Alta velocidad velocímetro de partículas cerca de superficies

1. Lab Safety Revisión de seguridad de materiales con láser antes de utilizar un láser y asegurarse de que se cumplen los requisitos de capacitación. Obtener el equipo de seguridad adecuado para trabajar con láseres. Cada persona debe llevar un par de gafas de seguridad de laser que bloquean onda de emisión del láser (s). Instale una señal de advertencia exterior del laboratorio para que los demás sepan cuando el láser está en funcionamiento. Cuelgue cortinas de seguridad de laser de todo el banco óptico para aislarlo de otros compañeros de trabajo en un espacio de laboratorio compartida. Retire todos los relojes y joyas cuando trabaje con láser. Tenga en cuenta la trayectoria de los rayos al configurar el equipo: configurar el equipo para que hacer ajustes no requerirá alcanzar por encima o por debajo de la viga. Leer el manual de láser para determinar la forma de operar el láser de forma segura. Mantenga su nivel de los ojos fuera del plano del haz de láser! 2. Sobremesa Set-up Determine el aumento tsombrero será requerido para la aplicación y selecciona la lente apropiada. El aumento (M) puede ser determinada dividiendo la longitud del chip de la cámara con la longitud correspondiente del campo de visión (FOV). En este ejemplo, la longitud del chip de la cámara es de 17,6 mm y la longitud correspondiente del campo de visión es de 2,4 mm. Por lo tanto, M = 17,6 mm / 2,4 mm = 7,33. Un microscopio de larga distancia se utiliza aquí para lograr este campo de visión más pequeño. Realizar algunos cálculos aproximados de las velocidades esperadas en la región cercana a la pared. Utilice estas estimaciones para determinar los parámetros de grabación, tales como la velocidad de fotogramas y el tiempo de retraso de acuerdo con directrices prácticas para PIV 1,2. Determine el tiempo que tomará para que una partícula de viajar 8 píxeles. Esto determinará el retardo de tiempo entre cada pulso de láser (dt). En el tiempo de la serie de PIV, 1/dt determinará la tasa de marco de la cámara necesaria y debe ser menor que la velocidad de fotogramas máximo permitido por la cámara. Pequeños ajustes de estos parámetros puedemás tarde ser necesario optimizar la grabación de caudal para obtener datos de velocidad de alta calidad. Si la velocidad de cuadros requerida es mayor que la tasa de repetición máxima de láser, dos láseres pueden ser utilizados para realizar PIV en el modo de marco a horcajadas. Para este ejemplo, la velocidad de fotogramas (5 kHz) no excede de la tasa de repetición máxima del láser y por lo tanto sólo se requiere un único láser para realizar PIV en el modo de series de tiempo. Nivele el láser con respecto a la tabla Ajuste el cabezal del láser en un extremo de una mesa óptica nivel. Coloque un vertedero de haz directamente en la trayectoria del haz en el otro extremo de la mesa. Coloque un carril óptico entre la cabeza del láser y el volcado de haz. Tape el objetivo de un bloqueador de viga, fijar el bloqueador de haz a un vehículo y coloque el vehículo en el carril. Ajuste la corriente a un valor actual de láser de baja – suficiente para lasear pero no lo suficiente como para quemar una hoja de papel. Encienda el láser y deslice el soporte hacia atrás y adelante. Hacer pequeños ajustes al unt posición del láseril el centro del haz láser se queda en un lugar como el carro se mueve hacia atrás y adelante. Fijar el láser a la mesa óptica. Medir la altura del centro del haz de láser utilizando una escuadra de combinación. Apague el láser. Instale la hoja láser óptica de formación Retire ferrocarril, pero colocar el bloqueador de viga con el objetivo delante de la viga de volcado. Encienda el láser y marque con cuidado en el centro de la viga en el blanco. Coloque la lámina que forma la óptica, que es el homogeneizador de haz (BH), que también incluye una hoja formando telescopio en esta demostración, en la ruta de láser para formar la hoja de láser. La altura de la hoja de láser debe ser mayor que el campo de visión. Ajuste la posición de la BH al centro de la altura y la anchura de la hoja del laser de la marca en el blanco, y quedarte con reflejos de viajar atrás en la cavidad láser. Coloque una abertura entre el cabezal láser y BH si es necesario para evitar volver reflexiones. Apague el láser. El lhoja de ight en esta demostración tenía una altura de 8 mm y un espesor de 0,5 mm, respectivamente, y una energía de pulso de 0,4 mJ / pulso. Si el espacio es limitado en la mesa óptica, coloque un espejo de 45 ° de alta reflectividad para convertir la hoja de luz láser en 90 °. Cinta