表面近くの高速粒子画像流速

1。ラボ安全レビューレーザー安全レーザーを操作する前に、材料とトレーニング要件が満たされていることを確認してください。 レーザーを使用するための正しい安全装置を入手。すべての個人は、レーザの発光波長（複数可）をブロックするレーザー安全ゴーグルを着用しなければならない。レーザーが動作しているときに他の人が知っているように研究室の外に警告サインをインストールします。共有のラボスペースで同僚他からそれを分離するために光学ベンチの周りにレーザー安全カーテンを掛ける。 レーザーで作業するときに、すべての時計や宝石を削除します。 機器を設定するときのビーム経路を考えてみます調整はビームの上または下に達する必要はありません作るように機器を設定します。 安全にレーザーを操作する方法を決定するために、レーザー取扱説明書をお読みください。 レーザービームの平面からあなたの目の高さを保つ！ 2。ベンチトップセットアップ倍率tを決定する帽子は、アプリケーションのために必要かつ適切なレンズを選択します。倍率（M）は、視野（FOV）の対応する長さのカメラチップの長さで割ることによって決定することができる。この例では、カメラチップの長さが17.6ミリメートルであり、FOVの対応する長さ2.4 mmである。したがって、M = 17.6ミリメートル/ 2.4ミリメートル= 7.33。長距離顕微鏡はこの小さいFOVを達成するために、ここで使用されています。 壁近傍地域で予想される速度のいくつかの大まかな計算を実行します。このようなフレームレートとPIV 1,2のための実用的なガイドラインに従って時間遅延として記録パラメータを決定するためにこれらの推定値を使用します。それは8ピクセルを移動する粒子のためにかかる時間を決定します。これは、各レーザーパルス（dt）は間の時間遅延を決定する。時系列PIVにおいて、1/dtは、撮影に必要なフレームレートを決定し、カメラによって許容される最大フレームレートより小さくなければならない。これらのパラメータを微調整しれ後で高品質の速度データを取得するために、フロー記録を最適化する必要がある。必要なフレームレートは最大レーザ繰返し率を超えている場合、2つのレーザがフレームモードで跨ぎPIVを実行するために使用することができる。この例では、フレームレート（5kHzの）は、レーザの最大繰り返し率を超えていないので、単一のレーザを時系列モードでPIVを行う必要がある。 レベル表に対するレーザレベル光学テーブルの一端にレーザヘッドを設定する。テーブルのもう一方の端に直接ビーム経路におけるビームダンプを置きます。 レーザーヘッドとビームダンプの間の光学レールを置きます。テープビームブロッカーにターゲットを、キャリアにビームブロッカーを修正し、レール上にキャリアを配置。 レーザ発光するのに十分ですが一枚の紙を燃やすのに十分ではない – 低電流設定に現在のレーザーを設定します。レーザーをオンにして、前後にキャリアをスライドさせます。レーザー位置UNTに小さな調整を行いキャリアが前後に移動するようにレーザービームのILセンターが一つの場所に留まります。光学テーブルにレーザーを修正します。 組み合わせの正方形を用いたレーザビームの中心の高さを測定します。レーザーの電源をオフにします。 レーザーシート成形光学系をインストールするレールを外しますが、ビームダンプの前に目標とビームブロッカーを配置。レーザーをオンにして、ビームの中心がターゲットに当たったところ注意深くマーク。また、レーザーシートを形成するために、レーザーパスで、このデモでは望遠鏡を形成するシートを含むビームホモジナイザー（BH）である光学系を形成するシートを置きます。レーザーシートの高さはFOVよりも大きくなければなりません。ターゲット上のマークについてのレーザーシートの中央に高さと幅にBHの位置を調整し、レーザ共振器に戻って移動するから後方反射を維持する。後方反射を避けるために必要であれば、レーザーヘッドとBHの間に開口部を配置します。レーザーの電源をオフにします。 Lこのデモでightのシートは、8ミリと0.5ミリそれぞれ、0.4 MJ /パルスのパルスエネルギーの厚さの高さを持っていた。 