Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

1. מעבדת בטיחות חומר סקירת לייזר בטיחות לפני הפעלת לייזר ולהבטיח כי דרישות הכשרה מולאו. השג את ציוד הבטיחות המתאים לעבודה עם לייזרים. כל אדם צריך ללבוש זוג משקפי בטיחות לייזר, כי יחסמו את אורך הגל של לייזר הפליטה (ים). התקנת תמרור אזהרה מחוץ למעבדה כדי לאפשר לאחרים לדעת כאשר לייזר פועל. וילונות בטיחות לייזר להסתובב הספסל האופטי לבודד אותו מצד עמיתים לעבודה בחלל מעבדה משותף. הסר את כל השעונים ותכשיטים בעבודה עם לייזרים. קחו למשל את נתיב הקרן בעת ​​הגדרת ציוד: להגדיר את הציוד, כך שיהיה ביצוע התאמות אינם דורש להגיע מעל או מתחת לקורה. קראו את המדריך לליזר כדי לקבוע כיצד להפעיל את לייזר בצורה בטוחה. שמור גובה העיניים שלך מתוך המטוס של קרן לייזר! 2. Benchtop Set-up לקבוע את t ההגדלההכובע יידרש ליישום ולבחור את העדשה המתאימה. הגדלה (ז) עשויה להיקבע על ידי חלוקת האורך של שבב המצלמה עם האורך המקביל של השדה של הנוף (FOV). בדוגמה זו, לאורכו של שבב המצלמה הוא 17.6 מ"מ והאורך המקביל FOV הוא 2.4 מ"מ. לכן, M = 17.6 מ"מ / 2.4 מ"מ = 7.33. מיקרוסקופ למרחקים ארוכים משמש כאן כדי להשיג FOV הקטן הזה. לבצע כמה חישובים גסים של מהירויות צפויות באזור הקרוב לקיר. השתמש באומדנים אלו כדי לקבוע את הפרמטרים ההקלטה, כגון מסגרת דולר ועיכוב הזמן בהתאם להנחיות מעשיות לPIV 1,2. לקבוע את הזמן שייקח לחלקיק לנסוע 8 פיקסלים. זה יקבע את זמן השהיה בין כל דופק לייזר (DT). בזמן סדרת PIV, 1/dt יקבע את מסגרת דולר המצלמה הכרחית וחייבת להיות קטנה יותר ממסגרת השיעור המרבית המוותר על ידי המצלמה. התאמות קטנות לפרמטרים אלו יכוליםלאחר מכן יהיה צורך לייעל את הקלטת הזרימה לקבל נתונים במהירות גבוהות באיכות. אם במסגרת השיעור הנדרשת עולה על שיעור החזרה לייזר המרבי, שני לייזרים ניתן להשתמש כדי לבצע PIV במצב-פישוק מסגרת. בדוגמה זו, במסגרת שיעור (5 קילוהרץ) אינו עולה על שיעור החזרה מקסימלית של לייזר ובכך רק לייזר אחת נדרש לבצע PIV במצב בזמן סדרה. רמת לייזר ביחס לשולחן הגדר את ראש לייזר בקצה אחד של שולחן אופטי ברמה. הנח מזבלה קרן ישירות בנתיב הקרן בקצה השני של השולחן. מניחים מסילה אופטית בין ראש לייזר ומזבלת הקורה. קלטת יעד לחוסם אלומה, לתקן את חוסם הקרן למנשא ומניח את המנשא על המעקה. הגדר את לייזר הנוכחי להגדרה נוכחית נמוכה – מספיק כדי lase אבל לא מספיק כדי לשרוף את דף נייר. הפעל את לייזר והחלק את המנשא קדימה ואחורה. לבצע התאמות קטנות לUNT עמדת לייזרil מרכז קרן לייזר נשאר במקום אחד כנשא נע קדימה ואחורה. תקן את לייזר לשולחן האופטי. מדוד את הגובה של מרכז קרן לייזר באמצעות שילוב מרובע. כבה את לייזר. התקן אופטיקה יוצרי גיליונות לייזר הסר את הרכבת אבל למקם את חוסם האלומה עם היעד מול המזבלה