粒子图像测速技术

粒子影像测速技术概述

粒子影像测速技术概述粒子影像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）技术是一种非侵入式流体力学测量方法，用于研究流体的运动和流场。

该技术通过在流体中悬浮微小颗粒，并利用激光照射和相机拍摄的方式，获得颗粒在不同时间间隔内的位置信息，从而推导出流体的速度场。

PIV技术的基本原理是利用流体中的颗粒作为标记物，在连续拍摄的图像序列中跟踪颗粒的运动轨迹，从而得到流体速度场的空间分布情况。

其中，激光光束被用来照射流体中的颗粒，通过相机拍摄颗粒图像，并计算相邻两幅图像中颗粒位置的变化，从而计算颗粒的位移和速度。

PIV技术的实施过程主要包括以下几个步骤：1.准备实验环境：选择合适的流场实验装置和流体介质，并在流体中悬浮微小颗粒，以便在图像中能够清晰地观察到颗粒的运动轨迹。

2.激光照射：通过激光光源照射流体，形成一个平面光束，并在流体中的颗粒上产生散射，从而在图像中形成明亮的颗粒光斑。

3.图像拍摄：使用高速相机或摄像机对照明的颗粒图像进行连续拍摄，并以一定的时间间隔记录图像序列。

4.图像处理：对连续的图像序列进行处理，包括背景校正、图像配准、颗粒定位等步骤，以获得颗粒位置信息。

5.数据分析：通过比较颗粒在不同时间间隔内的位置信息，计算颗粒的位移和速度，并进一步推导出整个流体区域的速度场分布。

PIV技术的优点在于它能够提供全场的速度信息，而不仅仅是单点或线性的数据。

这使得PIV技术在研究流体湍流、气动性能以及流体工程等领域具有广泛的应用。

同时，PIV技术还可以与其他测量技术相结合，如激光雷达、压力传感器等，以提供更加全面和准确的流体力学数据。

然而，PIV技术也存在一些局限性。

首先，要求流体中应有足够数量和密度的微小颗粒，以便在图像中清晰可见，这对于一些实验环境下的流体可能是困难的。

其次，由于颗粒在流体中的多次散射，会造成颗粒在一些位置上的位置模糊，从而影响速度计算的准确性。

总的来说，粒子影像测速（PIV）技术作为一种先进的非侵入式流体力学测量方法，具有高时空分辨率、全场测量等优点，被广泛应用于航空航天、水力学、气动学等领域的流体力学研究。

三维piv测量原理

三维piv测量原理
三维PIV测量原理：
①三维粒子图像测速技术作为流体力学实验中一种先进手段能够实现对湍流边界层复杂流动结构非接触式全场测量；
②技术核心在于利用激光光源照射流场中播撒粒子通过高速相机记录粒子运动轨迹图像分析获得速度矢量信息；
③与二维PIV相比三维系统需至少三台不同角度布置的相机同步拍摄同一时刻流场确保获取空间立体视角；
④激光源通常采用平面激光诱导荧光PLIF技术产生薄层光束照射流体使其中粒子散射或荧光发光；
⑤为提高信噪比激光脉冲能量强度需达到一定水平同时要求粒子浓度适中过密会导致遮挡过稀则影响跟踪精度；
⑥相机镜头光圈快门速度等参数需精心调试以捕捉清晰粒子图像背景光干扰需降到最低；
⑦图像处理阶段首先进行预处理包括去噪配准拼接等操作然后采用相关算法计算粒子位移；
⑧常用方法有窗口相关全局相关特征点匹配等其中窗口相关法因其实现简单应用最为广泛；
⑨通过分析相邻时间步长图像间粒子位移变化即可得到该位置平均速度瞬时速度脉动速度等参数；
⑩三维PIV技术在航空航天汽车设计水力学等领域有着广泛应用如模拟翼尖涡结构优化发动机内部气流组织；
⑪随着硬件性能提升算法优化三维PIV正向着更高时空分辨率实时在线监测方向发展；
⑫正确理解和掌握三维PIV测量原理对于深入研究流体动力学现象指导工程实践具有重要意义。