空間を光学テーブル上に制限されている場合、90°レーザ光シートを回転させる45°の高反射ミラーを配置する。テープビームブロッカーに別のターゲットを、キャリアにビームブロッカーを修正し、レール上にキャリアを配置。ミラー後のレールアセンブリを配置します。レーザーをオンにします。それはレールに沿ってスライドさせるような光シートの中心がターゲット上の1つの場所に留まるまでミラーに小さな調整を行います。 測定値（ここで議論例えば5kHzの）のフレームレートと一致し、最大値、現在のレーザを設定するレーザ繰り返し率を設定する。 BHとターゲットの間にレールを置きます。キャリアに第2のビームブロッカーを取り付け、レール上のアセンブリを配置する。レーザーをオンにします。 BHから焦点の位置を決定するために、前後にキャリアをスライドさせます。 FOCの位置をマークBHからの相対らポイント。ミラーを使用する場合は、ミラーまでの測定は、相対する。焦点にレーザーシートのおおよその高さを測定します。レーザーの電源をオフにします。 長距離顕微鏡とカメラをマウントして調整長距離顕微鏡（LDM）と中心広場と組み合わせ広場を使用して、カメラの開口部の水平方向および垂直方向の中心線をマーク。テーブルとLDMとカメラの水平方向の中心線間の距離を測定します。 キャリアにLDMとカメラを固定し、LDMとカメラの水平方向の中心線は、同じ高さになるように、そのようなワッシャーやナットなど、任意のスペーサーを使用しています。レール上のLDMとカメラを固定。適切なアダプタを使用してLDMとカメラを取り付けます。水平方向の中心線は、光シートの中心としてテーブルの上に同じ距離になるように、アセンブリの高さを調整します。 フォーカルPO用マークの前に平行移動ステージを修正ビームのint型。移動ステージの動きがビーム伝搬と平行になります。アセンブリ全体が光シートに垂直になるように平行移動ステージにカメラアセンブリとレールを固定します。中央焦点とLDMとカメラの垂直中心線を合わせてカメラアセンブリ。 コンピュータと高速コントローラ（HSC）にカメラを接続します。 HSCにレーザーを接続します。上のカメラアセンブリのキャップを保持し、PIVソフトウェアプログラム（LaVisionデイビス7.2）の強度キャリブレーションを行う。 ソフトウェアプログラムで継続的にグラブモードにカメラを設定し、カメラアセンブリのキャップを取り外します。焦点に組み合わせ正方形を置きます。定規の鮮明な画像にフォーカスが入ってくるまで、レールに沿ってカメラとLDMを移動します。レールに沿ってカメラとLDMを移動して、カメラのチップが必要な視野（2にわたるまで、LDMの集束性ロッドを使用して焦点に画像をもたらし続ける。4×800×600画素のチップに2対応1.8ミリメートル）。 それがテーブルと平行になるようにマウントにプレートを固定し、焦点位置に配置します。それは、コンピュータ上の画像に表示されているように、プレートを上げます。連続グラブとキャップカメラアセンブリの電源をオフにします。レーザーをオンにして、レーザー光シートはプレートの表面に沿って接触していることを確認してください。 3。セットアップの流れこの実証では、PIVは、シリコーン油滴からの散乱光の画像を記録することによって行われる。油滴は、オイル噴霧器を使用して作成される。微粒子フィルター、オイルフィルター、圧力調整器、質量流量計、オイルアトマイザー：アップエア供給するには、以下のアイテムを接続します。鋼管に噴霧器の出力を接続。マウントを使用して、光学テーブルに鋼管を固定するクランプ、テーブルの上にチューブを高め、プレートに向かってそれを演出します。 空気供給バルブを開きます。背中を設定システムを介して十分な流れを作成するために> 140キロパスカルの圧力調整器の圧力。 流れの電源をオンにし、アトマイザージェットとアトマイザーのバイパスバルブを通じて播種密度を調整します。 4。セットアップの最適化ソフトウェアプログラムのフレームレートを入力します。 HSCは、レーザにフレ​​ームレートと一致するトリガー信号を送信していることを確認してください。レーザ電源で、繰り返し率を設定し、現在の（それぞれ5 kHzで、この例では15.5）。外部モードにレーザーを設定します。