הקורה. הפעל את לייזר ולסמן בזהירות שבו המרכז של הקרן פוגע במטרה. הנח את הגיליון להרכיב אופטיקה, המהווה את homogenizer הקורה (BH) שכולל גם את גיליון להרכיב טלסקופ בהפגנה זו, בנתיב לייזר כדי ליצור את הגיליון בלייזר. הגובה של גיליון לייזר חייב להיות גדול יותר מFOV. להתאים את המיקום של BH למרכז הגובה והרוחב של גיליון לייזר על הסימן על היעד ולשמור על גב השתקפויות מנסיעה חזרה לתוך חלל לייזר. הנח צמצם בין ראש לייזר וBH במידת צורך, כדי למנוע חזרה השתקפויות. כבה את לייזר. Lגיליון ight בהפגנה זו היה גובה של 8 מ"מ ועובי של 0.5 מ"מ, בהתאמה, ואנרגית דופק של 0.4 mJ / דופק. אם יש מקום מוגבל על השולחן האופטי, להציב מראה ° גבוה רפלקטיביות 45 להפוך את גיליון אור לייזר ב -90 מעלות. קלטת נוספת יעד לחוסם אלומה, לתקן את חוסם הקרן למנשא ומניח את המנשא על המעקה. הנח את מכלול הרכבת אחרי המראה. הפעל את לייזר. לבצע התאמות קטנות למראה עד מרכז גיליון האור נשאר במקום אחד ביעד כפי שהוא מחליק לאורך המעקה. לקבוע את השער חזרה לייזר כדי להתאים את מסגרת הדולר למדידות (5 קילוהרץ לדוגמה שנדונה כאן) ולהגדיר את לייזר הנוכחי להגדרה מקסימלית. הנח רכבת בין BH והיעד. צרף חוסם קרן שנייה למוביל והנח את המכלול על המעקה. הפעל את לייזר. חלק את המנשא קדימה ואחורה על מנת לקבוע את מיקומו של המוקד מBH. לסמן את המיקום של focאל נקודה ביחס לBH. אם נעשה שימוש במראה, להפוך את המדידה ביחס למראה. מדוד את הגובה המשוער של גיליון לייזר במוקד. כבה את לייזר. הר ולהתאים מיקרוסקופ למרחקים ארוכים ומצלמה סמן את centerlines האופקי והאנכי של מיקרוסקופ למרחקים ארוכים (LDM) ופתחי מצלמה באמצעות כיכר שבמרכז כיכר ושילוב. מדוד את המרחק בין השולחן ואת centerlines האופקי של LDM והמצלמה. תקן LDM והמצלמה לנישאים ולהשתמש בכל מפרידי, כגון מנקי או אגוזים, כך שcenterlines האופקי של LDM והמצלמה נמצא באותו הגובה. תקן LDM ומצלמה על המעקה. צרף LDM והמצלמה באמצעות המתאמים המתאימים. התאם את גובה ההרכבה, כך שcenterlines האופקי הוא באותו מרחק שמעל לטבלה כמרכז של גיליון האור. תקן את תרגום במה מול הסימן לפו המוקדint של הקורה. התנועה של שלב התרגום תהיה במקביל להתפשטות הקורה. תקן למעקה עם ההרכבה המצלמה לשלב התרגום, כך שכל ההרכבה היא בניצב לגיליון האור. מרכז ההרכבה המצלמה על ידי יישור centerlines האנכי של LDM והמצלמה עם המוקד. לחבר את המצלמה למחשב ואת הבקר במהירות גבוהה (HSC). חברו את לייזר לHSC. שמור את הכובע של ההרכבה המצלמה על ולבצע כיול בעוצמה בתוכנה PIV (LaVision דייויס 7.2). בתוכנה להגדיר את המצלמה למצב לתפוס ברציפות ולהסיר את הכובע של ההרכבה המצלמה. הנח כיכר שילוב במוקד. העבר את המצלמה וLDM לאורך המעקה עד שתמונה חדה של השליט מגיעה אל מוקד. ממשיך להזיז את המצלמה וLDM לאורך