PIV操作作业流程详解.doc

PIV操作手册

目录
尤其注意事项 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同时器连接 5
1.1.3电脑连接 6
2 PIV软件安装 7
3 PIV使用关键操作次序 7
4 PIV软件使用说明 9
4.1设备连接和采集操作 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

尤其注意事项
1 激光很危险，尤其注意眼睛和相机安全，操作一定根据要求方法实施。
2 使用激光器前，仔细检验各系统是否连接正确。
3 相机不能长时间连接电源，–不用时候一定将电源线拔掉。
4 用相机标定时，需要拆下滤光镜，此时不许可打开激光器，打开激光器前，必需安装上相机镜头盖。
5 做试验前一定要盖上滤光片
6 激光器必需每七天最少使用一次，不然性能将下降。
7 试验时，不许可非试验人员在试验室停留。

尤其情况处理：
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时器，其中同时线连接线接同时器输出端5（OUT5）和6（OUT6）。
注意在不使用相机时（做完试验），一定要拔掉相机电源不然有烧毁危险。提议拔掉电源和插线板之间连接。
相机在使用中一定注意保护CCD，在有激光时，必需盖上镜头盖（标定时）或安装上滤光片（试验时），而且不能让激光直射或强反射到相机里面。
相机镜头可调整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同时器连接
同时器负责连接电脑、相机和激光器。在同时器输入面，只需要用宽数据线连接电脑NI输出端。在同时器输出面，用控制电缆线分别连接相机和双腔激光器。

同时器输出面
本系统中，1、3接口分别连接AB Clock，3、4接口连接Q-in。
1.1.3电脑连接
电脑连接相机和同时器。
注意，本PIV软件配有专门软件加密狗，外形像优盘。要使用PIV系统就必需插上加密狗。必需注意保护加密狗，谨防有些人误将加密狗带走。
同时假如发生加密狗丢失，需要找到一份PIV系统软件明细单，向PIV企业重新购置加密狗。

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企业提供PCle图形采集卡驱动NI-IMAQ和同时器控制卡PCI卡驱动DAQmx，再装PCIe卡和PCI插入计算机，最终安装Dynamic Studio软件dynamicstudio V3.0。
只有在插上加密狗后，软件才能使用。
3 PIV使用关键操作次序
3.1开机前:
开机前检验设备连线是否正确(同时器1,8只能用一个)，并打开全部仪器电源（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）开启DynamicStudio操作软件。
3.3标定步骤:
a) 检验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（通常只发射一腔激光即可，通常为为Laser1），用片光找到要测量平面；此时，注意保护眼睛，激光能量尽可能小部分，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平面；此时，注意保护眼睛，激光能量尽可能小部分，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，利用“Free Run”模式调整两个相机，使标定靶在两个相机拍摄区域中间位置（即尽可能使两个相机拍摄区域重合。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) 检验连线（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采集多个位置（通常5个就能够），并记住这多个位置Z值（第一张为Z＝0处）。（注意：坐标靶平面为XY平面，坐标靶向靠近相机方向移动为Z正方向）；
h) 采集并存放完成后，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几幅图片→点击每一图片，在左下方Properties栏里全部能够看到图片属性（这时多了Z项）→依次填入每个图片Z值（图片和Z值必需对应正确）；
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，即看圆心点和直线交叉点重合度好不好，重合好就说明标定效果好。假如重合不好，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影响，如未标定成功可看提醒是何问题）对相机2采集图片也进行相同操作。这么标定操作完成。
标定拍摄时，最好是标定靶占满整个拍摄窗口。

利用一个相机进行二维PIV标定时步骤：
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，利用“Free Run”模式来调焦，使相机尽可能清楚拍到尺子（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． 采集并存放完成后，切换到分析模式，在所得图片上点击右键→Measure Scale Factor→把图片中A和B分别拖到两个刻度上→选择Absolute Distance→输入A到B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→输入适宜Time Between Pulse→输入采集频率→调整激光器光源强度，使图像灰度分布合理。双击采集图片，分析示踪粒子密度，大小，跨帧时间是否适宜等。
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1/2时，说明跨帧时间适宜。

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．采集并存放完成后，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设备连接和采集操作
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。
根据提醒进行操作---给定激光器名称（比如vilite350）----选择Two carvities—其它均采取默认参数即可。
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.
其它均采取默认设置即可。
然后进入采集模式，在右侧控制面板上选择synchronization Cables 出现以下图所表示：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。