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。

piv测速原理

piv测速原理Piv测速原理。

PIV（Particle Image Velocimetry）是一种流体力学实验技术，用于测量流体中的速度场。

它通过在流体中注入颗粒或在流场中存在颗粒的情况下，利用高速摄像机拍摄颗粒图像，进而获取流场速度信息。

PIV技术在流体动力学、空气动力学、生物力学等领域广泛应用，成为研究流体运动的重要手段之一。

PIV测速原理的基本思想是利用颗粒在流场中的运动来推导流体的速度场。

首先，在流体中加入颗粒示踪剂，这些颗粒要足够小，以至于它们的质量对流体的运动不会产生显著影响。

然后，利用激光或者其他光源照射流场，使颗粒产生光斑，再利用高速摄像机拍摄颗粒图像。

最后，通过对连续两帧图像进行处理，可以得到颗粒的位移，从而计算出流场的速度分布。

PIV测速原理的关键在于对颗粒图像的处理和分析。

首先，需要对拍摄到的颗粒图像进行预处理，包括去噪、增强对比度等操作，以便更准确地提取颗粒的位置信息。

接着，利用相关算法或者其他图像处理方法，对两帧图像进行匹配，得到颗粒的位移矢量。

最后，通过位移矢量的计算，可以得到流场中各点的速度信息。

PIV测速原理的优势在于可以在短时间内获取大范围流场的速度信息，且不需要干涉流场，对流体运动不会产生影响。

同时，由于可以获取流场中每个点的速度信息，因此可以对流体运动进行全面的分析和研究。

此外，PIV技术还可以应用于多相流、湍流等复杂流动情况下的速度场测量，具有广泛的适用性。

然而，PIV测速原理也存在一些局限性。

首先，颗粒图像的处理和分析需要较为复杂的算法和技术，对于图像质量和颗粒分布有一定要求；其次，颗粒图像的拍摄需要高速摄像机和高功率激光等设备，成本较高；最后，对于流体中速度梯度较大的情况，PIV技术可能会出现测量误差。

总的来说，PIV测速原理是一种重要的流体力学实验技术，通过对颗粒图像的处理和分析，可以获取流场的速度信息。

它在流体力学研究、流体工程、空气动力学等领域具有广泛的应用前景，对于理解流体运动规律、优化流体设备等具有重要意义。

粒子图像测速技术

南京理工大学课程考核论文课程名称：图像传感与测量论文题目：粒子图像测速技术姓名：陈静学号： 314101002268 成绩：任课教师评语：签名：年月日粒子图像测速技术一、引言粒子图像测速技术即PIV（Particle Image Velocimetry）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。

湍流、复杂流动、非定常流动等现象一直是流体力学中重要的研究对象及疑难问题，因此开发适于流体运动研究的方法与技术也始终是一个重要的课题[1]。

早期发明的热线热膜流速计(简称HWFA)至今已有80多年的历史，曾经为流动测量特别是湍流的研究立下过汗马功劳。

这项技术的最大缺点是接触式测量，对流场有较大的干扰[2]。

20世纪60年代发展起来的激光多普勒测速仪(简称LDV)，利用流场中粒子的散射，测量散射光对原入射光的多普勒频移量，计算粒子的运动速度，实现了对流场的无接触测量[3]，这种技术具有极好的时间分辨率和空间分辨力，可做三维测速，已经成为流速测量的标准技术并得到了广泛应用。

然而，它和热线流速仪一样，都只是单点测量技术，难以实现对流场的全场、瞬态测量。

20世纪80年代发展起来的粒子图像测速技术则是在流动显示的基础上，充分吸收现代计算机技术、光学技术以及图像分析技术的研究成果而成长起来的最新流动测试手段，它不仅能显示流场流动的物理形态，而且能够提供瞬时全场流动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。

二、主要内容1.粒子图像测速技术的原理粒子图像测速技术原理简单，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)记录下两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)[4]。

PIV原理及其应用

PIV原理及其应用PIV是Particle Image Velocimetry的缩写，意为“粒子图像测速”，是一种用于测量流场速度和流体运动行为的非接触式光学测量技术。

