PIV测速简单计算_V2.1
粒子图像测速技术
粒子图像测速技术（PIV ）1．PIV 简介粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。
粒子图像测速技术（PIV ）是一种用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像，从而测出流动速度的方法。
PIV 是流场显示技术的新发展。
它是在传统流动显示技术基础上, 利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。
动测量技术。
综合了单点测量技术和显示测量技术的优点综合了单点测量技术和显示测量技术的优点, 克服了两种测量技术的弱点而成的, 既具备了单点测量技术的精度和分辨率, 又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。
的整体结构和瞬态图像。
图1. 粒子图像测速技术粒子图像测速技术2．PIV PIV的原理的原理PIV 技术原理简单，就是在流场中撤入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度．应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平面，用成像的方法(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等)。
因采用的记录设备不同, 又分别称FPIV FPIV ( ( 用胶片作记录) 和数字式图像测速DPIV （用CCD 相机作记录)。
3．PIV PIV系统组成系统组成PIV 系统通常由三部分组成, 每一部分的要求都相当严格。
每一部分的要求都相当严格。
图2. 粒子图像测速系统结构粒子图像测速系统结构（1）直接反映流场流动的示踪粒子。
除要满足一般要求( 无毒、无腐蚀、无磨蚀、化学性质稳定、化学性质稳定、清洁等清洁等) 外,还要满足流动跟随性和散光性等要求。
还要满足流动跟随性和散光性等要求。
要使要使粒子的流动跟随性好, 就需要粒子的直径较小, 但这会使粒子的散光性降低,不易于成像。
面向教学实验的轻型无监督PIV算法
基于运动的粒子的灰度及其外形在极短的间隔时间
内保持不变的假设，我们设计了图像变换层。图像变换
层的作用是利用图像 A 和运动矢量进行变换得到图像 B
的估计。图像变形层可以用如式（1）所示的公式描述图像
变换的过程。
I~i
B ,j
=
IA i+v, j+u
（1）
式（1）中，i,j 表示像素的位置，u,v 表示速度场估 计的水平分量和垂直分量。图像变换层使模型可以用图
UNet 网络，模型参数仅为 LiteFlowNet 模型的十分之
一，且训练过程没有速度场真值的参与。相较于其他几
种深度学习 PIV 算法，本文算法精度有所下降，但仍然
取得了可以接受的结果，在不同类型的粒子图像中平均
单像素的估计误差均低于 0.5 像素。
在运算速度上，基于深度学习的 PIV 算法可以使用
的干扰。主干神经网络提取出运动场的估价值，平滑层
对运动场估计值进行平滑滤波，同时利用掩膜层消除无
粒子区域的干扰。用运动场估价值对图像 A 进行空间变
换，得到图像 B 的估计。图像 B 与图像 B 的估计进行对
应像素的亮度值计算损失，并将损失值反向传播用于调
整主干神经网络的参数。重复以上过程直至损失值收敛。
1.1 模型概述 本文提出的轻型无监督学习粒子图像算法 MinUnS_ PIV，算法模型如图 1 所示。
图 1 MinUnS_PIV 模型 Fig.1 MinUnS_PIV model 收稿日期 ：2023-09-10 * 基金项目 ：浙江省教育厅一般科研项目（Y202147419）；青年科学基金项目（12002334） 作者简介 ：施芒 (1983— )，男，浙江金华人，硕士研究生，高级工程师，从事机器视觉及人工智能研究工作。
现代工程控制中的测试与检测技术(11 LDV和PIV)
1 r a v K r 1 c
v K i 1 c i v K r 1 c
I与R之间的频率偏移
1 c 1 r i i v K r 1 c v K i v K r K i ) i c v K r 1 c
v R ( ) v R ( 0 ) a b cos
a、 b为常数，由实验决定，通 常，a=0.15~0.20，b=0.85~0.80
测量方法 ① 直接测量法（对向测量） 在XOY平面内转动热线，使E最大。气流方向在XOY内 且与热线垂直。 测得E，由E ~ vR，可求得vR（= v）； ② 间接测量法（不对向测量） 置热线探头于XOY平面，测得桥项电压E1。 将热线探头在XOY内转动角，测得桥电压E2。 由E ~ vR可得vR1和vR2，解联立方程得v和
v1 光源 P1
光学多普勒效应
v2 接收
