粒子图像测速系统开发及在曝气池流场中应用

摘要

环境卫生学重要的研究目的之一就是如何识别和评价劳动者的作业环境以及采用何种防护措施来尽最大可能的保护劳动者的作业健康。其中，评价作业环境是为了认清劳动者的作业条件优劣，其在环境卫生工作中的关注点主要集中在监督管理的层面上；而采用何种有效的防护设备和防护措施(如具体类型防毒面具的选择)则着重于技术的层面上。后者必须要在充分认识作业场所的污染物扩散情况(如污染物的运动方向、速度大小)上进行。只有充分的认识了作业场所内污染物以何种速度和扩散方向在运动，才能选择相应的防护设备，安装在合适的位置对污染物进行控制。
　　 本研究侧重在劳动者作业场所环境的分析基础——污染物运动的速度场问题上，运用了数字图像处理技术对PIV流场测速技术的主流算法和选窗技术进行研究，主要得到以下结论和研究成果：
　　 (1)在前期工作中大量进行了资料检索，查阅了目前劳动场所的职业卫生法律法规、作业场所的防护状况以及流体测速技术的发展，总结了近十多年来的流动可视化发展情况，尤其是粒子图像测速技术的发展历程。
　　 (2)本文针对PIV技术中的主流算法和亚像素拟合技术进行了分析研究，讨论了诊断窗口的尺寸选择对于检测准确性的影响，得到了窗口大小的选择要根据流体流场的实际情况进行选择，尺寸过大或者过小都会造成信息的不匹配，从而降低分析的准确度。
　　 (3)在对PIV技术进行详尽分析的基础上，本研究开发了一套PIV系统。该系统包括硬件和软件两个部分，硬件部分结合实际情况进行了设备选型组建；软件部分则运用MATLAB语言自主设计了一个方便用户操作的流场检测程序。操作者可以方便的使用该程序进行速度场的计算。界面中实现了图像的灰度值直方图变换调整、图像噪声的去除等图像处理功能，并可以计算和显示所检测的速度场情况，方便操作者对流场情况进行了解和分析。同时，检测界面还设计了图像的放大缩小等辅助功能，设计更加人性化。
　　 (4)本研究设计了一个曝气池流场实验装置，将自主开发的PIV检测系统应用于该实验中。