立体显微粒子图像测速技术及系统设计

摘要

近年来,随着微/纳尺度流动研究的不断发展,微流体全场定量可视化实验技术得了广泛应用,三维显微粒子图像测速技术(3D Micro-PIV)已成为微流体测速技术的热点研究方向,为复杂微尺度流动的全场实验研究奠定了重要基础。本文提出了基于双目视觉的立体显微图像测速技术及系统设计,包括系统原理、硬件及算法。
　　立体Micro-PIV系统的硬件由两套显微图像采集系统组成,包括两套显微光路系统,两台 CCD相机,显微光路系统由体视显微镜改装实现。作为系统硬件的前期准备和基础研究,本课题首先搭建了立体显微图像测量系统平台,实现了微尺度三维几何形貌的测量。利用立体显微镜及两台数字相机获得被测对象两个不同观测角度的显微图像,通过图像处理技术和几何原理计算得到被测对象的空间三维信息。分别对标准显微标定板左右各10个相同角度进行了测量,经过系统标定、图像获取和处理以及空间几何运算,得到了角度的实测值。结果表明,测量的相对误差均在3％以内,获得了较高的测量精度。
　　算法设计上,根据一组法向成夹角流体平面上的实测速度分量及空间几何关系,利用循环计算方法获得待测流体的三维速度矢量数据。为了验证算法的可行性,采用Fluent软件针对典型的三维方腔驱动流进行数值模拟,分层导出两个与实测夹角相同的流体平面上的速度分量,以此平面上的二维速度信息代替Micro-PIV采集的速度信息,带入编写的算法程序进行计算,获得流场的三维速度信息。将程序计算得到结果和Fluent计算的三维速度场结果进行比较,从而验证立体Micro-PIV算法的正确性。计算结果表明,两者吻合较好,平均误差为1.66%,从而验证了该系统的测量原理和算法设计是可行的。

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表清单

1绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究内容和目标

2立体Micro-PIV技术及系统设计

2.1立体Micro-PIV测速基本原理

2.2立体Micro-PIV硬件设计

2.3立体Micro-PIV软件设计

2.4本章小结

3 立体显微图像测量系统与实验

3.1系统搭建与调试

3.2粒子图像检测方法及处理

3.3系统参数标定

3.4测量结果与误差分析

3.5本章小结

4立体Micro-PIV算法的验证

4.1基于计算流体力学(CFD)的验证方法

4.2算例程序实现及结果

4.3模拟结果的误差分析

4.4本章小结

5结论和展望

5.1主要结论

5.2展望

参考文献

作者简历