P2
P1
v 1t 1
l
ct1
l c t 1 v 1t 1
1 v1 (c v1 )
t2
l
(c v 2 )
2 ν1
(c v 2 ) (c v1 )
传播方向单位向量 。 光接受器R：光频2 ，R运动速度 v 2 。 光学多普勒效应给出光源与光接受器之间频率关系：
一.激光多普勒测速原理 基本原理简述：当激光照射到跟随流体一起运动的 微粒（示踪颗粒）上时，激光被运动着的微粒所散射。 散射光的频率和入射光的频率相比较，有正比于流体速 度的频率偏移。测量这个频率偏移，就可以测得流体速 度。 1. 光学多普勒效 应及频移方程 光源与光接受器 之间存在相对运动时， 发射与接受到的光波 频率会发生偏移，其 大小与相对速度有关。 此谓光学多普勒效应。
基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究
基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究【摘要】本研究基于粒子图像测速技术(PIV)，通过砂箱物理模拟实验研究了流场的特性。
在实验中，我们设计了相应的实验装置并设定了合适的实验条件，通过对实验结果进行分析并采用适当的数据处理方法，得出了详细的模拟结果并进行了对比。
研究背景提出了该领域的研究现状，研究目的明确了本研究的目标，研究意义探讨了该研究对相关领域的推动作用。
最后结论部分总结了本研究的成果，并展望了未来的研究方向，同时总结了本研究的创新点。
通过本研究，我们深入探讨了流场特性，并为相关领域的研究提供了有益的参考。
【关键词】粒子图像测速技术(PIV)、砂箱物理模拟实验、实验装置、实验条件、实验结果、数据处理、模拟结果、研究背景、研究目的、研究意义、研究总结、未来展望、创新点1. 引言1.1 研究背景粒子图像测速技术(PIV)是一种用于测量流体运动速度场的先进技术，通过跟踪流体中的微小颗粒运动轨迹，可以获取流场中各点的速度信息。
在流体力学研究中，PIV技术已被广泛运用于风洞实验、水动力学模拟、气体动力学研究等领域。
对于颗粒流体混合的复杂情况，如砂土流动等，PIV技术的应用尚处于探索阶段。
砂土是一种典型的颗粒流体，其运动特性受多种因素影响，包括颗粒间的相互作用、外界环境的影响等。
通过结合PIV技术，我们可以实时监测砂土流体的速度场分布，并进一步分析砂土流动的规律和特性。
这对于增强对砂土运动机理的理解，提高土壤工程建模的准确性具有重要意义。
本研究旨在利用PIV技术对砂土流动进行实验模拟研究，探索砂土颗粒在流动过程中的运动规律，为土壤工程领域提供新的研究思路和技术支持。
通过这项研究，我们有望揭示砂土颗粒流动的内部机制，为工程实践提供更加科学和可靠的依据。
1.2 研究目的。
本实验旨在利用基于粒子图像测速技术(PIV)的方法，对砂箱物理模拟实验进行研究，以探究不同条件下砂土颗粒运动规律和流体-颗粒相互作用机理。
基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究
基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究【摘要】本研究基于粒子图像测速技术(PIV)，通过砂箱物理模拟实验探究颗粒在不同特定流场下的运动规律。
在实验设计中，我们搭建了流动场装置，并通过PIV技术实时捕捉颗粒运动图像。
测速原理部分介绍了PIV技术的工作原理及应用。
在数据处理方法中描述了如何处理和分析实验数据，结果分析部分详细探讨了实验结果及颗粒运动规律。
实验验证部分通过与理论模型对比进行验证。
最后结论部分总结了实验结果，展望了PIV技术在地质工程领域的应用前景。
本研究将深入探讨颗粒在复杂流场下的运动规律，为解决地质工程中的颗粒运动问题提供理论支持。
【关键词】粒子图像测速技术(PIV)、砂箱物理模拟、实验设计、测速原理、数据处理方法、结果分析、实验验证、实验结果总结、技术应用展望、研究背景、研究意义1. 引言1.1 研究背景随着科学技术的不断进步，粒子图像测速技术(PIV)在流体力学研究中得到了广泛应用。
砂箱物理模拟实验是一种常用的流体力学实验方法，通过在实验室环境中模拟真实的地质流体运动情况，可以帮助研究人员理解地下水流、地表水流、河道水流等现象的规律。
传统的砂箱物理模拟实验存在着一些局限性，比如实验数据获取困难、测速精度低等问题。
而基于粒子图像测速技术的砂箱物理模拟实验则能够更准确地获取流体速度场信息，提高实验数据的准确性和可靠性。
本研究旨在结合粒子图像测速技术和砂箱物理模拟实验，探讨如何应用PIV技术提高砂箱实验的测速精度，以及进一步揭示地下水流或地表水流等流体运动规律。
这将为地质工程领域提供更为准确的实验数据和分析方法，具有重要的理论和实践意义。
1.2 研究意义基于粒子图像测速技术(PIV)的砂箱物理模拟实验研究具有重要的理论和应用价值。
