專利名稱：模型動(dòng)態(tài)俯仰下進(jìn)行piv測(cè)量的鎖位拍攝方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域的一種風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法，特別是涉及一種在模型動(dòng)態(tài)俯仰 過程中進(jìn)行PIV測(cè)量的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
高機(jī)動(dòng)性是目前新一代戰(zhàn)機(jī)所必需滿足的主要技術(shù)指標(biāo)之一，而戰(zhàn)機(jī)的高機(jī)動(dòng)動(dòng) 作，通常都是由戰(zhàn)機(jī)的大攻角快速拉起或下俯來實(shí)現(xiàn)的。因而在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，研究飛機(jī)模型 動(dòng)態(tài)俯仰下的流動(dòng)特征具有重要意義。PIV技術(shù)是目前進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)研究的重要實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段。PIV是粒子圖象 測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry)的縮寫。PIV技術(shù)突破傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量的限制， 可以瞬時(shí)無接觸的測(cè)量流場(chǎng)中的一個(gè)截面上的速度分布，且具有較高的測(cè)量精度。PIV技術(shù) 的基本原理為，在流場(chǎng)中布撒示蹤粒子，并用脈沖激光片光源入射到所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域中，通過 連續(xù)兩次或多次曝光，粒子的圖像被記錄在底片上或CCD相機(jī)上。采用自相關(guān)法或互相關(guān) 法，逐點(diǎn)處理PIV底片或CCD相機(jī)記錄的圖像，獲得粒子在曝光間隔時(shí)間內(nèi)走過的位移，繼 而獲得流場(chǎng)速度分布。常規(guī)的PIV實(shí)驗(yàn)，經(jīng)常是對(duì)模型固定的截面進(jìn)行拍攝，或者是對(duì)一些平行的截面 拍攝，這樣在滑軌上移動(dòng)相機(jī)即可，而不必重新標(biāo)定。但是，對(duì)于研究非定常狀態(tài)下的動(dòng)態(tài) 俯仰實(shí)驗(yàn)，情況就不同了。動(dòng)態(tài)俯仰實(shí)驗(yàn)研究飛行器攻角動(dòng)態(tài)變化過程中的流動(dòng)狀況，由于 模型的攻角始終在改變，所要拍攝的截面互相不平行，同時(shí)流場(chǎng)中待觀測(cè)區(qū)域與片光平面 并非任何時(shí)刻都是重合的，需要在二者重合時(shí)刻進(jìn)行拍攝；同時(shí)，由于不同攻角下各個(gè)拍攝 截面不平行，常規(guī)方法拍攝每次改變攻角需要重新標(biāo)定，而且拍攝截面非水平情況下標(biāo)定 難于實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)的效率。這樣給動(dòng)態(tài)PIV實(shí)驗(yàn)帶來了很大的困難。目前國內(nèi)外還沒有進(jìn)行模型動(dòng)態(tài)俯仰情況下PIV實(shí)驗(yàn)的記錄。為了解決動(dòng)態(tài)俯仰 情況下的PIV拍攝問題，一種方案是讓相機(jī)和片光隨模型一起運(yùn)動(dòng)，這種方案實(shí)現(xiàn)難度很 大，而且激光的導(dǎo)光臂運(yùn)動(dòng)變化后，片光打出的位置會(huì)變得不準(zhǔn)，增大拍攝誤差。本發(fā)明提 出了另一種拍攝方案，即動(dòng)態(tài)拉起/搖滾的PIV鎖位拍攝方法，并給出了一套方便快捷的實(shí) 現(xiàn)拍攝的移動(dòng)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，給出一種模型動(dòng)態(tài)俯仰條件下的PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，使得在模 型俯仰過程中PIV拍攝成為可能，并且可以方便快捷地調(diào)整拍攝的截面和角度，而不用重 新實(shí)施標(biāo)定的過程。本發(fā)明將相機(jī)和片光支桿固定在一移動(dòng)支座上，如圖1所示，該移動(dòng)支座可繞模 型轉(zhuǎn)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)，片光支桿與模型軸線平行，片光與模型軸線垂直，實(shí)驗(yàn)時(shí)首先讓片光支桿 的角度與待拍攝模型攻角一致，片光位置與模型待拍攝截面一致，然后啟動(dòng)模型動(dòng)態(tài)俯仰 運(yùn)動(dòng)，待運(yùn)行到待拍攝攻角，外觸發(fā)PIV相機(jī)拍攝。為了實(shí)現(xiàn)相機(jī)和片光支桿繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心的聯(lián)動(dòng)，如果采用圓弧導(dǎo)軌，造價(jià)很高，因而本發(fā)明提出了通過兩個(gè)線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)來 擬合實(shí)現(xiàn)圓弧運(yùn)動(dòng)，圖2給出該機(jī)構(gòu)的原理圖。圖2中水平步進(jìn)電機(jī)和垂直步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 相機(jī)和片光支桿擬合圓弧運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)保證支桿角度與待測(cè)攻角一致，三臺(tái)電機(jī)的 控制原理圖如圖3所示。