丹迪PIV操作手册.docx

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丹迪PIV操作手册

PIV操作手册

胡良杰

麦迪公司北京代表处

特别注意事项

1激光非常危险，特别注意眼睛和相机安全，操作一定按照规定方法执行。

2使用激光器前，仔细检查各系统是否连接正确。

3相机不能长时间连接电源，做完实验后一定将电源线拔掉。

4用相机标定时，需要拆下滤光镜，此时不允许打开激光器；实验时，打开激光器前，必须安装上相机镜头盖。

5做实验前一定要盖上滤光片

6激光器必须每周至少使用一次，否则性能将下降。

7实验时，不允许非实验人员在实验室停留。

1PIV设备连接

1.1设备连接原理图

设备连接原理图

1.1.1相机连接方法和注意事项

相机通过白色宽数据线连接电脑，用一黑色圆头线同时连接相机电源和同步器，其中同步线连接线接同步器输出端5（OUT5）和6（OUT6），默认为5（OUT5）。

连接相机电源。

连接方法见下图：

相机连接图

注意：

在做完实验，长时间不使用相机时，一定要拔掉相机电源否则有烧毁相机的危险。

相机在使用中一定注意保护CCD，在发射激光时，必须盖上镜头盖（标定时）或者安装上滤光片（实验时），并且不能让激光直射或者强反射到相机里面。

相机镜头可调节光圈大小和进行对焦。

在完成对焦后不得移动和旋转相机和相机镜头，即保证激光平面和相机的距离保持不变。

1.1.2同步器连接

同步器负责给相机和激光器发出同步信号，协调相机和激光器的同步工作，它与电脑、相机和激光器连接。

在同步器输入面，只需要用宽数据线连接电脑的NI输出端。

在同步器输出面，用控制电缆线分别连接相机和双腔激光器。

注意：

同步器的OUT1——OUT4连接激光器。

其中，OUT1连接Laser1的Flashlamp；OUT2连接Laser2的Flashlamp；OUT3连接Laser1的D/A接口；OUT4连接Laser2的D/A接口:

同步器输出面

1.1.3电脑连接

电脑连接相机数据线和同步器。

注意，本PIV软件配有专门的软件加密狗，外形像优盘。

要使用PIV系统就必须插上加密狗。

必须注意保护加密狗，谨防有人误将加密狗带走。

如果发生加密狗丢失，需要找到一份PIV系统软件明细单，向PIV公司重新购买加密狗。

电脑连接

2PIV软件安装和初步设置

2.1软件安装

首先安装64位操作系统，然后安装DELL驱动（WIN7系统中自带趋动，不需要额外安装），然后安装DANTEC公司提供的同步器控制卡PCI卡驱动DAQmx，重启后关机，再将PCI卡插入计算机；重启计算机后安装DynamicStudio软件dynamicstudioV3.0。

只有在插上加密狗后，软件才能使用。

2.2初步设置

安装完软件后，重启计算机。

a）点击

切换到分析模式。

这时，在Devices栏中会提示软件正在探测相机。

此时我们只需等待，软件会自动探测并添加相机。

（注意：

这时相机必须插上电源）

b）在右侧Devices栏中的

上右击，选择AddNewDevice…，选择DualPower135-15型激光器，把其加入到Devices栏。

f）加入完成后，查看

栏，会看到所有加入的设备。

在

栏内空白处点击右键，选择CreateDefaultConnections完成设备连线（告诉软件，硬件是怎么连接的）。

见下图：

3PIV使用主要操作顺序

一、开机前:

开机前检查设备连线是否正确，并打开所有仪器的电源（相机、激光器，当然还有计算机）。

二、开机步骤:

（1）开启计算机

（2）启动DynamicStudio操作软件。

三、标定步骤:

1.三维标定靶标定

a）检查相机镜头盖是否盖上，若没盖上，请盖上镜头盖（一定要盖上）。

b）打开激光器（一般只发射一腔激光即可，一般为Laser1），用片光找到要测量的平面；此时，注意保护眼睛，激光能量尽量小一些，我们能看到激光即可。

c）在片光平面中放入标定靶，并关闭激光器（用激光器控制面板关闭），打开相机盖；

d）运行DynamicStudio软件，新建一个Database并切换到采集模式，运用“FreeRun”模式调整两个相机，使标定靶在两个相机拍摄区域的中间位置（即尽量使两个相机的拍摄区域重合。