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

相机双帧模式和单帧模式

数据保留界面
Time between pulses：为激光器两腔之间时间（只在双帧模式下适用）,能够调整，依据拍摄图像粒子移动距离而定，通常确保示踪粒子在最小单元格（32*32）中移动1/4到1/2时间为准。可调范围为几十纳秒到67000纳秒。
注意：取得图像中，每个单元格中粒子数最好为5-8个，每个粒子所占像素最好是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为观察窗口，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。能够观察激光能量和所加粒子浓度是否适宜。
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正式采集后保留数据，假如是标定，选择Save for Calibration。假如是PIV图像，选择Save for Database。
选择Clear Buffers进行清除图片所占内存。
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（对后面全部右击，只要出现全部适用）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分析，和后面矢量图分析有区分。）
双击拍摄图片会出现下图，然后拖动蓝色方块进行调整，就能够看到不太显著粒子。

调整图片灰度界面
在FlowSense上点右键选Analyze...

选Image processing--ROI Extract，进入界面以下：

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

拖动浅红色边框四个角，将需要计算流场包含进去，以后计算只计算红色边框之内图像元素。
4.3数据分析方法
若想得到正确矢量图结果,需要注意以下步骤:

此步骤目标是得到较正确PIV两维流场图.尤其是镜头和拍摄平面不垂直时,此步骤尤为关键.
4.3.1 Image Processing

图片像素分析界面
Image Aritthmetic 表示对像素加减乘除运算。（比如当图片较暗时候，能够对图片进行乘法运算）
Define Image Balance定义片光修正，进行片光平滑。
Image Balancing 能够把以前不轻易看到粒子能够显示出来。
ROI Extract用于截取一部分分析用图片区域。
Image mean用于图片某一像素平均计算。
Image RMS图片像素均方根计算。
Image min/max图片像素最小和最大计算。
Image Stitch 图片拼接（当流场较大时就能够采取此方法）
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

图片对应次序转换界面
Make Single Frame用于保留某一单帧。
Make Double Frame用于更改全部帧次序。
Make Reverse Frame 因为反转图片次序。
Image Resolution用于改变图片位数(颜色数)。
4.3.3 Masking

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

有多个工具可供选择，显示红色地方，在后面运算中，将不会被分析计算。
Image Masking 进行图片分析计算，同时忽略Mask中选择区域。（通常提议不对原图进行MASK，提议对原图进行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，假如对原图进行PIV计算，则将鼠标放在1处，点右键分析；也可只对感爱好区域进行PIV计算，这时将鼠标放在2处，点右键分析。
Cross-correlation
不常见，不表。（和下面菜单功效一致）。
Adaptive Correlation（生成矢量图）
Adaptive Correlation自适应相互关法。点击将出现下面界面。其中Final interrogation area size 是选择最小分辨网格大小，通常提议32*32,64*64为宜。Overlap 表示在更大网格范围内寻求相关粒子进行计算，通常选择25%或50%。其它选择框中，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适适用于大流速时变形网格中，现在PIV算法已经包含在内，可不选。其它选项能够保持默认状态，假如需要修改，请参考Help。

自适应相互关法选项图

过滤方法通常不用

验证选项
对Peak validation中Minimun peak height relative to peak选项，能够不用。假如使用，就设为1.08。Local Neighborhood Validation选Use Moving Average(属于PIV矢量一个后处理方法。None表示原始PIV计算结论)其它选项最好不用。
Average Correlation

上图中，通常采取Central difference 方法，Forward difference用于LIF方法（激光诱发荧光粒子测量方法，未购置。）
用于粒子较少时候，对多幅图片进行加权平均，得到一个图片结果。
FlexPIV

初始界面
FlexPIV用于自主绘制需要计算网格。点击Edit进入下面编辑状态。具体操作见Help。

本操作关键是右边选择项设置，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网格形状。
其中Shape type为定义网格类型：
Wall——整个平面全部不分析
Grid——一般网格
Fals hole——在一般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 对比两个点特点（差异）。
Profile Plot 对比两条线差异。（矢量沿某一线上改变，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操作，如云图，涡量计算。
4.3.10 选定气泡过程
依据下图Shadow Processing命令用框选选定气泡

Shadow——右键——Partical Characterisation——Shadow　Processing—OK—Assistant—Select—选择含有代表性气泡（即灰度值能代表大部分气泡）—OK—OK。具体操作以下四幅图片。

此时得到了气泡轮廓图片—右键—将背景颜色改为黑色。

假如气泡选定和原图不符合，能够经过重新设定Threshold level方法取得理想效果。

4.3.11 Matlab连接口
Analize——Links——Matlab link将软件和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
根据提醒选择图片所在文件夹，支持输入bmp、jpg、tif格式图片。能够依据需要选择图片张数。