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PIV操作手册

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2020年5月29日
文档仅供参考

PIV操作手册

目录
特别注意事项 3
1 PIV设备连接 4
1.1设备连接原理图 4
1.1.1相机连接方法和注意事项 4
1.1.2同步器连接 5
1.1.3电脑连接 6
2 PIV软件安装 7
3 PIV使用主要操作顺序 7
4 PIV软件使用说明 9
4.1设备连接与采集操作 9
4.2数据查看方法 11
4.3数据分析方法 12
4.3.1 Image Processing 12
4.3.2 Image Conversion 14
4.3.3 Masking 14
4.3.4 PIV Signal 15
4.3.5 Plots 19
4.3.6 Coordinates 20
4.3.7 Statistics 20
4.3.8 Vector & Derivative 21
4.3.9 Coordinates 24
4.3.10 选定气泡过程 25
4.3.11 Matlab连接口 25
4.3.12 三维PIV分析 25

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,–不用的时候一定将电源线拔掉。
4 用相机标定时,需要拆下滤光镜,此时不允许打开激光器,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。

特别情况处理:
有时会发生软件异常情况,这种情况下删除两个目录,即可恢复。
c:\programData\Dantec Dynamics
c:\user\dell\AppData\Local\Dantec Dynamics

1 PIV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
相机经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)。
注意在不使用相机时(做完实验),一定要拔掉相机电源否则有烧毁的危险。建议拔掉电源与插线板之间的连接。
相机在使用中一定注意保护CCD,在有激光时,必须盖上镜头盖(标定时)或者安装上滤光片(实验时),而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。

相机连接图
1.1.2同步器连接
同步器负责连接电脑、相机和激光器。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。

同步器输出面
本系统中,1、3接口分别连接A、B Clock,3、4接口连接Q-in。
1.1.3电脑连接
电脑连接相机和同步器。
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。
同时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

2 PIV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PCle图形采集卡驱动NI-IMAQ和同步器控制卡PCI卡驱动DAQmx,再装PCIe卡和PCI插入计算机,最后安装Dynamic Studio软件dynamicstudio V3.0。
只有在插上加密狗后,软件才能使用。
3 PIV使用主要操作顺序
3.1开机前:
开机前检查设备连线是否正确(同步器1,8只能用一个),并打开所有仪器的电源(相机、激光器,当然还有计算机)。
3.2开机步骤:
(1)开启计算机(2)启动DynamicStudio操作软件。
3.3标定步骤:
a) 检查相机镜头盖是否盖上,若没盖上,请盖上镜头盖。
b) 使激光器发光(一般只发射一腔激光即可,一般为为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。

设置为单帧模式,Trigger rate 用4~5Hz,点Preview。(Preview模式下Number of images 没用,激光用一直发光,直至Stop停止)。
c) 移动标定靶,使其在激光片光平面内,即标定靶所在平面为实际要测量的平面;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。
d) 关闭激光器(用激光器控制面板关闭),移去相机盖,运行DynamicStudio软件,切换到采集模式,运用”Free Run”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) 调焦。使两个相机很好地聚焦在标定靶上。
f) 检查连线(软件界面内)。

g) 运行单帧模式,采集一张图片,切换到Acquired Data栏(Menu--View--Acquired Data)

点击Save for Calibration,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个就能够),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);
h) 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→Customized properties→选择Z选项框→确定;然后再右键点击图片→Show Contents List→这时能够看到所获取的几幅图片→点击每一图片,在左下方的Properties栏里都能够看到图片属性(这时多了Z项)→依次填入每个图片的Z值(图片与Z值必须对应正确);
右键点击总图片→Calibrate→Calibration→Image Model Fit(IMF) →target选择标定板型号,imaging model 选择direct linear transform,确定坐标轴xy方向即可。→Ok生成imf.dlt文件。将imf.dlt文件拉入图片中即可显现标定效果。显示过后,即看圆心点与直线交叉点的重合度好不好,重合好就说明标定效果好。如果重合不好,则需要重新标定,直到满意为止。(标定时,注意拍摄图片亮度对标定结果的影响,如未标定成功可看提示是何问题)对相机2采集的图片也进行相同操作。这样标定操作完成。
标定拍摄时,最好是标定靶占满整个拍摄窗口。

