PIV技术与PSP技术的对比

实验流体力学课调研报告PIV及PSP技术的最新发展
BY1205131 李陟
PIV及PSP的介绍
PIV
PIV(Particle Image Velocimetry)即粒子成像测速技术，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。

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的整体结构和瞬态图像。

PIV 作为一种非介入式全场技术，是从80 年代初第一次在文献中出现后开始发展的。

起初的PIV技术应该说是从激光散斑干涉测量技术发展而来的。

激光散斑干涉技术（Laser Speckle Interferometry）原先是用于工程结构中的，可以测复合材料材料的变形，得到材料的热膨胀系数。

在过去20 多年里，随着光学，激光，电子，摄像和计算机科学技术的进步，PIV经历了从模拟技术到数字技术的转变，已经发展成为一种比较成熟的具有自己特色的流场测试方法，完成了从单点到二维再到三维测量的实现。

随着技术的进步，利用立体、多域、全息甚至是断层技术来实现复杂流场的全场观测已经成为可能。

PSP
压力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint，PSP)技术是无插入式表面全域压力分布光学测量技术，以压力敏感材料为涂料覆盖于测量表面，以激光或紫外线灯为激发光源，诱导涂料发出荧光或磷光，利用空气介质中的氧分子对压力敏感材料发光的“猝熄”作用，通过CCD相机(CCD camera)将实验物体表面涂层荧光或磷光强度变化转换为伪彩色图像，应用计算机图形处理技术获取表面压力分布状况。

其优点就在于可探测范围广、成本较低、准备时间短，较好地解决了传统检测技术引起的流场干扰问题，在航空航天、叶轮机械和汽车制造等领域具有极广的应用前景。

测量原理
PIV
PIV 是一种基于光学的速度测量技术，主要是通过在流体中加入跟随流体运动的示踪粒子，这些粒子在流经一个特定平面时被连续照亮两次，利用照相技术将被照亮的粒子记录起来，通过图像的后处理，就能够得到粒子在两次照亮的时间间隔中的位移，从而得出流体的速度场。

PIV系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要包括控制电路、CCD(CMOS)相机、光源、图像采集电路、采集图像所用的计算机和抓取同步信号的计算机等。

软件部分包括系统的控制软件和分析软件。

控制软件主要包括进行图像采集的控制程序和同步程序以及比例标定程序。

分析软件由两部分组成：一部分是粒子图像处理和分析，第二部分是流场速度矢量的实现和修正。

下图为原理示意图。

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。

PSP
压力敏感涂料(PSP)就是以压力敏感材料分子为主体，选用易于氧分子渗透的胶合体为粘接剂，具有光致发光和氧“猝熄”特性的可牢固附着于实验物体表面的混合物。

作为涂料主体的PSP分子有磷光和荧光两大类，受到所需的电磁辐射或光照射后，经过一系列复杂过程才能使分子的电子能态回到基态S0。

PSP系统分为涂料应用、灯光和图像获取、图像处理等子系统，有一套严格的操作程序。

喷涂PSP之前在实验模型表面覆盖防氧渗透和扩散的底漆，喷涂后需保存于暗室内。

由于温度会影响氧分子在涂料中的渗透或扩散速度，从而影响发光强度，理论上涂料工作温度为常数的假定，不能满足实际情况，需要引入温度敏感涂料(Temperature Sensitive Paint，TSP)进行修正。