otro objetivo a un bloqueador de haz, fijar el bloqueador de haz a un soporte y colocar el portador sobre el carril. Coloque el riel tras el espejo. Encienda el láser. Hacer pequeños ajustes al espejo hasta el centro de la hoja de la luz se queda en un solo lugar en el blanco ya que se desliza a lo largo del ferrocarril. Establecer la tasa de repetición del láser para que coincida con la velocidad de fotogramas para las mediciones (5 kHz para el ejemplo analizado aquí) y establecer la corriente al valor máximo de láser. Coloque un ferrocarril entre el BH y el objetivo. Conecte un segundo bloqueador de haz para el soporte y coloque el montaje sobre el carril. Encienda el láser. Deslice el soporte de un lado a otro para determinar la ubicación del punto focal de la BH. Marque la ubicación del focal punto relativo a la BH. Si se utiliza un espejo, hacer la medición en relación con el espejo. Medir la altura aproximada de la hoja de láser en el punto focal. Apague el láser. Montar y ajustar el microscopio de larga distancia y la cámara Marque las líneas centrales horizontal y vertical del microscopio de larga distancia (LDM) y aberturas de la cámara con un cuadrado centrado y escuadra combinada. Medir la distancia entre la mesa y las líneas centrales horizontales de la LDM y la cámara. Fijar la LDM y una cámara para los portadores y usar los espaciadores, tales como arandelas o tuercas, de manera que las líneas centrales horizontales de la LDM y la cámara están a la misma altura. Fijar la LDM y cámara en la barandilla. Coloque la LDM y la cámara mediante los adaptadores correspondientes. Ajuste la altura del conjunto de manera que los ejes horizontales son la misma distancia por encima de la mesa, como el centro de la hoja de la luz. Fijar una etapa de traducción frente a la meta, al po focalint de la viga. El movimiento de la etapa de traducción será paralela a la propagación del haz. Fijar el riel con el conjunto de la cámara a la etapa de traducción, de manera que todo el conjunto es perpendicular a la lámina de luz. Centre el conjunto de la cámara mediante la alineación de los ejes verticales de la LDM y la cámara con el punto focal. Conecte la cámara a la computadora y el controlador de alta velocidad (HSC). Conecte el láser para el HSC. Mantenga la tapa del montaje de cámara y realizar una calibración de la intensidad en el programa PIV (LaVision Davis 7.2). En el programa de software de configurar la cámara en el modo de apropiación continua y retire la tapa del conjunto de la cámara. Coloque una escuadra de combinación en el punto focal. Mueva la cámara y la LDM a lo largo del riel hasta una imagen nítida de la regla entra en el foco. Continuar para mover la cámara y LDM lo largo del carril y llevar la imagen en el foco usando varilla de enfoque del LDM hasta que el chip de la cámara se extiende por el campo de visión (2 deseada.4 x 1,8 mm 2 que corresponde a un chip de píxel 800 x 600). Fije una placa de un montaje para que sea paralelo a la mesa y colocarlo en el punto focal. Levante la placa de modo que sea visible en las imágenes en el ordenador. Apague el conjunto de la cámara acaparamiento y la tapa continua. Encienda el láser y asegúrese de que la lámina de luz láser hace contacto a lo largo de la superficie de la placa. 3. Flow Set-up En esta demostración, PIV se lleva a cabo mediante el registro de imágenes de la luz dispersada por las gotas de aceite de silicona. Las gotitas de aceite se crean utilizando un atomizador de aceite. Conecte los siguientes artículos hasta un suministro de aire: un filtro de partículas, filtro de aceite, regulador de presión, medidor de flujo de masa, y el atomizador de aceite. Conectar la salida del atomizador para un tubo de acero. Utilice un soporte y pinza para fijar el tubo de acero a la mesa óptica, eleve el tubo por encima de la mesa y dirigirla hacia la placa. Abra la válvula de suministro de aire. Ajuste la parte traserala presión en el regulador de presión a> 140 kPa para crear suficiente flujo a través del sistema. Encienda el flujo y ajustar la densidad de siembra a través de los chorros de atomizador y las válvulas de derivación en el atomizador. 