它通过将流场中的小颗粒（通常是悬浮在液体中的粒子）作为示踪物来进行测量，利用高速摄像机等设备捕捉颗粒图像，并通过图像处理和分析获取流场的速度和速度矢量分布信息。

PIV的基本原理是利用颗粒在流场中随流动变化的速度来获取流场速度信息。

具体操作过程包括以下几个步骤：1.示踪颗粒标记：在流体中添加适量的颗粒（通常是微米级的粒子），这些颗粒应具有足够的密度和散射光的特性，以便使它们能够被摄像机捕捉到。

2.图像获取：使用高速摄像机等设备对流场中的颗粒进行连续的图像捕获。

由于颗粒会在流场中运动，因此在时间序列上连续获取的图像可以反映出颗粒的运动轨迹。

3.图像处理：对连续捕获的图像进行处理，以识别和跟踪颗粒的位置。

通常使用相关算法、互相关算法或相关算法和追踪算法的组合来实现。

4.速度计算：根据颗粒在相邻图像之间的位移，计算每个颗粒的瞬时速度。

可以根据这些速度数据获取流场的速度分布和速度矢量图像。

PIV技术具有许多应用领域，以下列举其中几个典型的应用：1.流体力学研究：PIV技术可以用于测量液体和气体的粘性、湍流、湍流结构、边界层行为等流体力学性质。

通过获取流体流动的速度分布和速度矢量图像，可以对流体的流动行为进行详细的分析和研究。

2.空气动力学研究：PIV技术可以用于测量飞机、汽车、船舶等物体周围的气流速度和流场结构。

这对于设计和优化运输工具的气动外形、减少阻力和气动噪声等方面具有重要意义。

3.涡流研究：PIV技术可以用于测量涡流的速度、旋转方向和强度等特性。

涡流是流体中旋转速度明显高于周围流体的局部区域，它在空气动力学、流体力学和气象学等领域中都有重要的研究价值。

4.生物流体力学研究：PIV技术可以用于测量生物流体中的速度分布，如心脏血流、肺部气流、细胞运动等。

piv粒子测速仪技术参数

piv粒子测速仪技术参数
PIV（Particle Image Velocimetry）粒子测速仪是一种常用的
流体力学实验技术，用于测量流体中的速度场分布。

以下是一些常
见的 PIV 粒子测速仪的技术参数：
1. 分辨率：PIV 粒子测速仪的分辨率是指它能够检测到的最小
速度变化。

通常以像素/距离的形式表示，例如 1 pixel/mm。

2. 采样率：采样率指的是测速仪在单位时间内进行测量的次数。

它决定了测速仪对流体速度变化的响应能力。

3. 测量范围：测量范围是指测速仪可以有效测量流体速度的区
域大小。

它通常由测速仪的光学系统和图像传感器决定。

4. 粒子浓度：粒子浓度是指在测量中所使用的示踪粒子的浓度。

适当的粒子浓度可以提高图像的质量和测量的准确性。

5. 曝光时间：曝光时间是指光源照射示踪粒子的时间。

适当的
曝光时间可以保证图像清晰度和示踪粒子的轨迹清晰可见。

6. 图像处理算法：PIV 粒子测速仪通常使用图像处理算法来分析图像序列，提取流体速度信息。

常见的算法包括互相关算法和基于相关峰的算法。

这些是一些常见的 PIV 粒子测速仪的技术参数，不同型号的测速仪可能会有一些差异。

