CN115372660A - 一种离心泵三维体流场测速实验标定系统与标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心泵三维体流场测速实验标定系统与标定方法，包括底座、标定靶、连接杆组、伺服电机驱动器、丝杆和V3V相机，所述V3V相机正对离心泵的离心泵前盖板，所述底座上设有丝杆导轨，所述丝杆转动设于丝杆导轨上，所述伺服电机驱动器设于底座上且输出轴与丝杆连接，所述连接杆组一端与丝杆连接，所述标定靶设于连接杆组的另一端且所述标定靶垂直于底座平面，所述标定靶位于离心泵前盖板后面实验区域中，所述标定靶中心正对V3V相机光轴。本发明涉及三维三分量(3D3C)体流场测试技术领域，具体是提供了一种离心泵三维体流场测速实验标定系统与标定方法，可以有效提高离心泵三维体流场测速实验粒子有效识别率，减低实验误差。

Description

一种离心泵三维体流场测速实验标定系统与标定方法

技术领域

本发明涉及三维三分量(3D3C)体流场测试技术领域，具体是指一种离心泵三维体流场测速实验标定系统与标定方法。

背景技术

常规的流体流动测量手段，如相位多普勒测试仪(PDPA)、粒子图像测速仪(PIV)均只能在点、面的维度上进行流体流动测量，但是由于泵内非定常流动具有瞬时性和三维性，采用常规的点、面测量技术难以取得良好的测量效果，亦无法获取全面的流动信息。目前泵内部三维体流场测量难度仍然较高，缺少行之有效的通用解决方案。

体三维测速仪(V3V)是全球领先的流场测速系统，其中“体三维”就是指可以在一个x、y、z三维区域内任意位置获得任何一个u、v、w方向上的速度分量。体三维测速仪的特色是瞬时状态三相机同步拍摄粒子图像，可以获得瞬态三维三向量速度场，其特征是采用三个CCD跨帧相机，同步分别捕捉一个三维区域内所有示踪粒子的图像，并通过3D-PTV算法计算出其中每一个粒子的运动趋势和速度大小。体三维测速仪的出现，使得泵内流体流动的三维瞬时测量成为可能。流动测量不再局限于一些固定的点或者平面上，离心泵内部流动的全貌也可以实现可视化。

标定是V3V测量中至关重要的一步。系统利用三台针孔相机成像的原理测量三维体空间中的粒子位置。然而，由于一系列的因素存在使得真实情况下的相机无法实现理想状态的针孔相机情况。这些因素包括：(a)CCD相机的机械原因造成的位置不理想，(b)镜头及壁面原因造成的光学变形，(c)与理想针孔相机模型的差别。科学的标定可以将这些误差降低到亚像素的级别，在亚像素误差的情况下，一个拥有数以万计粒子的，足够大的体空间范围是可以进行体流场测量。

在开始离心泵体流场测量实验前，确认标定结果是非常有必要的步骤。不好的标定结果容易导致三维粒子辨识数量偏低或完全无辨识。CN101943169A公开了一种用于三维PIV测量的离心泵，主要用于离心泵内部流动的PIV标定和测量，其特征在于自制标定靶可安装于一侧的分离式端盖上，移动到指定位置后进行标定，其标定数据是平面的，不属于三维三分量(3D3C)体流场测试领域。CN111610173A公开了一种三维流体浓度场标定装置和方法，可以根据标定装置的多帧扫描图像，确定所述标定装置中的第一、第二、第三层腔体的位置，在确定每个子腔体的位置，从而确定标定系数。依据每一层的标定系数，将扫描图像转化为浓度分布。此方法也是通过拍摄每一层腔体获得不同截面的图像来进行标定，无法一次性自动完成所有拍摄，该专利标定方法只适用于平面三维(2D3C)测量范畴，无法直接应用在体三维(3D3C)流体流动测量中。CN112797005B公开了一种三维离心泵高曲叶轮封闭腔体内流场测量方法及装置，应用在离心泵体三维流体流动测量中，该发明结合3D打印技术实现模块化泵体设计并依托折射率匹配和微流控造粒技术解决测量光路扭曲和粒子信号差的问题，解决了离心泵叶轮内部湍流流场的标定和拍摄问题，属于三维三分量(3D3C)体流场测试领域，但是该专利侧重于一种测量系统与装置，对于三维测量的标定系统与方法均无相关内容涉及。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本方案提供的离心泵三维体流场测速实验标定系统与标定方法，可以有效提高离心泵三维体流场测速实验粒子有效识别率，减低实验误差。