此时相机不用滤光镜）；

e）选择单帧拍摄模式→采集图片数输入1→点击Acquire采集图片（此时激光器处于关闭状态）→切换到AcquiredData栏→点击SaveforCalibration，把数据存为标定数据；然后再分别向前和向后移动坐标靶对称的采集几个位置（一般5个就可以，步骤如粗体字所示），并记住这几个位置的Z值（第一张为Z＝0处）。

（注意：

坐标靶平面为XY平面，坐标靶向靠近相机的方向移动为Z的正方向）；

f）采集并存储完成后，切换到分析模式，在所得图片上点击右键→Customizedproperties→选择Z选项框→确定；然后再右键点击图片→ShowDetailList→这时可以看到所获取的几幅图片→点击每一图片，在左下方的Properties栏里都可以看到图片属性（这时多了Z项）→依次填入每个图片的Z值；

g）右键点击总图片→Analyze→Calibration→ImageModelFit（IMF）→选择所用标定靶的型号→Ok。

2.进行二维标定

a）把相机盖盖上（一定要盖上），打开激光器，用片光找到要测量的平面；

b）在片光平面中放入一把尺子，并关闭激光，打开相机盖；

c）运行DynamicStudio软件，新建一个Database并切换到采集模式，运用“FreeRun”模式来调焦，使相机尽可能清楚的拍到尺子（此时相机不用滤光镜）；

d）选择单帧拍摄模式→采集图片数输入1→点击Acquire采集图片（此时激光器可以用内触发，用自然光拍摄；也可以用外触发，但相机要加上滤光片）→切换到AcquiredData栏→点击SaveforCalibration，把数据存为标定数据；

e）采集并存储完成后，切换到分析模式，在所得图片上点击右键→MeasureScaleFactor→把图片中的A和B分别拖到两个刻度上→选择AbsoluteDistance→输入A到B的距离→OK；

四、测试和数据分析:

a）把相机加上滤光片，激光器切换到外触发模式并按下Laseron和Shutter（做好发光准备）；

b）DynamicStudio软件切换到采集模式→选择双帧拍摄模式→输入合适的TimeBetweenPulse→输入采集频率→输入采集图片数→点击Acquire采集图片→切换到AcquiredData栏→点击SaveinDatabase；

c）采集并存储完成后，切换到分析模式，进行分析，分析方法见后面介绍。

4PIV软件使用说明

4.1采集操作

采集时需要设定的主要参数如下：

相机双帧模式与单帧模式

数据保存界面

其中跨帧时间T为Timebetweenpulses,可以调节，根据拍摄图像粒子移动距离而定，一般保证离子在最小单元格（32*32）中移动边长的1/4到1/2的时间为准。

注意：

获得的图像中，每个单元格中的粒子数最好为5-8个，每个粒子所占的像素最好是2个左右。

Triggerrate为拍摄频率，最高为全帧2190fps。

Numberofimages为拍摄照片对的数量。

其中FreeRun用于单帧模式中，激光器不发光，相机进行对焦时使用，其连续不停。

其中Preview用于试拍摄，激光发光，其连续不停。

可以观测激光能量和所加粒子浓度是否合适。

其中Acquire用于正式采集。

注意标定时，用没有滤光镜的相机拍照前，一定将激光器关掉。

在做实验前，一定先安装上滤光镜。

使用Acquire正式采集后保存数据，如果是标定，选择SaveforCalibration。

如果是PIV图像，选择SaveforDatabase。

选择ClearBuffers进行清除图片所占的内存，一般无需使用。

注意：

在采集并储存完数据后，就可以切换到分析模式进行数据分析了。

4.2数据查看方法

数据处理窗口

在所采集的图片上双击显示对应图片，右击选择ShowContentsList（对后面所有右击，只要出现都适用）就可以看到对应图片对的列表；或选择Analysis进行分析工作（注意此时是进行图片的分析，与后面矢量图的分析有区别）。