4. Optimizar el Set-up Introduzca la velocidad de fotogramas en el programa de software. Compruebe que el HSC está enviando una señal de disparo que coincide con la velocidad de fotogramas para el láser. En la fuente de alimentación del laser, ajuste la tasa de repetición y corriente (5 kHz y 15,5 A en este ejemplo, respectivamente). Ajuste el láser para el modo externo. El láser debe recibir continuamente una señal de disparo de la HSC que coincida con el conjunto de tasa de repetición en el láser antes de cambiar al modo externo o bien el láser se sobrecaliente. Ajuste la cámara para tomar continuamente, encender el láser, y activar el atomizador. Utilice la barra de centrarse en la LDM para asegurarse de imágenes de partículas están en foco. También asegúrese de que la intensidad de las imágenes de partículas no es saturar el camera. Si es así, baje el láser actual – esto afectará a la posición del punto focal! Repita los pasos 2.3.3 y 2.4.3 si se cambia el actual láser. Desactivar el modo de apropiación cuando se consiguen imágenes de partículas centradas. Registro, revisar y ajustar los parámetros para la obtención de los datos de velocidad válidos Registre varios cientos de imágenes de la corriente. Una vez finalizada la grabación, comprobar las imágenes grabadas para que las partículas de seguro no se desplazan más de 8 píxeles, de la densidad de siembra es del orden de 8 a 10 partículas por 32 ventana de interrogación pixel x 32, y para verificar el enfoque de las imágenes . Repita los pasos 4.3.1-4.3.4 hasta que se cumplan los criterios anteriores. Si las partículas se desplazan más de 8 píxeles, disminuir el dt entre los dos pulsos de láser PIV para lograr un máximo de turnos de 8 píxeles. Si las partículas están cambiando sustancialmente menos de 8 pixeles, aumentar la dt en consecuencia. Para sistemas de un solo láser de PIV, el DT se ajusta mediante la alteración de la velocidad de fotogramas y, en consecuenciala tasa de repetición del láser. Para PIV utilizando dos láseres, dt es el retardo de tiempo entre un impulso del primer láser y un impulso del segundo láser. Si dt ​​ajuste no soluciona el problema, la velocidad de fotogramas y las tasas de repetición del láser primero se pueden ajustar y luego dt pueden necesitar ser ajustado de nuevo. Si es difícil de rastrear grupos de partículas a través de una serie de imágenes, puede haber mucho movimiento fuera de plano. Hay varias maneras de abordar este problema: a) compensar el conjunto de la cámara desde el punto focal para que la cámara es la imagen de una hoja de luz más gruesa; b) aumentar la distancia de trabajo entre la cámara y el montaje plano de lámina de luz (y enfocar con la varilla de centrado ) para lograr una mayor profundidad de foco, sin embargo, esto reducirá la resolución espacial. Si la densidad de siembra es demasiado escasa o demasiado denso, aumentar o disminuir el número de chorros de atomizador. 5. Ejecución del experimento Realizar una cámaruna calibración de la intensidad con la tapa en el conjunto de la cámara para establecer una referencia para la intensidad. Una vez que finaliza la calibración, retire la tapa. Ajuste el láser para la tasa de repetición optimizado y actual. Antes de encender el láser de modo externo, asegúrese de que el láser recibe una señal de disparo continuo que coincida con la frecuencia establecida. Encienda el láser. Grabar una secuencia de imágenes de fondo de solo la hoja luz rasante la superficie de la placa. Guarde estas imágenes. Encienda el flujo y permitir el flujo se estabilice. Ajuste la cámara para tomar continuamente y compruebe que la cámara está recogiendo imágenes de partículas centradas. Desactive el modo de apropiación continua. Introduzca el número deseado de imágenes y pulse record. Una vez finalizada la grabación, apague el flujo y el láser. Revise la secuencia de imágenes y comprobar el cambio de las partículas, la densidad de siembra, y la imagen de partículas enfoque. Guardar la grabación, si a juicio o de lo contrario, repita los pasos 5.4 hasta 5.7. </li> Repita los pasos 5.4 a 5.7 para recoger más carreras. Aumentar el tiempo de exposición (la cantidad de tiempo por trama que la cámara está recogiendo imágenes) de la cámara. Establecer un objetivo de calibración en el plano de lámina de luz y asegúrese de que haga contacto con la placa. Ilumine la meta por detrás con una fuente de luz (es decir, la linterna). Con la cámara en el modo de agarre continuo, ajustar el blanco de manera que la imagen grabada está en foco y no distorsionada. Asegúrese de que el punto de contacto entre la placa y el objetivo es visible en la imagen – esto es crucial para determinar la localización de la placa en las imágenes. Graba 10 imágenes de la plantilla de calibración. Repita los pasos de 05.09 a 05.11 cada vez que se cambia el conjunto de la cámara o el enfoque. 