PIV技术的原理及其应用领域

利用粒子图像的高密度分布模式获取网格点速度的方法被称为粒子成像测速(PIV)，用于跟踪低粒子数密度的每个粒子的方法被称为粒子跟踪测速(简称PTV)。

粒子识别是PIV的主要难点，高精度的测量需要在测量流场中有足够数量的粒子。如果流体在流场中的运动是复杂的，例如在高速或强旋转的情况下，很难识别连续图像帧中的每个粒子。

PIV没有标准的测量系统，每种类型的PIV都需要安装硬件和软件来测量流场。尽管现在应用了许多类型的PIV，但它们仍然有一些通用流程。PIV测量包括四个阶段：①释放粒子，②照明，③拍摄和④图像处理。为了精确的PIV测量，每个阶段都应该在整个实验中严格执行。

PIV测量的阶段详细如下：①释放粒子：当粒子具有良好的流体流动可追溯性行为时，粒子速度通常表示局部流体速度。②照明：在二维PIV测量中，光散射示踪粒子的流场由一个均匀的光片照亮，通常来说光源是由三角棱镜和圆柱透镜引导的激光，光板的厚度约为1~2mm，并调整光强，使示踪粒子可以清晰被拍到。③拍摄：要执行 PIV 分析，需要从流场中对相机进行两次激光曝光。起初，由于摄像机无法高速捕获多个帧，因此在同一帧上捕获了两个曝光，并且此单个帧用于确定流量。此分析使用了称为自相关的过程。然而，由于自相关流的方向变得不清楚，因为不清楚哪些粒子点来自第一个脉冲，哪些粒子点来自第二个脉冲。自那时以来，开发了使用CCD或CMOS芯片的更快的数码相机，可以高速捕获两帧，帧之间只有几百 ns 的差异。这使得每个暴露都能够在其自己的框架上隔离，以进行更准确的交叉相关分析。④图像处理：图像处理是PIV测量中较重要的阶段。首先，记录粒子运动的图像被传输到A/D转换器以获得数字图像。然后，对数字图像进行处理。处理包括去除噪声，平滑，将灰度图像转换为二值图像，标记粒子，计算粒子的重心坐标。然后，将粒子的坐标从图像平面转移到物理平面。然后，用各种方法计算粒子速度矢量。

由于其强大的优点，PIV技术已被公认为较先进的流动测速技术，并在世界范围内迅速普及。应用领域一直在扩大，如湍流测量，多相流，流体机械内部流动，生物工程，医学工程，环境工程，能源工程，新材料开发，体育科学，生命科学，机电一体化，机器人技术等。此外，PIV已被认为是包括多相流在内的热工和流体工程领域的一种强有力的新测量工具，并且，PIV的应用扩展到确定二维和三维两相流体流动中的速度场。因此，PIV是研究流动结构的一种有前途和强大的工具。

【来源：光虎光学内部培训资料】