运用一个相机进行二维PIV标定时的步骤:
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”Free Run”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(此时激光器能够用内触发,用自然光拍摄;也能够用外触发,但相机要加上滤光片)→切换到Acquired Data栏→点击Save for Calibration,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→Measure Scale Factor→把图片中的A和B分别拖到两个刻度上→选择Absolute Distance→输入A到B的距离→OK;
3.4测试和数据分析:
A．把相机加上滤光片,激光器按下Simmer(绿钮)和Work(红钮)(做好发光准备);
B. DynamicStudio软件切换到Preview模式下,选择双帧拍摄模式→输入合适的Time Between Pulse→输入采集频率→调节激光器光源强度,使图像灰度分布合理。双击采集图片,分析示踪粒子的密度,大小,跨帧时间是否合适等。
分析方法,在图像上点击右键,选定Display Options...

如上右图,选网格大小,每个网格内有5-8个粒子时PIV计算结果较为理想。按键盘字母T,可自动在第1帧和第2帧切换,当一个粒子在两帧之间移动不超 过网格的1/2时,说明跨帧时间合适。

C．输入采集图片数→点击Acquire采集图片→切换到Acquired Data栏→点击Save in Database;
D．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。
4 PIV软件使用说明
4.1设备连接与采集操作
4.1.1 激光器添加
控制面板上---tools---light source wizard,接下来进入添加步骤。
按照提示进行操作---给定激光器名称(比如vilite350)----选取Two carvities—其余均采用默认参数即可。
1. max trigger frequency设置为10HZ。
2.flash 1 to Q---switch1 delay和flash 2 to Q---switch2 delay 设为555μs
3.Q---switch 1activation delay和Q---switch 2 activation delay均设为0.87μs.
其余均采用默认设置即可。
然后进入采集模式,在右侧控制面板上选择synchronization Cables 出现如下图所示:而且比下图多出两个相机接口,分别连接第五和第六个箭头即可。

接入相机和同步器,选择Create Default connection(告诉软件,硬件是怎么连接的)

相机双帧模式与单帧模式

数据保存界面
Time between pulses:为激光器两腔之间的时间(只在双帧模式下适用),能够调节,根据拍摄图像粒子移动距离而定,一般保证示踪粒子在最小单元格(32*32)中移动1/4到1/2的时间为准。可调范围为几十纳秒到67000纳秒。
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。
Trigger rate:拍摄频率,最高为7.4。
Number of images:拍摄照片正确数量。
其中Free Run为观测窗口,在单帧模式中,当激光机不发光,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。能够观测激光能量和所加粒子浓度是否合适。
其中Acquire用于正式采集数据。注意标定时,一定将激光器关掉。在正式采集数据时,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Save for Calibration。如果是PIV图像,选择Save for Database。
选择Clear Buffers进行清除图片所占的内存。
4.2数据查看方法

数据处理窗口
在FlowSense上左双击出现对应图片,右击选择Show Contents List(对后面所有右击,只要出现都适用)就能够看到对应图片正确列表;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。)
双击拍摄的图片会出现下图,然后拖动蓝色的方块进行调节,就能够看到不太明显的粒子。

调节图片灰度界面
在FlowSense上点右键选Analyze...

选Image processing--ROI Extract,进入界面如下:

在空白处点右键,点Color Map And Histogram,如右上图。调节直方图变换工具,在空白处即可出现照的PIV图像。

拖动浅红色边框的四个角,将需要计算的流场包括进去,以后的计算只计算红色边框之内的图像元素。
4.3数据分析方法
若想得到正确的矢量图结果,需要注意以下步骤:

此步骤的目的是得到较准确的PIV两维流场图.特别是镜头与拍摄平面不垂直时,此步骤尤为重要.
4.3.1 Image Processing

图片像素分析界面
Image Aritthmetic 表示对像素的加减乘除运算。(例如当图片较暗的时候,能够对图片进行乘法运算)
Define Image Balance定义片光的修正,进行片光平滑。
Image Balancing 能够把以前不容易看到的粒子能够显示出来。
ROI Extract用于截取一部分分析用的图片区域。
Image mean用于图片的某一像素平均计算。
Image RMS图片像素的均方根计算。
Image min/max图片像素最小与最大计算。
Image Stitch 图片拼接(当流场较大时就能够采用此方法)
Image Histogram 直方图
Image Processing Library(IPL):低通、高通
其它选项请参考Help。
4.3.2 Image Conversion