本发明采取的技术方案如下：本方案离心泵三维体流场测速实验标定系统，包括底座、标定靶、连接杆组、伺服电机驱动器、丝杆和V3V相机，所述底座上设有离心泵，所述V3V相机设于底座上且正对离心泵的离心泵前盖板，所述底座上设有丝杆导轨，所述丝杆转动设于丝杆导轨上，所述伺服电机驱动器设于底座上且输出轴与丝杆连接，所述连接杆组一端与丝杆连接，所述标定靶设于连接杆组的另一端且所述标定靶垂直于底座平面，所述标定靶位于离心泵前盖板后面实验区域中，所述标定靶中心正对V3V相机光轴，所述丝杆与V3V相机光轴平行，利用丝杆带动标定靶在离心泵前盖板后面实验区域中沿V3V相机光轴方向进行移动，并通过V3V相机根据标定靶位移位置采集标定图像。

作为本方案的进一步优化，所述底座上设有同步器和计算机，所述同步器与V3V相机和伺服电机驱动器电性连接，所述计算机与同步器、V3V相机和伺服电机驱动器电性连接，同步器控制V3V相机根据标定靶位移位置采集标定图像，通过计算机实现标定过程的自动化。

作为本方案的进一步优化，所述连接杆组包括杆一、杆二和杆三，所述杆一滑动设于底座上且通过螺纹孔套设于丝杆上，所述杆二一端设于杆一的顶端，所述杆二的另一端延伸到离心泵前盖板后面实验区域中，所述杆三顶端与杆二另一端连接，所述杆三的底端与标定靶连接。

作为本方案的进一步优化，所述标定靶尺寸为200mm×200mm，表面均匀分布直径为0.2mm的圆形通孔，所述通孔之间垂直间距和水平间距相等，均为5mm。

优选地，所述标定靶材质为有机玻璃，表面喷涂黑色底漆，所述标定靶中心出的通孔点周围缺失三个点用来确定标定靶中心，所述标定靶上设有照明光源。

优选地，所述丝杆导轨上设有限位开关，所述限位开关与伺服电机驱动器电性连接，所述杆一与限位开关接触。

优选地，所述V3V相机设有三组，三组所述V3V相机呈品字形排列。

本方案还提供了一种离心泵三维体流场测速实验标定系统的标定方法，包括以下步骤：

步骤一，将标定靶放置在测量区域，测量区域中测量平面的中心点与标定靶中心点重合，标定靶位置位于测量区域中间；

步骤二，标定靶后侧紧贴放置照明光源，照明光源面积与形状与标定靶近似，确保标定靶通孔全部透光；

步骤三，启动V3V相机，保持V3V相机连续工作状态，调整V3V相机焦距，直到标定靶透光点通过V3V相机成像轮廓清晰，光点无模糊；

步骤四，移动标定靶至测量体区域起始点，此时杆一与限位开关接触，起始点定义为距离V3V相机的最近点，设置为标定原点；

步骤五，设置标定区域方向距离值，该值覆盖离心泵体流场区域，并小于10cm，以保证测量的准确性；

步骤六，设置标定靶移动前后两个竖向标定平面之间的间距值，可选择2mm、3mm、5mm，并开始标定，可以自动等间距移动标定靶并拍摄标定图像，分别为顶相机图像，左相机图像，右相机图像；

步骤七，待标定靶停止后结束标定，并移动标定靶到起始点。

采用上述结构本发明取得的有益效果如下：本方案可以有效提高离心泵三维体流场测速实验粒子有效识别率，为离心泵三维体流场测试提供一种科学的标定系统和标定方法。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本方案离心泵三维体流场测速实验标定系统的整体结构示意图；

图2为本方案离心泵三维体流场测速实验标定系统侧视图。

其中，1、底座，2、标定靶，3、连接杆组，4、伺服电机驱动器，5、丝杆，6、V3V相机，7、离心泵前盖板，8、限位开关，9、同步器，10、计算机，11、杆一，12、杆二，13、杆三，14、通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-图2所示，本方案离心泵三维体流场测速实验标定系统，包括底座1、标定靶2、连接杆组3、伺服电机驱动器4、丝杆5和V3V相机6，所述底座1上设有离心泵，所述V3V相机6设于底座1上且正对离心泵的离心泵前盖板7，所述底座1上设有丝杆导轨，所述丝杆5转动设于丝杆导轨上，所述伺服电机驱动器4设于底座1上且输出轴与丝杆5连接，所述连接杆组3一端与丝杆5连接，所述标定靶2设于连接杆组3的另一端且所述标定靶2垂直于底座1平面，所述标定靶2位于离心泵前盖板7后面实验区域中，所述标定靶2中心正对V3V相机6光轴，所述丝杆5与V3V相机6光轴平行。