在显示的图片上双击会出现下图，然后拖动蓝色的方块进行调节，就可以看到不太明显的粒子。

调节图片灰度界面

4.3数据分析方法

4.3.1ImageProcessing

图片像素分析界面

ImageAritthmetic表示对像素的加减乘除运算。

DefineImageBalance定义片光的修正，进行片光平滑。

ImageBalancing进行片光修正。

注意：

运用Imagebalancing方法首先要定义imagebalance图片。

运用此方法时，所用图片需尽可能的多（大于50张），且所用图片无背景图为佳。

ROIExtract用于截取一部分分析用的图片区域。

Imagemean用于图片的某一像素平均计算，主要用于LIF应用。

ImageRMS图片像素的均方根计算，用于LIF应用，可考察激光稳定性。

Imagemin/max图片像素最小与最大计算。

Imagestitch进行图片拼接。

当测量区域比较大时，可以划分为若干小区域采集，然后拼接起来。

Imagehistogram可以得到图片的像素分布情况。

ImageResampling对图片进行重新采样。

用于PIV和LIF同时测量的配置中，对图片重新采样得到详细的标量图信息。

Imageprocessinglibrary图像处理库。

常用的图像处理方法可以在库中找到应用。

4.3.2ImageConversion

图片对应顺序转换界面

MakeSingleFrame用于保存某一单帧。

MakeDoubleFrame用于用单帧转化为双帧。

MakeReverseFrame由于反转图片顺序。

ImageResolution用于改变图片的位深。

4.3.3Masking

图片不需要分析的区域，复杂划分工具界面

点击DefineMask进入分析区域划分界面，定义一个Mask

有多种工具可供选择，显示红色的地方，在后面的运算中，将不会被分析计算。

ImageMasking可对原始图片进行分析计算（同时忽略Mask中选择的区域）。

一般不建议对原始图片进行MASK，建议对原图进行PIV分析后再对所得矢量图进行MASK。

注意：

要进行imagemasking，必须先做DefineMask，然后选定所做的Mask才可以。

4.3.4PIVSignal

PIV数据计算操作界面

Cross-correlation

互相关算法。

AdaptiveCorrelation

AdaptiveCorrelation自适应互相关法，它是在互相关算法（CrossCorrelation）的基础上加了一些验证和过滤。

点击将出现下面的界面。

其中Finalinterrogationareasize是迭代运算的最小网格，一般建议32X32或64X64为宜。

Overlap表示在更大的网格范围内寻找相关粒子进行计算，一般选择25%或者50%。

其余选择框中，保持2为宜。

在options中，highaccuracysubpixelrefinement运用新的插值方法来改善Peaklocking，选择后会减慢分析计算速度，一般建议在粒子直径小于一个像素时使用；Usedeformingwindows适用于大流动梯度时，运用变形网格可提高去处精度。

其余选项可以保持默认状态。

自适应互相关法选项图

过滤方法一般不用

验证选项

对Peakvalidation中一般使用Minimunpeakheightrelativetopeak选项，建议设为1.08。

LocalNeighborhoodValidation一般用Usemovingaverage，Acceptancefactor一般设0.1——0.15。

UsingMovingAverage是在选定的矩阵中（例如3X3）验证中间网格矢量与相邻矢量的速度梯度，如果不合理，则采用平均值代替中间网格矢量；UsingLocalMedian是在选定的矩阵中（例如3X3）验证中间网格矢量与相邻矢量的速度梯度，如果不合理，则采用中间值代替中间网格矢量。