通过这种技术可以精确地测量流体中颗粒的速度和运动轨迹，从而揭示颗粒在流场中的动力学行为和相互作用规律，为颗粒物理学和流体力学等领域的研究提供重要的实验数据。
简述二维piv测量方法的原理
简述二维piv测量方法的原理二维PIV（Particle Image Velocimetry，颗粒图像测速法）是一种用于流场测量的非侵入性方法，可用于获得流场中每个空间点的瞬时速度和涡量信息。
该方法通过激光照射和摄像机拍摄，并对流场中的颗粒进行跟踪和分析来实现。
以下是二维PIV测量方法的原理的详细说明：1.激光照射：一个激光束通过一个透镜系统聚焦为一个薄平面，这个平面通常与被测的流场平行。
激光束可视化流场中的颗粒，从而使其拍摄变得可能。
2.颗粒示踪：在被测流场中加入由适当大小和材料制成的颗粒（通常是微型粒子），如硅胶颗粒或液滴。
这些颗粒可以在光线照射下反射或散射激光，并随着流场运动。
3.摄像机拍摄：一个高速摄像机（通常在数千至数万帧/秒的范围内）对颗粒运动进行拍摄。
摄像机位置需合理安排，以保证流场中的颗粒在图像上有足够的对比。
4.图像处理：通过图像处理算法，可以对拍摄的图像进行后处理。
首先，图像被分解成小的互相重叠的区域，称为“栅格”。
然后，对每个栅格进行互相关计算，以确定颗粒的位移。
5.速度和涡量计算：根据互相关结果，可以计算颗粒在两个相邻帧之间的位移，并根据拍摄的时间间隔计算速度。
由于颗粒的速度是流体速度的直接表示，因此可以确定整个流场中的速度和涡量信息。
6.可视化和数据分析：最后，可以通过将速度和涡量信息可视化为等值线、矢量图或流线图来呈现流场。
此外，还可以进行进一步的数据处理和分析，用于流场的描述和理解。
需要注意的是，二维PIV测量方法有一些限制和注意事项。
例如，颗粒的大小和密度应选择合适的范围，以确保其在流场中能够合理地跟踪。
此外，由于相机曝光时间和颗粒在相邻帧之间的运动引起的模糊，液体流动要求更高的曝光时间。
因此，对于高速流动的测量，可能需要使用高重复频率的激光和摄像机。
总之，二维PIV测量方法通过激光照射和摄像机拍摄，并对流场中的颗粒进行跟踪和分析，实现了对流场中每个空间点的速度和涡量信息的测量。
粒子影像测速(PIV)技术概述
粒子影像测速(PIV)技术概述1.PIV技术介绍1.1.引言目前为止，人类对流体力学仍有许多疑难问题，如对湍流、非定常流动等现象了解甚少，而在许多工程应用如飞行器外形设计、内燃机燃烧室中的多相流动等中又迫切需要解决这些问题，因而使流场测量问题变得极为重要。
流场测速新方法研究中，至今已发展了激光多普勒测速LDV(Laser Doppler Velocimetry)、粒子影像测速PIV(Particle Image Velocimetry)等技术。
LDV的综合性能较高，具有高精度、高分辨率和非接触测量等优点，通常作为仪器标校技术使用，但LDV只能实现单点测量。
PIV技术是一种全场、动态、非接触测量手段，已获得广泛使用，成功应用于风洞、水洞、水槽燃烧及喷射等实验中。
PIV研究始于上个世纪80年代，随着光学和计算机图像处理技术的迅猛发展，PIV取得了长足进步，测量精度已与LDV接近。
1.2.PIV原理图1是PIV 技术应用的简单原理图。
散播在流场中的跟随性及反光性良好的示踪粒子，由激光光束首先入射到一组球面透镜上，经聚焦后通过全反射镜至一组可调的柱面透镜形成具有一定厚度的片光，照亮流场中特定的区域，此时经过此区域的示踪粒子被照亮，通过CCD（CMOS）成像设备进行成像。
对这个特定的区域在一定时间间隔内利用图1 PIV简单原理图激光脉冲连续照亮两次，就能得到粒子在第一次照亮时间t 和第二次照亮时间t’的两个图像，对这两幅图像进行互相关分析，就能得到流场内部的二维速度矢量分布。
在利用PIV 技术测量流速时,需要在二维流场中均匀散布跟随性、反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子。
将激光器产生的光束经透镜散射后形成厚度约1 mm 的片光源入射到流场待测区域,CCD 摄像机以垂直片光源的方向对准该区域。
利用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像,形成两幅PIV 底片(即一对相同待测区域、不同时刻的图片) ,底片上记录的是整个待测区域的粒子图像。
PIV粒子图像测速系统的基本原理
PIV，全名：Particle Image Velocimetry，简单来说是一种二维的方式显示速度矢量，使流体可视化的一种测量技术。
该方法是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法。
近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如CTA、LDA）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。