レーザーは、継続的に外部モードに切り替えるか、または他のレーザーが過熱する前にレーザーで繰り返し率セットに一致するHSCからのトリガ信号を受信する必要があります。 連続して、つかむレーザーをオンにし、アトマイザーをオンにするカメラを設定します。粒子画像にフォーカスがあることを確認するためにLDMに焦点を当てたロッドを使用してください。また、粒子画像の強度がカム飽和ないことを確認してください時代。そうだとすれば、現在のレーザーを断る – これは焦点の位置に影響を与えます！レーザー電流が変更された場合は、手順2.3.3と2.4.3を繰り返します。焦点粒子画像が達成されたときにグラブモードをオフにします。 有効な速度データを取得するための記録、レビュー、調整パラメータフローの数百の画像を記録します。記録が完了した後、播種密度が32×32ピクセルの呼掛けウィンドウごと8-10粒子のオーダーであることが、粒子が8つ以上のピクセルをシフトしないようにするために記録された画像を確認し、画像の焦点を検証する。前述の条件が満たされるまで繰り返し4.3.1-4.3.4を繰り返します。 粒子は、8つ以上の画素をずらしている場合は、8画素シフトの最大値を達成するために2つのPIVレーザパルスの間dtは減少する。粒子が8ピクセルより実質的に少ないシフトしている場合は、それに応じてDTを増やす。単一のレーザPIVシステムでは、dtがフレームレートを変更し、その結果によって調整されるレーザーの繰り返し率。 PIVは、2つのレーザを使用するため、dtが第一のレーザからのパルス及び第レーザからのパルス間の時間遅延である。調整dtが問題を軽減していない場合、フレームレートやレーザーの繰り返し率は第調整することができ、次いでdtは再度微調整する必要があるかもしれません。 それは一連の画像全体の粒子の集団を追跡することが困難な場合には、あまりにも多くの面外運動があってもよい。この問題に対処するいくつかの方法があります。）カメラが厚い光学シート撮像なるように焦点からカメラアセンブリを相殺するステップと、b）カメラと光シート面アセンブリ（の間の作動距離を増加させ、集束棒を用いて焦点）より大きな焦点深度を達成するが、これは空間分解能を減少させる。 播種密度が大きすぎたり密疎である場合は、噴霧器ジェットの数を増加または減少させる。 5。実験を実行しているカマーを実行強度のための基準を設定するためのカメラアセンブリのキャップと強度較正。キャリブレーションが終了したら、キャップを取り外す。 最適化された繰り返し率と電流にレーザーを設定します。外部モードにレーザーを切り替える前に、レーザーが設定された周波数と一致した連続的なトリガ信号を受信して​​いることを確認します。レーザーをオンにします。 ただ光シート放牧板の表面の背景画像のシーケンスを記録します。これらの画像を保存します。 流れの電源をオンにし、流れを安定させる。 継続的に取得し、カメラが焦点を当てた粒子画像を収集していることを確認するためにカメラを設定します。連続グラブモードをオフにします。 画像の必要な数で入力して、録音ボタンを押す。 録音が終了すると、流れとレーザーをオフにします。画像のシーケンスを確認し、粒子シフト、播種密度、粒子画像のフォーカスを確認してください。他に満足または繰り返し5.4から5.7あれば録音を保存します。 </李> もっとランを収集する手順5.4から5.7を繰り返します。 カメラの露光時間（カメラは、画像を収集しているフレーム当たりの時間）を増加させる。 光シート面におけるキャリブレーションターゲットを設定し、それがプレートに接触することを確認してください。光源（ つまり懐中電灯）と後ろからターゲットを照らす。連続グラブモードでのカメラで、記録された画像は、焦点が合っているし、歪まないようにターゲットを調整します。プレートとターゲットとの間の接触点は画像に表示されていることを確認してください – これは画像内のプレートの位置を決定するために重要です。 キャリブレーションターゲットの10の画像を記録します。手順カメラアセンブリまたはフォーカスが変更された5.9から5.11たびに繰り返します。 6。データ処理このデモで使用されるPIVソフトウェアプログラムはLaVisionデイビス8.1だった。