另外，为获得三维图像，还需对对实验模型表面进行标定，也可解决物体变形等问题，有助于改善图像质量，提高分辨率。

优点与不足
PIV
相较其他的测速技术手段，PIV测速是非接触光学方法，能够保证流场的完备性，同时能够进行全流场测量，并确定瞬时流场速度、涡量等分布。

测速范围大也很大，从静止流体到超音速流动均适用。

对于3D3C，还能够测量速度三个分量。

空间分辨率较高，常规PIV空间分辨率1mm，显微PIV空间分辨率1μm。

PIV技术在拥有如此众多优点的同时，不足也是很明显的。

时间分辨率不高，仅为几Hz，利用快速CMOS技术和大功率激光器，有效测量频率可达kHz。

同时价格昂贵，仪器复杂更是其普及的最大问题。

PSP
作为新型的光学测量技术，与常规测压试验技术相比，PSP测量技术优点也较多，可采用无接触方式实时获取模型表面连续的压力分布。

实验周期短，经济效益高，对于国内现有的暂冲式风洞，优势更是明显。

采用“测力”模型即可进
行测压试验，有效缩短了研制周期。

适用于机翼前后缘等模型关键部位和小模型的压力分布测量。

可沿模型表面对压力分布场积分，准确得到模型的集中气动载荷。

但是在实验前需准备指示剂，且指示剂有一定使用时间，造成实验过程中的麻烦。

最新测试技术发展
PIV
PIV技术的另一个重大课题就是发展三维立体PIV技术，大体上有两类。

一类是用两个摄像机从不同的视角观察，从每个摄像机视点各自测量到垂直于相机光轴的二维速度，然后对这两个二维速度矢量进行综合分析，产生一个三维速度矢量。

另一类就是全息PIV (HPIV) 技术，利用全息照相和重显技术，测量的是一个三维区域，不再是一个厚度很小的片光面，其技术含量很高，实现起来难度很大，是真正的3DPIV技术。

由于这是一种“全息”技术，流场中信息将全部获得，所以其准确性、真实性都很高。

如图。

PIV系统可看做由示踪粒子、流场照明系统、图像记录系统和分析系统组成，每个系统的进步共同决定了PIV技术的发展。

PIV 系统在对流场速度进行测试时，实际上是通过测量流场中示踪粒子的位移来间接得到流体质点的位移，从而推算出质点的瞬时速度，得到流场信息。

如果流体的密度同示踪粒子的密度不相同，就会由于重力的影响而对测量结果造成误差。

因此示踪粒子必须要足够小，才能保证良好的跟随性，但是又不能太小使其光反射性能无法满足相机的要求，而降低了其成像可见性。

流场照明对PIV测量的影响是显著的，也是最核心的一个系统，照明光线的强度等特性不仅要与所选用的示踪粒子的光散射性能相匹配，还必须同所选用的成像传感器（CCD或CMOS）的感光范围相适应，因此对激光器的选用不能孤立地去考量，而要结合实际，考虑到整体的优化性能。

要想得到高质量的图像，选择一个合适的相机是关键。

现今用于PIV测量的传感器主要是CCD和CMOS两种。

CCD传感器可靠，产生的数据量较小，容易存储，CMOS传感器则速度快，可用于高速测量。

至今为止，大多数的PIV 测量中都是使用CCD 传感器。

PSP
PSP测量技术的应用范围向低速和高超声速两极发展。

随着研制开发的PSP 对微小氧压变化的敏感性的提高和光学压力测量方法的改进，使得该技术最终突破了低速条件的限制;同时，随着高温条件下物理化学特性稳定的PSP开发应用和微光数字图像采集设备的性能提高，也使得该技术得以在更高的马赫数条件下完成实验测量，有效地拓展了PSP测量技术的应用范围。

PSP测量技术随着PSP成分的不同而呈现出多样性发展趋势。

由于PSP成分的变化，测量步骤与处理过程也发生相应的变化，使得测量技术与处理方法更加依赖于PSP的成分。

非定常和非稳定状态下的压力分布测量已成为可能。

为保证强度图像信噪比保持一定厚度与为提高氧分子扩散速度需要相应降低厚度的矛盾、科学级CCD 相机积分式感光机理与其非定常条件下需要快速曝光的矛盾等随着新型发光探针和基体材料的出现迎刃而解，常规快速响应PSP与AA-PSP的诞生和数字图像采集设备性能的大幅提高，使得充分认识和理解流体瞬间的流动状态、结构和机理逐渐成为现实。

在内流场和涡轮机械内部的压力测量上呈现不可替代的优势。

以往内流场和涡轮机械内部结构紧凑、空间狭小等限制所导致的诸多困难，被叶片气膜冷却、叶片尾缘开缝等宏观与微观流场相互作用和解决内流场和叶轮机械内部涂料自照射效应所面临的困难与问题替代。