在选择和使用 PIV 粒子测速仪时，需要根据实际需求和实验条件来确定合适的技术参数。

PIV实验技术报告

PIV实验技术报告摘要：本文介绍了PIV（粒子图像测速）实验技术的原理、仪器设备、实验过程和数据处理方法。

通过PIV实验，可以精确地测量流体介质中的速度分布，并对流场的运动特性进行分析和研究。

实验结果表明，PIV技术是一种高精度、高分辨率的流场测量方法，对于流体力学研究和工程应用具有重要意义。

1.引言粒子图像测速(PIV)是一种用于测量流体介质中速度场分布的非接触式测量方法。

它通过在流场中添加颗粒或通过实验液体中的已有颗粒来测量流场中颗粒的运动轨迹，并利用计算算法来获得流场中的速度矢量场。

本文主要介绍PIV技术的原理、仪器设备、实验过程和数据处理方法。

2.原理PIV实验的基本原理是通过拍摄两幅连续时间间隔极短的图像，再通过计算机处理这两幅图像来获得流场速度分布。

实验中，通过成像装置将流场中的颗粒的二维图像记录下来，并通过图像处理软件对这些图像进行处理，得到颗粒运动的位移信息。

根据颗粒在两幅图像中的位置变化以及两幅图像之间的时间间隔，可以计算出流场中颗粒的平均速度。

3.仪器设备PIV实验所需的主要仪器设备有：激光器、摄像机、成像装置、实验容器和图像处理软件。

激光器用于提供激光光源，摄像机用于捕捉流场中颗粒的图像，成像装置用于将颗粒的图像传送给摄像机进行记录，实验容器用于容纳流体介质，图像处理软件用于对图像进行处理和分析。

4.实验过程PIV实验的基本步骤包括：实验准备、实验装置安装、调试系统、进行实验和数据处理。

实验前需要根据具体情况选择合适的颗粒，并进行流动性能测试以确定实验参数。

然后需要根据实验要求进行装置安装和调试，确保实验装置的稳定性和准确性。

实验过程中，通过激光照射流体中的颗粒，并通过摄像机记录颗粒的图像。

最后，通过图像处理软件对图像进行处理和分析，得到流场的速度分布数据。

5.数据处理方法PIV实验得到的数据需要经过一系列处理方法来提取有用的流场信息。

数据处理方法包括：图像预处理、图像匹配、自相关分析、位移矢量计算和速度矢量分析。

粒子图像测速技术

热灾害实验技术粒子图像测速技术实验目的：测量流场的速度分布实验装置：摄像头，片光源，计算机实验原理与方法：互相关算法：根据DPIV 互相关算法理论，过一采样窗口，同一特定位置，可顺序获取两幅数字图像。

粒子的位移可从一幅图像到另一幅相对应的图像经互相关计算获得。

两幅顺序获取图像中相同位置的两个查问窗口函数 f(m ，n)和g(m ，n)，从信号系统的观点出发，g(m ，n)可以看作是f(m ，n)经线性转换后叠加以噪声而成，如图所示。

1、预先在流场中撒入一定浓度和大小的示踪粒子，用脉冲激光片光源照明二维流场，在垂直片光的方向上摄像，获得两次或者多次曝光的粒子图像。

2、对采取的图像使用Photoshop进行处理使之变成长宽为256x256的灰度图像，使用matlab和互相关算法编程，对图像进行处理，得到二维流场中速度矢量分布图。