較正対象画像の各セットを平均する。キャリブレーションルーチンで結果の画像を使用してください取得した画像の真の世界の大き​​さを決定するために、歯。 画像の対応するセットに各キャリブレーションを適用します。 校正された画像内のプレートの位置を決定する。この情報は、幾何学的なマスク（6.6を参照）を作成する必要がある。 背景画像を平均。表面からのレーザー反射がシード粒子の強度カウントに平均背景画像の強度数を比較することにより、バックグラウンドノイズに大きく貢献しているかどうかを判断。壁の近くに明るいレーザーの反射は、粒子強度より高い強度を持つことになります。これが悪影響を壁の近くPIV相関に影響を与え、壁に最も近い最初の信頼できるベクトルの位置が制限されます。この例では、レーザの反射が大きくバックグラウンドに寄与しなかった。 前処理大きな強度変動を除去するハイパスフィルタ（バックグラウンドフィルタをスライド引く）を用いて較正されたフローのイメージこのようなレーザーの反射として、バックグラウンドでtions、。粒子信号は、小さな強度の変動を有し、フィルタを通過する。 幾何学的なマスクを定義 – プレートが画像のどこにあるかベクトル計算を無効にする長方形のマスクを使用しています。注：指定された領域内にPIV相関を可能にするもう1つは、指定された領域内にPIV相関を無効1：DAVISは幾何学的なマスクの2つのオプションがあります。指定された領域内にPIVアルゴリズムを有効にするためにマスクをこのデモで使用した。 "アドバンストマスクの設定"メニューで、マスク（ すなわちのみマスク内部のピクセルを使用します）を適切に適用していることを確認してください。 ベクトル計算手順を指定する：この例では、ウィンドウサイズを小さくすると、マルチパス手順を用いた – 50％で64×64ピクセルの呼掛けウィンドウを使用して2最初のパスが50％のオーバーラップが32×32ピクセルの呼掛けウィンドウを使用して3パスに続い重なり。 速度ベクトル場このデモンストレーションでは、相互相関結果の品質を向上させるために5のサブルーチンを使用して後処理した：a）マスクを永続的にと、b）ピーク比（Q）<1.1でベクトルを削除し、c）メディアンフィルタを適用しますと、d） <5ベクトルeでグループを削除します）フィルアップベクトルを適用します。ピーク比（Q）は次のように定義される 、P1とP2はそれぞれ、第1および第2の最も高い相関ピークここで、minは、相関面における最小値である。Qはベクトルの品質を評価するためのメトリックである。 Qが二番目に高い相関ピークによって表される一般的な相関関係の背景には、最高のベクタに結果最も高い相関ピークを比較します。 1近くにQとベクトルが最も高い相関ピークが偽ピークであることを示しています。次に、メディアンフィルタは、中央値ベクトル（Uの中央値は 、Vの中央値を決定ベクトルと、隣接ベクトル（U RMS、V RMS）の偏差のグループの）。 – U 実効 ≤U≤uは中央値 + U RMSと v 中央値 – V RMS≤V≤V中央値 + V RMS uの中央値 ：メディアンフィルタ、中間ベクトル（u、v）は、それが次の基準に適合しない場合は拒否されます。さらに、それは大きなオーバーラップが速度ベクトルの計算に指定された場合にスプリアスベクトルのグループを得ることができる。したがって、ベクトルの指定された数より少なくてベクトルのグループを削除することができる。スプリアスベクトルが除去されれば、ベクトルが満杯には、非ゼロの隣接ベクトルから決定される補間されたベクトルの空のスペースを埋めるために使用することができる。最後に、恒久的にマスクを適用すると、マスクの外側に任意のベクトルを削除されます。 結果の品質を評価する：）結果を行います物理的な意味が？ （壁からの距離が増加すると速度を増やし、境界付近より遅い速度、すなわち 、ベクトルの方向が流れ、 などの一般的な方向に従う）と、b）得られたベクトル場は、主に第一選択ベクトルで構成されている（で示さPIV処理ソフトウェア）。通常、それは最初の選択肢ベクトルの割合が95％以上にすることをお勧めします。後処理工程の広い範囲は、文献、 例えば 1,2に記載されている。