該相機(jī)、激光片光移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了片光截面的任意角度，任意截面 的無極調(diào)節(jié)，同時(shí)完全實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)的自動(dòng)化，極大地提高了實(shí)驗(yàn)效率。該機(jī)構(gòu)位于風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)段上側(cè)，這樣不會(huì)干擾模型的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)流場(chǎng)也不會(huì)產(chǎn) 生干擾。該系統(tǒng)需要橫跨風(fēng)洞的支架系統(tǒng)，既不干擾流場(chǎng)，又給運(yùn)動(dòng)部分提供支撐。系統(tǒng)的 水平方向運(yùn)動(dòng)由沿風(fēng)速方向的水平導(dǎo)軌組成，移動(dòng)部分整體坐落于水平導(dǎo)軌之上。移動(dòng)部 分通過滑塊由絲杠系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)部分的水平移動(dòng)。絲杠由步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度和位移可以精確控制。垂直方向的運(yùn)動(dòng)與水平方向類似，導(dǎo)軌固定于移動(dòng)支架一側(cè)，而相機(jī)及其轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)安裝在一塊平板之上，平板通過滑塊與垂直滑軌連接，使得其可以沿著滑軌移動(dòng)。類似水 平方向，垂直方向運(yùn)動(dòng)也由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠從而帶動(dòng)其移動(dòng)。系統(tǒng)最后一部分是相機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。這部分完成相機(jī)光軸對(duì)準(zhǔn)模型轉(zhuǎn)動(dòng)中心的 任務(wù)，主要由軸承座、轉(zhuǎn)軸、步進(jìn)電機(jī)和相機(jī)座組成。轉(zhuǎn)軸距離垂直移動(dòng)平板要有足夠的距 離，以保證相機(jī)座能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)不受阻礙。相機(jī)底座安裝相機(jī)的同時(shí)，還要安裝片光支桿， 使得片光與相機(jī)隨動(dòng)，二者始終保持垂直的關(guān)系。這樣相機(jī)與片光的關(guān)系保持不變，視場(chǎng)不 變時(shí)，不同攻角實(shí)驗(yàn)時(shí)就無需重新標(biāo)定。同時(shí)，片光支桿的長度要足夠長，以保證視場(chǎng)足夠 大。由于片光支桿長度較大，造成驅(qū)動(dòng)力矩較大，如果步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩不夠，需要加裝減 速器O上訴三部分系統(tǒng)的協(xié)同工作完成了將相機(jī)置于以轉(zhuǎn)動(dòng)中心為圓心，不同半徑的圓 周上的任務(wù)。上訴三部分的運(yùn)動(dòng)全部由計(jì)算機(jī)控制完成。在系統(tǒng)安裝完成之后，需要以一 個(gè)參考點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，標(biāo)定出模型轉(zhuǎn)動(dòng)中心和相機(jī)鏡頭在此坐標(biāo)系中的位置。根據(jù) 這些參數(shù)，編寫控制程序，并在每次鏡頭位置改變之后將其位置保存到磁盤中，使得系統(tǒng)不 必重新標(biāo)定。將模型截面和視場(chǎng)大小等作為程序的參數(shù)，程序根據(jù)這些參數(shù)自動(dòng)計(jì)算所需 的三個(gè)自由度的位移，并控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置，實(shí)現(xiàn)了完全的自動(dòng)化。


圖1動(dòng)態(tài)俯仰下PIV鎖位拍攝技術(shù)原理圖(側(cè)視圖)圖2相機(jī)、激光片光移動(dòng)支架(用于動(dòng)態(tài)拉起PIV鎖位拍攝)圖3相機(jī)、激光片光移動(dòng)支架電機(jī)控制原理4動(dòng)態(tài)拉起時(shí)PIV拍攝結(jié)果(翼身組合體前體渦，拉起速度逐漸加大)
具體實(shí)施例方式示例 1 對(duì)于本方法所述方法及及裝置，在實(shí)驗(yàn)標(biāo)定時(shí)，可以將系統(tǒng)調(diào)整到相機(jī)光軸垂直 于風(fēng)洞地面，將標(biāo)定板水平放置，在這種狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定。完成標(biāo)定后，不同攻角下，如果視 場(chǎng)不變，無需重新標(biāo)定，這就解決了傳統(tǒng)方式下更換截面需要重新標(biāo)定的問題。在上述步驟完成之后，片光已經(jīng)固定在預(yù)先設(shè)定好的截面，相機(jī)也已經(jīng)調(diào)整到位，
4PIV系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。此時(shí)即可將PIV控制系統(tǒng)設(shè)置為外觸發(fā)狀態(tài)，待模型俯仰控制系統(tǒng) 使得模型到達(dá)指定位置之后，發(fā)出脈沖信號(hào)觸發(fā)PIV系統(tǒng)采集即可。所以，模型俯仰控制系 統(tǒng)必須裝有角度測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)在每一時(shí)刻的角度應(yīng)該精確地知道，才能在模型觀測(cè)截面 與片光平面在預(yù)定攻角重合時(shí)觸發(fā)PIV系統(tǒng)采集。如果PIV系統(tǒng)響應(yīng)存在延時(shí)，則需要根 據(jù)俯仰的速度提前給出外觸發(fā)脈沖，提前的時(shí)間由延遲時(shí)間了俯仰速度決定。這些參數(shù)設(shè) 置好之后，就可以進(jìn)行Piv拍攝了。 拍攝完一個(gè)攻角位置后，對(duì)于同一拍攝截面而言，不必重新標(biāo)定，可通過圖2所示 移動(dòng)機(jī)構(gòu)和圖3所示控制方式，將相機(jī)和片光自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)待測(cè)量攻角，重復(fù)以上測(cè)量。