粒子图像测速系统（PIV）技术简介PIV流速测量范围为0.02~500.00m/s。
在流体力学领域中，流场测量技术与流场理论研究相辅相成，共同推进本学科的前进与发展。
但是该研究领域中湍流、涡流等复杂非定常流动的存在使得传统流场测量技术的单点测量，已经不能满足人们对流体流动认知的需求。
这就需要新的流场测量技术，实现流场测量由单点向多点、平面向空间、稳态向瞬态、单相向多相发展。
流场测量技术随着时代迅速发展，从20世纪初对湍流流动测量有开创性意义的热线热膜流速计（Hot Wire/Film Anemometer，HWFA）的出现。
到20世纪60年代，激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimetry，LDV）利用流场中粒子的Mie散射。
实现流场的无接触测量。
再到20世纪80年代，粒子图像测速技术（Particle ImageVelocimetry，PIV）实现了点向面的流场测量。
PIV技术是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学（水和空气）测速方法。
可以在同一瞬时记录下大量空间上的速度矢量分布信息，并可以提供丰富的流场空间结构和流动特性。
目前，PIV技术也是在不断的发展，从一个切面发展到一个容积空间、从平面二维速度矢量的二维切片发展到二维切片内三位速度矢量、从瞬间速度场的测量发展到一个连续时间过程内的速度场测量。
粒子图像测速系统（PIV）的基本原理PIV技术的基本原理是在待测流场中布散示踪粒子，示踪粒子代表流场空间中相应的流体质点，粒子会随着流场运动而运动，使用相机来记录不同时刻下示踪粒子的位置信息，通过计算机的图像处理算法分析相机所拍摄的粒子图片，将示踪粒子的位置信息和时间信息转换为流场流动的速度矢量信息，进而分析出流场的流动结构、涡量场等流动特性。
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一、表格使用说明：
二、公式：
其中：
变量单位举例
FOV mm 200mm ×200mm Resolution
pix 1024×1024IA pix 32×32Δt μs 1.5μs v
m/s
314m/s
三、系统测速能力计算：
FOV=200mm Resolution=
2048pix Δt=1μs
IA=32Overlap=
50%
流场结构的分辨率 1.5625mm
四、对IA及Δt选择的建议：
1.预计待测速度v (x,y)=3m/s
2.实验中FOV大小
FOV=200mm ×200mm 所用到图像分辨率
Resolution=2048pix ×2048pix 3.示踪粒子平均粒径
d=1μm D像素大小p=7.4μm （一般1~2M相机为6.45，2M~4M为7.4）镜头光圈值F= 2.80.142几何放大率M=0.076在CCD上每个粒子大小 3.91μm 每个粒子所占像素数0.53pix
Δt=200μs IA ≥32实际选择的IA大小
IA=32所设置的Overlap大小
50%全场所得矢量数128 ×128
此时流场结构的分辨率（每个矢量所在的区域大小）： 1.56mm 粒子像的位移大小 6.14pix
五、3DPIV设置：
1.预计Z方向待测速度v z =1m/s
2.实验所需片光厚度
δ≥0.8
mm
相机光轴与片光法线夹角θ=45°相机与片光的垂直距离
550mm Scheimflug 角
α= 3.35°
相机CCD 的分辨率待测流体速度
PIV 测速简单计算
全称Field of View Resolution 说明视场大小
本表格蓝颜色字体为使用者自定义部分，红颜色字体为自动给出部分，在使用过程中按照单元格注释将数值填入。
Interrogation Area Time between pulses
velocity
互相关时划分小格的大小
脉冲间隔时间781.25m/s
v max =s
m Resolution
t IA
FOV v /1043⨯⋅∆⋅⋅=
以上只是根据PIV原理进行的一些理论计算，它忽略了镜头种类、CCD种类、成像质量等等因素对实验结果的影响，也没有考虑Adaptive Correlation等处理方法，仅仅用来帮助实验者对PIV原理进行理解，并为实验提供参考设置。
另外请时刻记住，PIV设备只是实验的工具，只是从构思到得出结论中的一个跳板，并不是实验的全部。
我们需要做的是理解PIV原理，根据自己的实验，设计出最能够发挥PIV技术的实验条件，从而得出正确的结论。
也就是说，在一个实验中，实验设计是最重要的环节，如何布置仪器，示踪粒子如何添加，激光入射方向的选择以及外部条件对流场的影响等等都是需要仔细考虑并且往往也是影响实验成败的关键。