AverageCorrelation

用于粒子较稀少的时候，对多幅图片进行加权平均，得到一个矢量场的结果。

FlexPIV

初始界面

FlexPIV用于自主绘制需要计算的网格。

点击Edit进入下面的编辑状态。

详细操作见FlexPIVManual。

本操作的重点是右边的选择项的设置，网格中以绿点为中心。

改变网格类型就相当于改变以中心为准的网格形状。

4.3.4Coordinates

ImageDewarping——当相机与拍摄平面成一定用度时，可以用此方法得到一个相当于相机垂直拍摄的图片，运用此方法需要一个相机的IMF标定数据。

以下方法是对所得矢量图的分析：

4.3.5Masking

对矢量图运用Mask。

运用此方法前必须先定义一个Mask（方法见4.3.3）。

4.3.6PIVSignal

PeakValidation

与在AdaptiveCorrelation中的PeakValidation是一样的。

其中，RelativetoZero-Peak只适用于自相关算法（AutoCorrelation）。

用RelativetoPeak2，建议值为1.08。

RangeValidation

可设定合速度、U方向速度和V方向速度范围进行过滤。

MovingAverageValidation

与在AdaptiveCorrelation中的UsingMovingAverage是一样的。

CoherenceFilter

CoherenceFilter，中值过滤，与在AdaptiveCorrelation中的UsingLocalMedian是一样的。

建议设置值为：

当计算矢量图（Correlation）时设置最小网格为32X32时，设置30；当计算矢量图（Correlation）时设置最小网格为64X64时，设置60。

AverageFilter

基于MovingAverageValidation的过滤，设置的矩阵越大，所得到的流场越光滑。

VectorStitching

用于矢量图拼接。

4.3.7Vector&Derivatives

DMDSpectrum&DMDProjection

DMD（DynamicModeDecomposition）方法主要从流体流动稳定性（时间和空间）方面研究流场的特征，从而找出流场中流动规律。

在上图中，横轴Lambda（r）表示流动的衰减和增长，Lambda（i）表示频率。

在纵轴左侧的模式，代表流动处于稳定状态，右侧流动处于非稳定状态。

第一阶模式代表平均流场。

注意：

要进行DMDProjection必须要先做一个DMDSpectrum。

PODSnapshot&PODProjection

POD（ProperOrthogonalDecomposition）主要从能量的角度来研究流场的特征，从而找出流场中流动规律。

通过PODSnapshot可以得到所有的能量模式。

其中，0模式代表平均流场。

一般主要研究0——4阶模式就足够了。

通过TimeHistoryofPODcoefficients可以得到不同时刻各模式的能量贡献情况。

由上图中，可以得出流场带有周期性规律。

ScalarDerivatives

可以得到速度梯度场、涡量场、涡旋强度场等等。

Streamlines

可以绘画流线。

流线效果图

LineIntegralconvolution

水纹效果图

可以画水纹图

VectorStatistics

统计平均流场

效果图

Vector/ScalarSubtraction&VectorArithmetic

进行矢量的算术运算。

4.3.8Plots

ScalarMap矢量图转化为标量图。

Extract可以得到某个变量在某些点上沿时间的变化情况；可对比两个点的特点（差别）。

ProfilePlot可得到某个变量沿某几条线上的变化；对比两条线的差别。

Spectrum对某一点进行谱分析。

4.3.9Coordinates

只对矢量图有效

VectorRotation/Mirroring对矢量进行转动或者镜像

VectorStitching同4.3.6PIVsignal中一样，用于矢量图拼接。

VectorDewarping对有角度偏差的矢量进行修正，需要一个标定文件。

VectorInterpolation运用TPS方法进行矢量插值。

GridInterpolation对网格插值；有时只有完成这一步后才能进行FlexPIV的操作，如云图，涡量、流线图的计算。

4.3.10Statistics

5三维矢量图生成

依次选中两个相机的标定文件和两个相机分别对应的矢量图，在其中一张矢量图上点击右键——Analyze——StereoPIV——StereoPIVprocessing——打开界面后默认即可——OK。

6外部同步触发

6.1硬件连接

将外部输入同步信号设备连接到Timerbox后面板的IN1上。

6.2软件设置

点击

切换到分析模式。

在右侧Devices栏中的

上右击，选择AddNewDevice…，添加一个Pulsegenerator。

如下图：

此时，在Devices和SynchronizationCables栏中都会多一个Pulsegenerator设备。

在SynchronizationCables栏中把Pulsegenerator和Timerbox的IN1用线连起来。

如图:

最后，在DevicesProperties栏中把TimerBox属性中的TriggerMode改为External。

如下图：

这样，即可用外触发进行采集了：

点击采集（Acquire或Preview），当有外部触发信号时，设备即进行采集。

注意：

当不用外部触发信号时，请把Timerbox属性中触发模式改为Internal。