实验结果：隔两帧得到的灰度图：得到速度矢量图如图所示：得到速度矢量图如图所示：源程序：function [XNum,YNum,AutoFlag]=g(a1,a2,OutFile) fid1=fopen('a1.jpg','r');fid2=fopen('a2.jpg','r');fid3=fopen('OutFile.jpg','w');XL=256;YL=256;frewind(fid1);Image1=fread(fid1,[XL,YL]);frewind(fid2);Image2=fread(fid2,[XL,YL]);WinSizeX=64;WinSizeY=64;DeltaX=16;DeltaY=16;XNum = (XL-WinSizeX)/DeltaX;YNum = (YL-WinSizeY)/DeltaY;a=3.4968e+006 +4.7425e-010i;frewind(fid3);for j1=1:YNum+1;for i1=1:XNum+1;CorrWin1=Image1((i1-1)*DeltaX+1:(i1-1)*DeltaX+WinSizeX,(j1-1)*Del taY+1:(j1-1)*DeltaY+WinSizeY);CorrWin2=Image2((i1-1)*DeltaX+1:(i1-1)*DeltaX+WinSizeX,(j1-1)*Del taY+1:(j1-1)*DeltaY+WinSizeY);F1=fft2(CorrWin1);F2=fft2(CorrWin2);S=F2.*conj(F1);Pks=ifft2(S);Pks=fftshift(Pks);Pks=Pks/a;if (i1==2)SURF(abs(Pks));pauseend[temp1,maxx]=max(Pks);[temp2,maxy]=max(temp1);if temp2==0.0 || abs(maxx(maxy)-WinSizeX/2-1)> WinSizeX/3.0 || abs(maxy-WinSizeY/2-1)>WinSizeY/3.0VX(i1,j1)=0;VY(i1,j1)=0;Corr(i1,j1)=0;elseTX=maxx(maxy);TY=maxy;Corr(i1,j1)=temp2;%---------用高斯拟合峰值的精确位置-----------y0=Pks(TX-1,TY); %横向y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX+1,TY);CX1=(y0-y2)/(2.0*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX,TY-1); %纵向y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX,TY+1);CY1=(y0-y2)/(2.0*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX-1,TY-1); %第一对角线y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX+1,TY+1);CX2=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));CY2=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));y0=Pks(TX+1,TY-1); %第二对角线y1=Pks(TX,TY);y2=Pks(TX-1,TY+1);CX3=-(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));CY3=(y0-y2)/(2.828*(y0+y2-2.0*y1));%--------------------------------------------------VX(i1,j1)=TX+CX1+CX2+CX3-WinSizeX/2-1;VY(i1,j1)=TY+CY1+CY2+CY3-WinSizeY/2-1;endX(i1,j1)=WinSizeX/2+(i1-1)*DeltaX;Y(i1,j1)=WinSizeY/2+(j1-1)*DeltaY;%if(abs(Corr(i1,j1))>abs(a))% a=Corr(i1,j1);%end;fprintf(fid3,'%8.2f,%8.2f,%12.6f,%12.6f,%8.2f\n',X(i1,j1),Y(i1,j1 ),VX(i1,j1),VY(i1,j1),Corr(i1,j1));end%j1end%aquiver(X,Y,VX,VY);fclose(fid1);fclose(fid2);fclose(fid3);cx=5;cy=5;sigma=0;for j1=1:YNum+1,for i1=1:XNum+1,sx=cx*abs(VX(i1,j1)-cx)/(cx*cx+cy*cy);sy=cy*abs(VY(i1,j1)-cy)/(cx*cx+cy*cy);sigma=sigma+sqrt(sx*sx+sy*sy);endendsigma=sigma*100/((XNum+1)*(YNum+1)); %百分比[s,errmsg]=sprintf('sigma=%f\n',sigma);s。

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。

粒子图像测速技术的研究与应用

粒子图像测速技术的研究与应用随着科技的发展，测量粒子和流体速度的需求越来越多，而粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry，PIV）作为一种全息、非接触、全场测量流体速度和颗粒运动的高速精密测量方法得到了广泛的应用。

