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一种速度粒度实时同场测量技术的研究

作　者: 李治龙
导　师: 吴志军
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: PIVS 双目视觉粒子像点匹配灰度差分
分类号: TK421
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

在柴油机中,喷油器的喷雾特性对发动机的燃烧过程有着重要的影响,喷雾雾滴颗粒直径直接影响混合气的形成质量,因此对喷雾场中雾滴颗粒直径分布的测量显得尤为重要。研究人员通常希望在测量雾滴尺寸的时候,同时获得雾滴的速度特性,这对于研究燃油的微观雾化机理具有重要的意义。基于双目视觉和灰度差分法,本文开发了一套能够直接实现对流场的速度、粒度同场实时测量的系统——粒子图像速度粒度场仪PIVS(Particle Image Velocimertry & Sizer),并对该系统进行了实验验证。本文主要开展了以下几个方面的工作: 1.根据Mie散射理论,在基于不同激光光强的灰度差分法粒子粒径测量的基础上,提出了基于双目视觉的灰度差分法,建立了该方法的测量模型,推导了粒子图像的灰度与粒径的关系。该方法利用两台数字相机从不同的拍摄角度对粒子进行拍摄,根据不同的散射角度条件下激光散射强度的不同,获得具有灰度差异的粒子图像,以此进行粒子粒径的测量。最后利用水槽实验对该方法进行了检验,验证了本方法的有效性和可行性。2.提出了基于双目视觉的自相关速度测量方法。在利用自相关进行速度测量时,最大的一个问题就是速度方向存在“二义性”。本文提出了一种利用双相机来解决自相关速度方向的二义性的算法,该算法利用两台数字相机对同一流场区域进行拍摄,进行自相关拍摄的相机曝光两次;另一台数字相机曝光一次,通过粒子像配对来区分自相关图像中不同时刻的粒子像,以此根据拍摄时序进行速度方向的判断。根据该算法编写了对应的处理程序,通过对模拟数据进行的对比验证和对实验数据进行的测量验证对本方法进行了检验。3.提出了基于双目视觉的粒子像的配对方法。在利用灰度差分法进行粒子粒径计算时,同一个粒子在不同的相机中所成的像点的配对过程是该方法的核心问题。本文使用两台数字相机进行拍摄,一台数字相机90度布置,进行“正拍”,“正拍”图像曝光两次形成自相关图像;另一台数字相机60度布置,进行“斜拍”,“斜拍”图像曝光一次。由于曝光次数和拍摄角度都不一样,给粒子像点的配对增加了难度。在这种情况下,本文提出了新的粒子像点配对方法,并对这些方法进行了粒子像配对检验。4.开发了PIVS系统相应的软硬件。PIVS系统包括硬件(拍摄与成像系统)和软件(处理与控制系统)两个部分。硬件方面搭建了适用与本系统的双相机拍摄系统,并成功通过拍摄系统拍摄到了满足PIVS系统需要的图像;软件方面基于C++的数字图像处理技术和数据库技术开发了图像处理与控制系统,并通过该系统完成了图像的采集、存储、处理和控制过程,获得了流场的速度矢量信息和粒子粒径分布信息。5.对本文开发的PIVS软硬件系统进行了实验验证。文章从三个方面对系统进行了检验,分别检验了系统在单独进行速度测量、粒径计算以及在进行速度和粒度的同场测量时的可行性和可靠性,最终考察了PIVS系统的测量的有效性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-29
  1.1 课题研究的背景  13-14
  1.2 国内外的研究现状  14-26
    1.2.1 流场测量技术  15-20
    1.2.2 粒度测量技术  20-21
    1.2.3 速度粒度同场测量技术  21-25
    1.2.4 速度粒度同场实时测量技术的应用现状  25-26
  1.3 本文研究的意义以及研究内容  26-29
    1.3.1 PIVS 技术的背景以及意义  26-27
    1.3.2 本文研究的主要内容  27-29
第二章 PIVS 系统技术原理  29-46
  2.1 数字粒子图像测速技术  29-34
    2.1.1 DPIV 基本原理  29-30
    2.1.2 DPIV 图像处理技术  30-31
    2.1.3 DPIV 记录技术  31-32
    2.1.4 DPIV 系统中若干参数的选择  32-34
    2.1.5 DPIV 技术的特点  34
  2.2 PIVS 的基本原理  34-44
    2.2.1 自相关法介绍  35-37
    2.2.2 灰度差分法粒径测量  37-40
    2.2.3 粒子像点配对算法  40-44
  2.3 PIVS 算法流程  44-45
  2.4 小结  45-46
第三章 PIVS 硬件系统  46-57
  3.1 基于声光调制的光路系统  46-49
    3.1.1 激光器  46-47
    3.1.2 声光调制器  47-48
    3.1.3 光路系统  48-49
  3.2 双相机拍摄系统  49-51
    3.2.1 摄像机  50
    3.2.2 光学平板和六维调节台  50-51
  3.3 硬件系统的连接和控制  51-53
    3.3.1 数字同步脉冲发生器  51-53
    3.3.2 控制用计算机  53
  3.4 硬件系统的调试与验证  53-56
    3.4.1 硬件系统的调试  53-55
    3.4.2 硬件系统的验证  55-56
  3.5 小结  56-57
第四章 PIVS 软件系统的开发  57-84
  4.1 数字同步程序  57-59
  4.2 图像采集软件  59-63
    4.2.1 采集软件使用界面  59-62
    4.2.2 采集软件功能模块  62-63
  4.3 图像处理软件简介  63-72
    4.3.1 处理软件使用界面  63-64
    4.3.2 处理软件功能模块  64-72
  4.4 图像预处理技术  72-77
    4.4.1 图像几何变换  73-75
    4.4.2 图像边缘检测  75
    4.4.3 连通区域的填充和标定  75-77
  4.5 速度粒度同场处理技术  77-83
    4.5.1 粒子粒径计算流程  78
    4.5.2 粒子粒径计算关键模块  78-79
    4.5.3 流场速度计算流程  79-80
    4.5.4 流场速度计算关键模块  80-83
  4.6 小结  83-84
第五章 PIVS 系统的验证  84-99
  5.1 速度测量验证  84-90
    5.1.1 模拟速度测量验证  84-86
    5.1.2 实验速度测量验证  86-89
    5.1.3 验证结果分析  89-90
  5.2 粒径测量验证  90-91
    5.2.1 试验粒径测量验证  90-91
    5.2.2 验证结果分析  91
  5.3 速度粒度同场测量验证  91-97
    5.3.1 速度测量分析  94-95
    5.3.2 粒径测量分析  95-97
    5.3.3 检验结果分析  97
  5.4 小结  97-99
第六章全文工作总结及展望  99-101
参考文献  101-112
致谢  112-113
攻读硕士学位期间发表或录用的学术论文  113

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