המעקה ולהביא את התמונה אל מוקד באמצעות מוט ההתמקדות של LDM עד שבב המצלמה משתרע על פני השטח הרצוי של הנוף (2.4 x 1.8 מ"מ 2 מקביל ל800 600 פיקסל שבב X). תקן את צלחת להר כך שיהיו מקביל לשולחן ומניח אותו בנקודת המוקד. הרם את הצלחת כך שזה נראה בתמונות במחשב. כבה את המצלמה תופס את ההרכבה וכובע רציפה. הפעל את לייזר ולוודא את גיליון אור לייזר הופך את קשר לאורך פני השטח של הצלחת. 3. זרימת Set-up בהפגנה זו, PIV מבוצע על ידי הקלטת תמונות של אור מפוזר מטיפי שמן סיליקון. את טיפות שמן נוצרות באמצעות מרסס שמן. לחבר את הפריטים הבאים עד לאספקת אוויר: מסנן חלקיקים, מסנן שמן, ווסת לחץ, מד זרימה המוני, ומרסס שמן. לחבר את הפלט של מרסס לצינור פלדה. השתמש בהר ולצבוט כדי לתקן את צינור הפלדה לשולחן האופטי, להעלות את הצינור מעל לשולחן ולכוון אותו לכיוון הצלחת. פתח את שסתום אספקת האוויר. הגדר את הגבלחץ על וסת לחץ ל> 140 kPa ליצור מספיק זרימה דרך המערכת. הפעל את הזרימה ולהתאים את צפיפות הזריעה באמצעות מטוסי ריסוס ושסתום העוקפים במרסס. 4. אופטימיזציה של Set-up הזן את שיעור הפריים בתוכנה. בדקו שHSC שולח אות הדק שמתאימה לקצב פריימים לליזר. על אספקת חשמל לייזר, לקבוע את שער חזרות ובהווה (5 קילוהרץ ו15.5 בדוגמה זו, בהתאמה). הגדר את לייזר למצב חיצוני. לייזר חייב ברציפות יקבל אות הדק מHSC שמתאים לקבוצת שיעור החזרה בליזר לפני מעבר מעל למצב חיצוני או אחר לייזר יהיה להתחמם יתר על המידה. להגדיר את המצלמה כדי לתפוס ברציפות, הדלק את לייזר, והפעל את מרסס. השתמש במוט התמקדות LDM לוודא תמונות חלקיקים נמצאות בפוקוס. כמו כן יש לוודא בעצמה של תמונות החלקיקים לא להרוות את פקהעידן. אם כך, להנמיך את לייזר נוכחי – זה ישפיע על מיקום המוקד! חזור על שלבי 2.3.3 2.4.3 ואם נוכחי לייזר משתנה. בטל מצב תופס כאשר תמונות חלקיקים ממוקדים מושגות. שיא, חוות דעת, ולהתאים את פרמטרים לקבלת נתוני מהירות חוקיות להקליט כמה מאה תמונות של הזרימה. לאחר ההקלטה נגמרה, לבדוק את התמונות המוקלטות כדי להפוך חלקיקים בטוחים לא לעבור יותר מ -8 פיקסלים, שצפיפות הזריעה היא בסדר גודל של 8-10 חלקיקים לכל חלון חקירת 32 פיקסל 32 x, וכדי לאמת את הפוקוס של התמונות . חזור על שלבי 4.3.1-4.3.4 עד אשר עמדו בקריטריונים שקדמו. אם החלקיקים הם נודדים יותר מ 8 פיקסלים, להקטין את DT בין שתי פעימות לייזר PIV כדי להשיג מקסימום של 8 משמרות פיקסל. אם החלקיקים הם נודדים באופן משמעותי פחות מ 8 פיקסלים, להגדיל את DT בהתאם. עבור מערכות PIV לייזר יחידה, DT מותאם על ידי שינוי קצב הפריימים וכתוצאה מכךשיעור החזרה לייזר. לPIV באמצעות שני לייזרים, DT הוא השהות בין דופק מהליזר הראשון ודופק מהליזר השני. אם DT הכוונון לא להקל על הבעיה, במסגרת השיעור ושיעורי החזרת לייזר יכולים להיות מותאמים ראשון ולאחר