一、粒子图像测速技术的原理和方法PIV技术基于成像法，利用高速摄像机记录流体中荧光微粒的运动图像，并通过处理荧光微粒的运动轨迹获得流体速度分布。

整个测量过程被分为两个步骤：荧光微粒标记和图像处理。

荧光微粒标记可以使用洛伦兹荧光微粒、纳米颗粒或者钴青天然磁性微粒等，这些微粒被注入到流体中并随之运动，拍摄到的图像经过处理后可得到流体速度平均值和方向。

图像处理可以采用相关方法、互相关法、小波变换等不同的算法，通过处理得到流体速度分布、涡量场和剪切应力等大量的物理量，并可以得到不同时间段内的流体运动轨迹等信息。

二、 PIV技术在流体力学和气象学中的应用PIV技术作为一种高速精密测量方法，在流体动力学和气象学领域得到了广泛的应用，具体有以下几个方面。

1. 流体动力学仿真与实验流体动力学是研究流体运动规律、流体力学特性以及流体与固体或流体与液体交互作用的学科。

PIV技术可用于流场定量表征、流体运动分析和涡旋识别等方面，尤其适用于分析颗粒物在流体中的运动行为。

同时，流体动力学仿真也可用PIV技术验证和修正模型。

2. 气象学观测PIV技术可以有效地研究大气速度、潜热通量等气象学参数，对气象、环境、应急预警等领域有着重要的应用价值。

3. 环境污染监测流体动力学方法可用于水流速度、水流压力的测量、以及水中污染物浓度和扩散规律的研究。

PIV技术可以准确地测量水流中的污染物流量、污染物分布情况和扩散规律，为环境污染监测提供了一种全新的手段。

三、 PIV技术的应用展望近年来，人们对PIV技术的应用发展提出了更高要求，需要能够更加精确、快速、实用和多样化地完成测量。

在此基础上，未来可望有以下方向的发展：1. 超高速PIV技术随着科技发展，各个领域对流体速度测量的需求不断增加，比如高速列车、飞行器等高速运动物体，需要测量的速度更高。

粒子图像测速技术.ppt

（a）气压式粒子发生器原理图
（b）气压式粒子发生器实物照片
图 3.1 气压式粒子发生器
3.1 超音速喷流试验
(A) 喷流试验光路布置 (B)喷流试验现场设备布置图3.2 超音速喷流实验
实验照片
△T = 1 微秒
超音速喷流试验结果
Y(mm)
20
15
10
5
10
1520Biblioteka 25 X(mm)图 3.3 超音速速度向量场试验结果
激光片光
图3.12 漩涡分离器测量试验布置图
漩涡分离器试验结果
（a）漩涡分离器截面等速度场
（b）漩涡分离器截面等涡量场
图3.13 漩涡分离器试验结果
漩涡分离器试验结果分析
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
Y
0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0 20 40
X
60
80
100
体视成像（SPIV）原理
θ
α
图2.14平移机构体视PIV示意图
图2.15角移机构体视PIV示意图
体视成像（SPIV）校准原理
（a）网格校准板标准图像
（b）左侧相机拍摄的图像（C）右侧相机拍摄的图像
图 2.16 体视成像（SPIV）图像校准原理
体视三维PIV系统组成
3. DPIV系统的实际应用以及试验成果
2.2 DPIV系统的软件组成
图像辅助工具图像显示采集
打开图像文件
满足试验要求
互相关计算
不满足试验要求
保存图像文件
向量修正（人工/自动）
保存向量文件
打开向量文件
向量结果分析
保存分析结果
涡量场，等速线，流线，三维等值图

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。

采用粒子图像测速的表面流场分析方法

采用粒子图像测速的表面流场分析方法粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）是一种常用于流体动力学研究中的图像测量技术。

它能够快速、精确地测量流场速度和涡旋结构，其测量过程精度高，对于表面流场的分析也有着广泛的应用。

本文将会介绍PIV的原理、应用以及近几年来在表面流场分析方法中的应用。

1. PIV原理PIV的测量原理基于拉格朗日法，通过在流体中注入小颗粒后，记录颗粒在流场中的轨迹，从而计算出流场在不同位置和不同时间的速度。

具体来说，PIV通常分为两步，首先在流场中瞬间释放小颗粒（如白砂糖或者微小的聚合物胶体颗粒），然后使用激光束成像记录颗粒在流场中的运动。

当颗粒在激光束的照射下进入相机视野后，由于两个相邻的画面之间存在时间差，因此可以通过计算这两个画面中颗粒的平移距离以及时间间隔来获取流场速度。

2. PIV应用PIV技术在流体动力学领域广泛应用。

例如，在飞行器研究中，PIV可以用于测量飞行器表面流场速度、压力分布以及涡旋结构等信息，帮助研究人员更好地了解飞行器表面的流体动力学特性。

此外，在医学和生物领域，PIV也被广泛应用于心血管系统、气管、血管等生物组织的流体力学研究。

3. 表面流场分析方法表面流场分析是研究流体运动和压力分布的一种技术。

在实际应用中，如果需要确定液体表面的流动方式以及液体表面的涡旋结构等信息，则需要采用表面流场分析方法。

表面流场分析方法通常采用PIV技术对表面流场进行流量和速度测量，同时采用激光诱导荧光技术记录表面液体温度和颜色等参数来计算表面流场的各种参数。

例如，当需要观察液面上的涡旋结构时，可以使用PIV技术在表面释放颗粒，然后通过计算颗粒的位移和时间等信息来分析涡旋结构。

现有研究中，PIV技术已被应用于表面涡旋结构的几乎所有领域，例如：海洋、湖泊、河流等水体表面的涡旋动力学的实时测量；风力涡旋、暴风雨和极端天气等极端气象条件下的表面流场分析；以及在泵和离心机等机械的设计中应用的表面流场分析。