6. Proceso de datos El programa de software PIV utilizado en esta demostración era LaVision Davis 8.1. Promedio, cada conjunto de imágenes de destino de calibración. Utilice la imagen resultante en la calibración rouTine para determinar las dimensiones del mundo real de las imágenes adquiridas. Aplicar cada calibración para el correspondiente conjunto de imágenes. Determinar la ubicación de la placa en las imágenes calibradas. Esta información es necesaria para la creación de una máscara geométrica (descrito en 6.6). Promediar las imágenes de fondo. Determinar si los reflejos del láser de la superficie contribuyen de manera significativa el ruido de fondo mediante la comparación de los recuentos de intensidad de la imagen de fondo media de los recuentos de intensidad de las partículas de siembra. Brillantes reflejos del láser cerca de la pared tendrán intensidades superiores a las intensidades de las partículas. Esto afectará negativamente a los PIV correlaciones cerca de la pared y limitar la ubicación del primer vector fiable más cercana a la pared. En este ejemplo, los reflejos del láser no contribuyeron significativamente a la de fondo. Pre-proceso de las imágenes de flujo calibrados usando un filtro de paso alto (restar deslizamiento filtro de fondo) para eliminar gran intensidad de fluctuaciónnes en el fondo, como los reflejos del láser. Señales de partículas tienen pequeñas fluctuaciones de intensidad y pasarán a través del filtro. Definir una máscara geométrica – utilizar una máscara rectangular para desactivar cálculo vectorial donde se encuentra la placa en las imágenes. Nota: Davis tiene dos opciones para máscaras geométricas: una que permite correlaciones de PIV dentro de la región especificada y una que desactiva correlaciones de PIV dentro de la región determinada. Una máscara para permitir que el algoritmo de PIV dentro de la zona especificada se utiliza en esta demostración. En el menú "Advanced máscara de configuración", compruebe la máscara se aplica correctamente (es decir, sólo utilizar píxeles dentro de la máscara). Especificar el procedimiento de cálculo de vectores: en este ejemplo se utilizó un procedimiento de pasos múltiples con la disminución del tamaño de la ventana – 2 pases iniciales usando 64 x 64 ventanas de interrogación de píxeles con 50% de superposición seguidos por 3 pasadas con 32 x 32 ventanas de interrogación de píxeles con 50% de superposición . Los campos de vectores de velocidaden esta demostración estaban usando post-procesado cinco subrutinas para mejorar la calidad de los resultados de correlación cruzada: a) Hacer máscara permanente, b) Remover vectores con una tasa pico (Q) <1,1; c) Aplicar un filtro de mediana, d) Eliminar grupos con <5 Vectores e) Aplicar vector llenado del tanque. La relación de pico (Q) se define como , Donde P1 y P2 son las primera y segunda más altos picos de correlación, respectivamente, y min es el valor mínimo en el plano de correlación. Q es una métrica para la evaluación de la calidad de un vector. Q compara el pico de correlación más alta, lo que resulta en el mejor vector, para el fondo de correlación común representado por el segundo pico de correlación más alta. Vectores con Q cerca de 1 son una indicación de que el más alto pico de correlación es un pico falso. A continuación, el filtro de mediana determina el vector de mediana (mediana u, v mediana) De un grupo de vectores y la desviación de los vectores de vecinos (U rms, V rms). El filtro de mediana rechaza el vector medio (u, v) si no se ajusta a los siguientes criterios: u mediana – u rms ≤ u ≤ u mediana + u y v rms media – v rms ≤ v ≤ v mediana + v rms. Además, es posible obtener los grupos de vectores de espurios si un gran solapamiento se ha especificado en el cálculo vector de velocidad. Por lo tanto, es posible eliminar los grupos de vectores con menos de un número especificado de vectores. Una vez que los vectores no esencial se eliminan, vector de llenar se puede usar para llenar los espacios vacíos con vectores interpolados, determinados a partir de vectores de vecinos no-cero. Por último, la aplicación de la máscara de forma permanente se eliminarán todos los vectores fuera de la máscara. Evaluar la calidad de los resultados: a) ¿Los resultadossentido físico? (Es decir, velocidades más lentas cerca de la frontera, el aumento de las velocidades al aumentar la distancia desde la pared; la dirección de los vectores de seguir la dirección general del flujo, etc); b) El campo de vector resultante se compone en gran parte de los vectores de primera elección (indicado por el software de procesamiento de PIV). Por lo general se recomienda que la fracción de los vectores de primera elección sea mayor que 95%. Una gama más amplia de pasos de procesamiento posterior se describe en la literatura, por ejemplo, 1,2.