如图1，作为一种实施例，所述底座1上设有同步器9和计算机10，所述同步器9与V3V相机6和伺服电机驱动器4电性连接，所述计算机10与同步器9、V3V相机6和伺服电机驱动器4电性连接。

如图2，作为另一种实施例，所述连接杆组3包括杆一11、杆二12和杆三13，所述杆一11滑动设于底座1上且通过螺纹孔套设于丝杆5上，所述杆二12一端设于杆一11的顶端，所述杆二12的另一端延伸到离心泵前盖板7后面实验区域中，所述杆三13顶端与杆二12另一端固接，所述杆三13的底端与标定靶2固接，所述丝杆5导轨上设有限位开关8，所述限位开关8与伺服电机驱动器4电性连接，所述杆一11与限位开关8接触。

其中，所述标定靶2尺寸为200mm×200mm，表面均匀分布直径为0.2mm的圆形通孔14，所述通孔14之间垂直间距和水平间距相等，均为5mm，所述标定靶2材质为有机玻璃，表面喷涂黑色底漆，所述标定靶2中心出的通孔14点周围缺失三个点用来确定标定靶2中心，所述标定靶2上设有照明光源。

如图1，作为另一种实施例，所述V3V相机6设有三组，三组所述V3V相机6呈品字形排列。

本方案还提供了一种离心泵三维体流场测速实验标定系统的标定方法，包括以下步骤：

步骤一，将标定靶2放置在测量区域，测量区域中测量平面的中心点与标定靶2中心点重合，标定靶2位置位于测量区域中间；

步骤二，标定靶2后侧紧贴放置照明光源，照明光源面积与形状与标定靶2近似，确保标定靶2通孔14全部透光；

步骤三，启动V3V相机6，保持V3V相机6连续工作状态，调整V3V相机6焦距，直到标定靶2透光点通过V3V相机6成像轮廓清晰，光点无模糊；

步骤四，移动标定靶2至测量体区域起始点，此时杆一11与限位开关8接触，起始点定义为距离V3V相机6的最近点，设置为标定原点；

步骤五，设置标定区域方向距离值，该值覆盖离心泵体流场区域，并小于10cm，以保证测量的准确性；

步骤六，设置标定靶2移动前后两个竖向标定平面之间的间距值(如图1中一虚一实两标定靶之间的间距)，可选择2mm、3mm、5mm，并开始标定，可以自动等间距移动标定靶2并拍摄标定图像，分别为顶相机图像，左相机图像，右相机图像；

步骤七，待标定靶2停止后结束标定，并移动标定靶2到起始点。

在开始离心泵体流场测量实验前，确认标定结果是非常有必要的步骤，不好的标定结果容易导致三维粒子辨识数量偏低或完全无辨识。

标定前应注意：

调节标定靶2的高度，控制标靶到V3V相机6的距离，控制标定靶2位置位于测量区域中间，调整标定靶2中心与V3V相机6光轴重合；

用户在判定标定靶2移动是否沿V3V相机6光轴方向时，可以利用V3V相机6中心校准激光打在标定靶2上的位置来判定，如果发现光点有移动，说明标定靶2移动方向与V3V相机6光轴不重合，需要进行调整；

丝杆5导轨上安装限位开关8，可以预防移动中不必要的碰撞和其他潜在的危险；也可以用于标定过程中限制标定靶2的移动范围；

系统通过标定靶2中心区域三个缺失的通孔14标定点，对标定靶2中心原点进行识别；

照明光源布置：

良好的照明光源有助于得到好的标定图像和好的标定结果，照明光源布置科学，标定靶2标定的识别就会理想，有两种标定靶2可以使用，第一种，前置光源标定靶2，是一块面上为机械加工点阵的电镀铝板，照明光源放在标定靶2前端；第二种，后置光源标定靶2，是一块优质树脂玻璃，照明光源放在标定靶2后端；实验发现，后置照明光源在很多情况下优于前置照明光源，本发明采用后置照明光源实施方式。

标定过程中，需要调节照明光源，最好使标定点都是未饱和的状态，不同于正常灰度像素点，饱和的像素点在显示面板上呈现出警告品红色，缩放图像到1：1解析度，检查图像的明亮区域确认标定点是否已经饱和，标定靶2距离V3V相机6最近时图像最为明亮，所以需要将标定靶2移动到标定最后的位置(最靠近V3V相机6)来观察标定点的饱和程度，如果图像已经饱和，就需要将照明光源向后移动来减小照明光源的强度。