מכן עשוי DT צריך להיות מכויל שוב. אם קשה לעקוב אחר קבוצות של חלקיקים לאורך סדרה של תמונות, ייתכן שיש יותר מדי תנועה מחוץ למטוס. ישנן מספר דרכים לטפל בבעיה זו: א) לקזז את מכלול המצלמה מהמוקד, כך שהמצלמה היא הדמיה גיליון אור עבה יותר, ב) להגדיל את המרחק בין עבד ההרכבה מטוס גיליון אור (המצלמה ולהתמקד באמצעות מוט התמקדות ) כדי להשיג עומק של פוקוס גדול יותר, לעומת זאת, זה יקטין את הרזולוציה מרחבית. אם צפיפות הזריעה היא דלילה מדי או צפופה מדי, להגדיל או להקטין את מספר מטוסי ריסוס. 5. הפעלת הניסוי בצע camerכיול העצמה עם כובע על ההרכבה המצלמה כדי להגדיר התייחסות לעצמה. ברגע שסיים את הכיול, להסיר את הכובע. הגדר את לייזר לשיעור החזרה האופטימלי ובהווה. לפני מעבר לייזר למצב חיצוני, ודא שליזר מקבל אות הדק רציפה התואמת את התדירות שנקבע. הפעל את לייזר ב. להקליט רצף של תמונות רקע של רק מרעה גיליון אור פני השטח של הצלחת. שמור את התמונות האלה. הפעל את הזרימה ולאפשר את הזרימה לייצוב. להגדיר את המצלמה כדי לתפוס ברציפות ולוודא שהמצלמה היא איסוף תמונות חלקיקים ממוקדים. כבה את מצב גזל המתמשך. הזן במספר הרצוי של תמונות ולאחר מכן לחץ על רשומה. ברגע שסיים את ההקלטה, לכבות את הזרימה ולייזר. סקור את הרצף של תמונות וסמנו את מעבר החלקיקים, צפיפות זריעה, ומיקוד תמונת חלקיקים. שמור את ההקלטה אם חזור על שלבים 5.4-5.7 מרוצים או אחר. </p> חזור על שלבים 5.4-5.7 לאסוף יותר ריצות. הגדל את זמן החשיפה (כמות הזמן לכל מסגרת שהמצלמה היא איסוף תמונות) של המצלמה. קבע יעד כיול במטוס גיליון האור ולוודא שהוא יוצר מגע עם הצלחת. להאיר את היעד מאחור עם מקור אור (פנס, כלומר). עם המצלמה במצב גזל מתמשך, להתאים את היעד, כך שהתמונה נרשמה בפוקוס ולא מעוותת. ודא שנקודת המגע בין הצלחת והיעד היא גלויה לעין בתמונה – זו היא קריטית לקביעת המיקום של הצלחת בתמונות. להקליט 10 תמונות של יעד הכיול. חזור על שלבי 5.9-5.11 בכל פעם שהרכבת המצלמה או הפוקוס משתנה. 6. עיבוד נתונים התוכנה משמשת PIV בהפגנה זו הייתה LaVision דייויס 8.1. ממוצע בכל סט של תמונות הכיול. השתמש בתמונה וכתוצאה מכך קלוואסה הכיולשן כדי לקבוע את הממדים אמיתיים בעולם של תמונות שנרכשו. תחול כל כיול לסט המקביל של תמונות. לקבוע את המיקום של הצלחת בתמונות מכוילות. מידע זה הוא נחוץ ליצירת מסכה גיאומטרית (שתואר ב6.6). ממוצע תמונות הרקע. לקבוע אם השתקפויות לייזר מהמשטח לתרום באופן משמעותי לרעש הרקע על ידי השוואת ספירות האינטנסיביות של תמונת הרקע הממוצעת למצבה בעוצמה של חלקיקי זריעה. השתקפויות לייזר בהירות ליד הקיר תהיה גבוהות יותר מאשר בעוצמות עוצמות חלקיקים. זה ישפיע לרעה על מתאמי PIV ליד הקיר ולהגביל את המיקום של הווקטור אמין הראשון קרוב לקיר. בדוגמה זו, השתקפויות לייזר לא תרמו באופן משמעותי