圖為佳。ROIExtract用于截取一部分分析用的圖片區(qū)域。Imagemean用于圖片的某一像素平均計(jì)算，主要用于LIF應(yīng)用。ImageRMS圖片像素的均方根計(jì)算，用于LIF應(yīng)用，可考察激光穩(wěn)定性。Imagemin/max圖片像素最小與最大計(jì)算。Imagestitch進(jìn)行圖片拼接。當(dāng)測(cè)量區(qū)域比較大時(shí)，可以劃分為若干小區(qū)域采集，然后拼接起來。Imagehistogram可以得到圖片的像素分布情況。ImageResampling對(duì)圖片進(jìn)行重新采樣。用于PIV和LIF同時(shí)測(cè)量的配置中，對(duì)圖片重新采樣得到詳細(xì)的標(biāo)量圖信息。Imageprocessinglibrary圖像處理庫。常用的圖像處理方法可以在庫中找到應(yīng)用。2ImageConversion圖片對(duì)應(yīng)順序轉(zhuǎn)換界面MakeSingleFrame用于保存某一單幀。MakeDoubleFrame用于用單幀轉(zhuǎn)化為雙幀。MakeReverseFrame由于反轉(zhuǎn)圖片順序。ImageResolution用于改變圖片的位深。5.33PIVSignalPIV數(shù)據(jù)計(jì)算操作界面Cross-correlation互相關(guān)算法。AdaptiveCorrelationAdaptiveCorrelation自適應(yīng)互相關(guān)法，它是在互相關(guān)算法（CrossCorrelation）的基礎(chǔ)上加了一些驗(yàn)證和過濾。點(diǎn)擊將出現(xiàn)下面的界面。其中Finalinterrogationareasize是迭代運(yùn)算的最小網(wǎng)格，一般建議32X32或64X64為宜。Overlap表示在更大的網(wǎng)格范圍內(nèi)尋找相關(guān)粒子進(jìn)行計(jì)算，一般選擇25%或者50%。其余選擇框中，保持2為宜。在options中，highaccuracysubpixelrefinement運(yùn)用新的插值方法來改善Peaklocking，選擇后會(huì)減慢分析計(jì)算速度，一般建議在粒子直徑小于一個(gè)像素時(shí)使用；Usedeformingwindows適用于大流動(dòng)梯度時(shí)，運(yùn)用變形網(wǎng)格可提高去處精度。其余選項(xiàng)可以保持默認(rèn)狀態(tài)。自適應(yīng)互相關(guān)法選項(xiàng)圖過濾方法一般不用驗(yàn)證選項(xiàng)對(duì)Peakvalidation中一般使用Minimunpeakheightrelativetopeak選項(xiàng)，建議設(shè)為1.08。LocalNeighborhoodValidation一般用Usemovingaverage，Acceptancefactor一般設(shè)0.1——0.15。UsingMovingAverage是在選定的矩陣中（例如3X3）驗(yàn)證中間網(wǎng)格矢量與相鄰矢量的速度梯度，如果不合理，則采用平均值代替中間網(wǎng)格矢量；UsingLocalMedian是在選定的矩陣中（例如3X3）驗(yàn)證中間網(wǎng)格矢量與相鄰矢量的速度梯度，如果不合理，則采用中間值代替中間網(wǎng)格矢量。AverageCorrelation用于粒子較稀少的時(shí)候，對(duì)多幅圖片進(jìn)行加權(quán)平均，得到一個(gè)矢量場(chǎng)的結(jié)果。FlexPIV初始界面FlexPIV用于自主繪制需要計(jì)算的網(wǎng)格。點(diǎn)擊Edit進(jìn)入下面的編輯狀態(tài)。詳細(xì)操作見FlexPIVManual。本操作的重點(diǎn)是右邊的選擇項(xiàng)的設(shè)置，網(wǎng)格中以綠點(diǎn)為中心。改變網(wǎng)格類型就相當(dāng)于改變以中心為準(zhǔn)的網(wǎng)格形狀。4CoordinatesImageDewarping——當(dāng)相機(jī)與拍攝平面成一定用度時(shí)，可以用此方法得到一個(gè)相當(dāng)于相機(jī)垂直拍攝的圖片，運(yùn)用此方法需要一個(gè)相機(jī)的IMF標(biāo)定數(shù)據(jù)。以下方法是對(duì)所得矢量圖的分析：5Masking對(duì)矢量圖運(yùn)用Mask。運(yùn)用此方法前必須先定義一個(gè)Mask（方法見4.3.3）。6PIVSignalPeakValidation與在AdaptiveCorrelation中的PeakValidation是一樣的。其中，RelativetoZero-Peak只適用于自相關(guān)算法（AutoCorrelation）。用RelativetoPeak2，建議值為1.08。RangeValidation可設(shè)定合速度、U方向速度和V方向速度范圍進(jìn)行過濾。MovingAverageValidation與在AdaptiveCorrelation中的UsingMovingAverage是一樣的。