即使如此，该技术在内流场和叶轮机械内部测量方面展现出来的独特优势，将是不断推动着国内相关研究的重要动力和源泉之一。

随着PSP测量原理与其他光学手段测量机理的融合，产生了新的测量手段，使得人们对于流场形态与结构的认识深度和广度将达到前所未有的程度。

据报道，依据PSP测量原理和粒子测速系统(PIV)作用机理，已有研究人员制备了表面被发光探针包复的微粒，并形成了可同时采集微粒飞行速度和与氧压分布相关的发光信息的新型测量手段—PSP微粒法，并已在空气喷射实验中得到了初步验证。

可以预见，此种类型的技术融合将推动新型测量技术的不断涌现，使得人们对于流动的认识更加全面、形象和深入。

测试实例
DHPIV的应用
从原理上讲，DHPIV则是基于两帧(一对)记录时间间隔△t已知的全息数字记录重建的两个粒子分布空间场的信息，采用三维互相关方法和技术，取得粒子的位移场，由此最后得到某一瞬时的三维空间三维速度向量场。

并由数字记录的帧对序列，可得三维空间三维速度向量场的时间历程观测。

目前国内外只有少数几个研究小组取得一定的实际观测结果。

国内，见诸报道的只有申功忻领导的研究小组基于菲聂尔的同轴全息理论，对立方体对角流进行了实际三维测量，不仅给出了具有较多三维速度向量数（9mm*9mm*9mm流动空间中21000个速度向量，如图)和三维流线的瞬时速度场，也给出了时间历程的瞬时速度场。

国际上，Katz等对一种微小昆虫运动时产生的三维绕流场进行了测量，也得到了三维流场结果，但是给出的速度向量数目非常少;另外，Meng 等也给出了小喷管喷流的三维瞬时流场。

但是，后二者都没给出时间历程的空间
三维速度场。

PSP在外流中的应用
美国NASA各研究中心的各型风洞均已装备PSP系统，其中以直径16英寸风洞最具代表性。

该风洞以大气为介质，实验马赫数在0。

2～1。

25，加装PSP 系统后，可连续工作3小时。

PSP为磷光类，灯光和图像采集系统，如图：
由12个可控250 W紫外线光源、2个液冷式可滤光16位CCD相机、2台计算机等组成。

图像处理软件采用基于UNIX操作系统的GreenbootTM图形处理软件，以TIFF-6格式处理和存储图像数据。

美军方和NASA选用F/AC18E飞机机翼在该风洞中进行“机翼陡然失速”发展计划(AWS Program)阶段项目实验。

机翼采用0。

08大小的F/A-18E翼面，副翼/襟翼系统预置为10°/10°/5°，实验马赫数为0。

8，参考状态机翼迎角变化范围-6°～18°，实验状态为-4°～15°，
还在机翼中段安置了一组动态压力传感器，以便相互对照。

实验表明，迎角在8°～9°时，机翼发生失速现象，两套测量系统数据吻合很好，但PSP系统能够反应机翼表面压力分布及其变化。

此外该风洞还进行了平直机翼的高速(V=34 m/s)与低速(V=17 m/s)实验，如图
美国NASA的高速风洞还进行了“先行者”火箭飞机整体实验，如图
参考文献
[1]。

冯旺聪等。

粒子图像测速(PIV)技术的发展[J]。

仪器仪表用户。

2003 6：1-3
[2]。

刘玥等。

粒子成像测速——非介入式全场技术[J]。

中国科技信息。

2010 13 ：37-41
[3]。

陈柳生等。

压力敏感涂料及其测量技术[J]。

航空学报。

2009 12 ：2435-2448
[4]。

刘波，等。

压力敏感涂料技术及其应用[J]。

航空动力学报。

2006 2 ：225-234
[5]。

申攻炘，张永刚，曹晓光等。

数字全息粒子图像测速技术（DHPIV）研究
进展[J]。

力学进展。

2007，37(4):563-574。