לרקע. טרום לעבד את תמונות זרימה מכוילות באמצעות מסנן גבוה לעבור (לחסר הזזה רקע מסנן) כדי להסיר את עוצמת הגדולה fluctuations ברקע, כגון השתקפויות לייזר. יש תנודות בעוצמה אותות חלקיקים קטנות ויעברו דרך המסנן. להגדיר מסיכה גיאומטרית – מלבנית להשתמש במסכה להשבית חישוב וקטור שבו הצלחת ממוקמת בתמונות. הערה: יש שתי אפשרויות לדייויס מסכות גיאומטריות: אחד שמאפשר מתאמי PIV בתוך האזור שצוין ואחד שמנטרל מתאמי PIV בתוך האזור שצוין. מסכה כדי לאפשר לאלגוריתם PIV בתוך האזור שצוין הייתה בשימוש בהפגנה זו. בתפריט "הגדרות מתקדמות מסכה", לוודא שמסכה מיושמת כראוי (כלומר, להשתמש רק פיקסלים בתוך המסיכה). ציין את הליך חישוב הווקטור: בדוגמה זו נעשה שימוש בהליך מרובה עובר עם גודל חלון יורד – 2 עובר ראשוני באמצעות 64 64 חלונות החקירה פיקסל X עם 50% חפיפה ואחרי 3 עובר באמצעות 32 32 חלונות החקירה פיקסל X עם 50% חפיפה . שדות וקטור המהירותבהפגנה זו היה באמצעות הודעה שעובדה בחמש גרות כדי לשפר את האיכות של התוצאות חוצות קשר:) הפוך מסכת קבע; ב) הסר וקטורים עם יחס שיא (Q) <1.1; ג) להחיל מסנן חציון, ד) הסר קבוצות עם <דואר 5 וקטורים) וקטור החל למלא את. יחס השיא (ש) מוגדר , שבו P1 ו-P2 הם פסגות המתאם הגבוהות ביותר הראשונות ושנייה, בהתאמה, ודקות היא הערך המינימאלי במישור המתאם. Q הוא מדד להערכת האיכות של וקטור. ש משווה את שיא המתאם הגבוה ביותר, שתוצאתה הווקטור הטוב ביותר, על רקע המתאם המשותף המיוצג על ידי המתאם הגבוה ביותר השיא השני. וקטורים עם Q ליד 1 הם אינדיקציה לכך ששיא המתאם הגבוה ביותר הוא שיא שקר. בשלב בא, מסנן החציון קובע וקטור החציון (חציון U, V חציון) מקבוצה של וקטורים והסטייה של הווקטורים השכנים (U RMS, V RMS). מסנן החציון דוחה את הווקטור האמצעי (U, V), אם זה לא מתאים לקריטריונים הבאים: U החציוני – U RMS ≤ u ≤ חציון U + U V RMS וחציון – V rms V ≤ ≤ V חציון + V RMS. בנוסף, ניתן לקבל קבוצות של וקטורים מזויפים אם יש חפיפה גדולה צוינה בחישוב וקטור המהירות. לכן, ניתן להסיר קבוצות של וקטורים עם פחות ממספר המסוים של וקטורים. ברגע שוקטורים מזויפים יוסרו, וקטור למלא עשוי לשמש כדי למלא את החללים הריקים עם וקטורי אינטרפולציה שנקבעו מוקטורים השכנים שאינו אפס. לבסוף, החלת המסכה תמחק לצמיתות את כל וקטורים שמחוץ למסכה. להעריך את האיכות של התוצאות: א) האם את התוצאותלהפוך פיזי הגיונית? (כלומר מהירויות איטיות יותר בקרבת הגבול, הגדלת מהירויות שעולים מרחק מהקיר; הכיוון של הווקטורים פעל בכיוון הכללי של זרימה, וכו '); ב) שדה וקטורי כתוצאה מורכב במידה רבה של וקטורי בחירה הראשונים (שצוין על ידי תוכנת עיבוד PIV). בדרך כלל מומלץ שהחלק של וקטורי בחירה הראשונים יהיה גבוה מ -95%. מגוון רחב יותר של פעולות עיבוד פוסט מתואר בספרות, למשל 1,2.