粒子图像测速系统(PIV)

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~ 500.00 m/ 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技术的最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。

PIV(粒子图像测速系统)

PIV（粒子图像测速）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。

PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场。

另外PIV 技术具有较高的测量精度。

由于PIV技术的上述优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课题，因而日益得到重视。

PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。

若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。

因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。

在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为：（1）比重要尽可能与实验流体相一致；（2）足够小的尺度；（3）形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀；（4）有足够高的光散射效率。

通常在液体实验中使用空心微珠或者金属氧化物颗粒，空气实验中使用烟雾或者粉尘颗粒（超音速测量使用纳米颗粒），微管道实验使用荧光粒子等。

通过使用西华数码影像（日本Seika公司）开发的PIV专用控制和分析软件Koncerto II，就可以完成测量与分析（详情可咨询武汉中创联达科技有限公司，网址：）。

其技术原理为：对在一定空间中的粒子使用片状激光在极短的时间内连续照射两次，并且使用高分辨率相机于继光同时拍摄，取得两个粒子群的图像。

通过PIV专有算法（互相关）分析该图像的同一区域（解析窗口）中的粒子，可以获得表示速度矢量的二维数据。

PIV不仅可以获得二次元的数据（2D2C），还可以通过使用立体拍摄来获得二维三分量（2D3C）数据。

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。

粒子图像测速技术与应用

粒子图像测速技术与应用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV）是一种非侵入式流场测量技术，其原理是利用高速数字摄像机捕捉流体中由体积或表面轮廓的微粒所组成的图像序列，并通过计算处理来得到流体的速度场信息。

PIV技术的应用范围非常广泛，既可以用于研究天然流体运动现象，又可以用于工业流体力学领域的实验研究，还可以应用于医学、环境、生态等领域的研究。

1. PIV技术原理PIV技术主要基于两帧流场图像的匹配和计算，其中流体中的不透明微粒被认为是运动的跟踪标记。

首先，在被测流场中加入微粒探针，并用高速摄像机记录粒子在不同时刻的位置分布图像序列，然后通过图像处理技术，选定两个特定的时间点，提取出图像中的微粒位置，并进行匹配。

匹配后，根据匹配到的微粒在两个时间点的位置变化，即可得到流体中的速度矢量场分布。

最后，通过计算流体中的不同位置的速度值，得到流量、涡量、剪切应力等流体动力学参数。

2. PIV技术的应用2.1 工业流体力学领域PIV技术广泛应用于工业流体力学领域的实验研究，例如：航空、汽车等领域的气动力学研究。

在飞行器的设计和研发过程中，需要研究其外形对飞行性能的影响，包括气动阻力和升力，而PIV技术可以帮助识别飞行器表面的速度分布，为改善其性能提供参考。

同样，汽车的气动设计也需要通过PIV技术来评估不同外形对车速、空气阻力的影响。

2.2 医学、环境、生态研究PIV技术还可以应用于医学、环境、生态等领域的研究。

例如，PIV技术可以研究心脏壁的运动，进而分析心脏的收缩过程；还可以用于细菌、气溶胶等颗粒的测速和分布分析；在水流环境中，PIV技术可以帮助研究河流和海洋生态系统中的流体运动，以及水动力学问题，如洪水预警、海洋污染控制等方面。

3. PIV技术的优劣虽然PIV技术被广泛应用于流体力学领域中，但PIV技术本身存在一些局限性。

首先，由于流场中粒子的亮度和聚集程度可能受到流体物性、涡旋等因素的影响，粒子图像的质量会受到一定的影响，对测量结果的准确性产生影响。

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。