图片对应顺序转换界面
Make Single Frame用于保存某一单帧。
Make Double Frame用于更改所有帧的顺序。
Make Reverse Frame 由于反转图片顺序。
Image Resolution用于改变图片的位数(颜色数)。
4.3.3 Masking

图片不需要分析的区域,复杂划分工具界面
点击Define Mask进入分析区域划分界面

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。
Image Masking 进行图片的分析计算,同时忽略Mask中选择的区域。(一般建议不对原图进行MASK,建议对原图进行PIV分析后再对所得矢量图进行MASK。)
4.3.4 PIV Signal

PIV数据计算操作界面

如上图示,如果对原图进行PIV计算,则将鼠标放在1处,点右键分析;也可只对感兴趣的区域进行PIV计算,这时将鼠标放在2处,点右键分析。
Cross-correlation
不常见,不表。(与下面的菜单功能一致)。
Adaptive Correlation(生成矢量图)
Adaptive Correlation自适应互相关法。点击将出现下面的界面。其中Final interrogation area size 是选择最小分辨的网格大小,一般建议32*32,64*64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,high accuracy subpixel refinement 用于粒子小于一个像素时;Use deforming windouws适用于大流速时的变形网格中,现在的PIV算法已经包含在内,可不选。其余选项能够保持默认状态,如果需要修改,请参考Help。

自适应互相关法选项图

过滤方法一般不用

验证选项
对Peak validation中Minimun peak height relative to peak选项,能够不用。如果使用,就设为1.08。Local Neighborhood Validation选Use Moving Average(属于PIV矢量的一种后处理方法。None表示原始的PIV计算结论)其余选项最好不用。
Average Correlation

上图中,一般采用Central difference 方法,Forward difference用于LIF方法(激光诱发荧光粒子测量方法,未购买。)
用于粒子较少的时候,对多幅图片进行加权平均,得到一个图片的结果。
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Help。

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。
其中Shape type为定义网格类型:
Wall——整个平面都不分析
Grid——普通网格
Fals hole——在普通网格内部网格进行加密分析,结合Ｇrid网格使用。
Hole——在Grid内部划分不分析的区域,结合Ｇrid网格使用。

Grid options
4.3.5 Plots
生成图表、云图:

Scalar Map 将矢量图转为标量图(云图)。

Extract 对比两个点的特点(差别)。
Profile Plot 对比两条线的差别。(矢量沿某一线上的变化,需要将矢量图先显示)。
Spectrum 对某一点进行谱分析(能量密度分析)。
4.3.6 Coordinates
——Grid Interpolation 将非结构化网格拟合成结构化网格
4.3.7 Statistics

Image Mean 统计图像平均值
Image RMS 统计图像均方根
Image Min/Max 统计图像最小最大值
4.3.8 Vector & Derivative
本操作对矢量图有效

Scalar Derivatives
能够计算速度梯度,涡量等。
Streamlines
能够绘画流线。

流线效果图
Line Integral convolution
能够画水纹图

水纹效果图
Vector Statistics
统计平均流场

效果图
4.3.9 Coordinates
只对矢量图有效

Vector Rotation/Mirroring对矢量进行转动或者镜像
Vector Stitching对象较大时,能够对图像进行对接
Vector Dewarping对有角度偏差的矢量进行修正
Grid Interpolation 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,涡量的计算。
4.3.10 选定气泡过程
依照下图Shadow Processing命令用框选选定气泡

Shadow——右键——Partical Characterisation——Shadow　Processing—OK—Assistant—Select—选择具有代表性的气泡(即灰度值能代表大部分气泡)—OK—OK。具体操作如下四幅图片。

此时得到了气泡轮廓图片—右键—将背景颜色改为黑色。

如果气泡选定与原图不符合,能够经过重新设定Threshold level的方法获得理想的效果。

4.3.11 Matlab连接口
Analize——Links——Matlab link将软件与Matlab进行连接。
4.3.12 三维PIV分析
Stereo PIV Processing——用空格键选定”标定值”(两个相机)、矢量图(两个相机)——在总图目录上右键分析。
4.3.13　导入图片
按照提示选择图片所在文件夹,支持输入bmp、jpg、tif格式图片。能够根据需要选择图片张数。