權(quán)利要求
一種在模型動(dòng)態(tài)俯仰情況下進(jìn)行PIV鎖位拍攝的方法及其裝置。主要包括一套三自由度的運(yùn)動(dòng)裝置，標(biāo)定的方法，以及模型拉起過程中PIV拍攝的具體實(shí)現(xiàn)。主要特征在于通過兩個(gè)線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)角運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)擬合出圓弧軌跡，相機(jī)和激光片光固定在該機(jī)構(gòu)上，從而保證對(duì)模型的每個(gè)測(cè)量截面，只需標(biāo)定一次，便可通過該移動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同測(cè)量攻角下的PIV測(cè)量；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，兩個(gè)線運(yùn)動(dòng)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠來實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過 電機(jī)加減速器實(shí)現(xiàn)；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，相機(jī)鏡頭光軸與片光平面設(shè)計(jì)為垂直關(guān)系，并且片光系 統(tǒng)與鏡頭系統(tǒng)一起運(yùn)動(dòng)，其相對(duì)位置不變，避免迎角改變時(shí)重新標(biāo)定；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，負(fù)責(zé)垂直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)和絲杠固定在一移動(dòng)框上，該移 動(dòng)框可以在水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)下沿水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)可在移動(dòng)框上做垂直移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和4所述方法，PIV相機(jī)固定在與旋轉(zhuǎn)電機(jī)一同旋轉(zhuǎn)的支座上，激光 片光固定在與旋轉(zhuǎn)電機(jī)一同旋轉(zhuǎn)的支桿上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4和5所述方法，兩個(gè)線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)角運(yùn)動(dòng)通過計(jì)算機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)運(yùn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍骋慌臄z截面，通過PIV標(biāo)定板標(biāo)定后，將 相機(jī)和片光位置固定，啟動(dòng)模型動(dòng)態(tài)俯仰，待到達(dá)待拍攝位置，觸發(fā)PIV進(jìn)行測(cè)量。然后運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到其它待拍攝攻角位置，不用重新標(biāo)定，直接拍攝測(cè)量即可。
全文摘要
本發(fā)明的內(nèi)容是一種在模型動(dòng)態(tài)俯仰條件下進(jìn)行PIV測(cè)量的方法和裝置。該方法PIV將PIV相機(jī)和激光片光固定在待拍攝角度，待模型運(yùn)動(dòng)到指定位置，觸發(fā)PIV進(jìn)行測(cè)量。固定相機(jī)和激光片光頭的機(jī)構(gòu)為一套移動(dòng)支架系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用水平和垂直兩個(gè)自由度的平動(dòng)和一個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)來模擬圍繞模型轉(zhuǎn)動(dòng)中心的圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以無級(jí)改變圓周的半徑，采用相機(jī)和片光隨動(dòng)的方法使二者相對(duì)位置保持不變，從而避免了重復(fù)標(biāo)定，提高實(shí)驗(yàn)效率，三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)全部由步進(jìn)電機(jī)控制，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)由計(jì)算機(jī)程序控制，實(shí)現(xiàn)相機(jī)、片光位置調(diào)整的完全自動(dòng)化。
文檔編號(hào)G01M9/00GK101986160SQ201010181978
公開日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者張 杰, 李巖, 王延奎, 鄧學(xué)鎣, 馬寶峰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)