关闭实验室内其他灯光，只留下标定靶2照明光源进行照明；照明光源远离V3V相机6，减弱照明光源自身的反光影像；清理V3V相机6周围不必要的东西，如螺丝，纸张和其他可能影响反射的东西。

照明光源要均匀的照射标定靶2，由于V3V相机6中的图像传感器自身有一个角度问题存在，这个角度问题会引起图像强度的变化，不能要用图像来判别光线是否均匀，通常图像中接近光轴的部分会比远离V3V相机6的部分更明亮。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种离心泵三维体流场测速实验标定系统，其特征在于，包括底座(1)、标定靶(2)、连接杆组(3)、伺服电机驱动器(4)、丝杆(5)和V3V相机(6)，所述底座(1)上设有离心泵，所述V3V相机(6)设于底座(1)上且正对离心泵的离心泵前盖板(7)，所述底座(1)上设有丝杆导轨，所述丝杆(5)转动设于丝杆导轨上，所述伺服电机驱动器(4)设于底座(1)上且输出轴与丝杆(5)连接，所述连接杆组(3)一端与丝杆(5)连接，所述标定靶(2)设于连接杆组(3)的另一端且所述标定靶(2)垂直于底座(1)平面，所述标定靶(2)位于离心泵前盖板(7)后面实验区域中，所述标定靶(2)中心正对V3V相机(6)光轴且沿V3V相机(6)光轴方向移动。

2.根据权利要求1所述的一种离心泵三维体流场测速实验标定系统，其特征在于，所述底座(1)上设有同步器(9)和计算机(10)，所述同步器(9)与V3V相机(6)和伺服电机驱动器(4)电性连接，所述计算机(10)与同步器(9)、V3V相机(6)和伺服电机驱动器(4)电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种离心泵三维体流场测速实验标定系统，其特征在于，所述连接杆组(3)包括杆一(11)、杆二(12)和杆三(13)，所述杆一(11)滑动设于底座(1)上且通过螺纹孔套设于丝杆(5)上，所述杆二(12)一端设于杆一(11)的顶端，所述杆二(12)的另一端延伸到离心泵前盖板(7)后面实验区域中，所述杆三(13)顶端与杆二(12)另一端连接，所述杆三(13)的底端与标定靶(2)连接。

4.根据权利要求1所述的一种离心泵三维体流场测速实验标定系统，其特征在于，所述标定靶(2)尺寸为200mm×200mm，表面均匀分布直径为0.2mm的圆形通孔(14)，所述通孔(14)之间垂直间距和水平间距相等，均为5mm。

5.根据权利要求5所述的一种离心泵三维体流场测速实验标定系统，其特征在于，所述标定靶(2)材质为有机玻璃，表面喷涂黑色底漆，所述标定靶(2)中心出的通孔(14)点周围缺失三个点用来确定标定靶(2)中心，所述标定靶(2)上设有照明光源。

6.根据权利要求3所述的一种离心泵三维体流场测速实验标定系统，其特征在于，所述丝杆(5)导轨上设有限位开关(8)，所述限位开关(8)与伺服电机驱动器(4)电性连接，所述杆一(11)与限位开关(8)接触。

7.根据权利要求1所述的一种离心泵三维体流场测速实验标定系统，其特征在于，所述V3V相机(6)设有三组，三组所述V3V相机(6)呈品字形排列。

8.一种根据权利要求1～7任一项所述的离心泵三维体流场测速实验标定系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将标定靶(2)放置在测量区域，测量区域中测量平面的中心点与标定靶(2)中心点重合，标定靶(2)位置位于测量区域中间；

步骤二，标定靶(2)后侧紧贴放置照明光源，照明光源面积与形状与标定靶(2)近似，确保标定靶(2)通孔(14)全部透光；

步骤三，启动V3V相机(6)，保持V3V相机(6)连续工作状态，调整V3V相机(6)焦距，直到标定靶(2)透光点通过V3V相机(6)成像轮廓清晰，光点无模糊；

步骤四，移动标定靶(2)至测量体区域起始点，此时杆一(11)与限位开关(8)接触，起始点定义为距离V3V相机(6)的最近点，设置为标定原点；

步骤五，设置标定区域方向距离值，该值覆盖离心泵体流场区域，并小于10cm，以保证测量的准确性；

步骤六，设置标定靶(2)移动前后两个竖向标定平面之间的间距值，可选择2mm、3mm、5mm，并开始标定，可以自动等间距移动标定靶(2)并拍摄标定图像，分别为顶相机图像，左相机图像，右相机图像；

步骤七，待标定靶(2)停止后结束标定，并移动标定靶(2)到起始点。

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