CoherenceFilterCoherenceFilter，中值過濾，與在AdaptiveCorrelation中的UsingLocalMedian是一樣的。建議設(shè)置值為：當(dāng)計(jì)算矢量圖（Correlation）時(shí)設(shè)置最小網(wǎng)格為32X32時(shí)，設(shè)置30；當(dāng)計(jì)算矢量圖（Correlation）時(shí)設(shè)置最小網(wǎng)格為64X64時(shí)，設(shè)置60。AverageFilter基于MovingAverageValidation的過濾，設(shè)置的矩陣越大，所得到的流場(chǎng)越光滑。VectorStitching用于矢量圖拼接。7求流線和渦量Vector&DerivativesDMDSpectrum&DMDProjectionDMD（DynamicModeDecomposition）方法主要從流體流動(dòng)穩(wěn)定性（時(shí)間和空間）方面研究流場(chǎng)的特征，從而找出流場(chǎng)中流動(dòng)規(guī)律。在上圖中，橫軸Lambda(r)表示流動(dòng)的衰減和增長(zhǎng)，Lambda(i)表示頻率。在縱軸左側(cè)的模式，代表流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，右側(cè)流動(dòng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)。第一階模式代表平均流場(chǎng)。注意：要進(jìn)行DMDProjection必須要先做一個(gè)DMDSpectrum。PODSnapshot&PODProjectionPOD（ProperOrthogonalDecomposition）主要從能量的角度來研究流場(chǎng)的特征，從而找出流場(chǎng)中流動(dòng)規(guī)律。通過PODSnapshot可以得到所有的能量模式。其中，0模式代表平均流場(chǎng)。一般主要研究0——4階模式就足夠了。通過TimeHistoryofPODcoefficients可以得到不同時(shí)刻各模式的能量貢獻(xiàn)情況。由上圖中，可以得出流場(chǎng)帶有周期性規(guī)律。ScalarDerivatives可以得到速度梯度場(chǎng)、渦量場(chǎng)、渦旋強(qiáng)度場(chǎng)等等。Streamlines可以繪畫流線。流線效果圖LineIntegralconvolution水紋效果圖可以畫水紋圖VectorStatistics統(tǒng)計(jì)平均流場(chǎng)效果圖Vector/ScalarSubtraction&VectorArithmetic進(jìn)行矢量的算術(shù)運(yùn)算。8PlotsScalarMap矢量圖轉(zhuǎn)化為標(biāo)量圖。Extract可以得到某個(gè)變量在某些點(diǎn)上沿時(shí)間的變化情況；可對(duì)比兩個(gè)點(diǎn)的特點(diǎn)（差別）。ProfilePlot可得到某個(gè)變量沿某幾條線上的變化；對(duì)比兩條線的差別。Spectrum對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行譜分析。9Coordinates只對(duì)矢量圖有效VectorRotation/Mirroring對(duì)矢量進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或者鏡像VectorStitching同4.3.6PIVsignal中一樣，用于矢量圖拼接。VectorDewarping對(duì)有角度偏差的矢量進(jìn)行修正，需要一個(gè)標(biāo)定文件。VectorInterpolation運(yùn)用TPS方法進(jìn)行矢量插值。GridInterpolation對(duì)網(wǎng)格插值；有時(shí)只有完成這一步后才能進(jìn)行FlexPIV的操作，如云圖，渦量、流線圖的計(jì)算。10Statistics11PIV矢量分析：在原始圖像上點(diǎn)擊右鍵并選擇Analyze，出現(xiàn)上圖所示界面：點(diǎn)擊PIVsignal選擇其中的AdaptiveCorrelationAdaptiveCorrelationAdaptiveCorrelation自適應(yīng)互相關(guān)法，它是在互相關(guān)算法（CrossCorrelation）的基礎(chǔ)上加了一些驗(yàn)證和過濾。點(diǎn)擊將出現(xiàn)下面的界面。其中Finalinterrogationareasize是迭代運(yùn)算的最小網(wǎng)格，一般建議32X32或64X64為宜。Overlap表示在更大的網(wǎng)格范圍內(nèi)尋找相關(guān)粒子進(jìn)行計(jì)算，一般選擇25%或者50%。其余選擇框中，保持2為宜。在options中，highaccuracysubpixel