波浪中船舶尾流场PIV测量的触发信号受船舶运动自触发装置及测量方法

摘要

本发明提供一种波浪中船舶尾流场PIV测量的触发信号受船舶运动自触发装置及测量方法，包括PIV数据采集与信号调整电脑、激光传感器、PIV测量系统、激光信号接收与信号触发标志板、信号同步器、船模运动升沉杆和纵摇角度轴编码器，纵摇角度轴编码器设置在船模上，船模运动升沉杆设置在纵摇角度轴编码器上方，激光信号接收与信号触发标志板设置在船模运动升沉杆上，当激光传感器发射的激光光信号经过标志板上的银色标记线时形成信号触发通路，触发信号被发送给同步器，同步器接收到受纵摇运动与升沉运动发出的信号并触发PIV流场测量系统，PIV测量系统开始工作并采集图片。本发明为避免了人为信号触发干扰以及运动位置与测量位置不同步问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种波浪中船舶尾流场PIV测量的触发信号受船舶运动自触发装置及测量方法，属于船舶试验流场测量领域。

背景技术

船舶在设计过程中，关于船舶在波浪中的姿态和性能研究非常重要。为了研究船舶在波浪中的推进性能，很有必要测量船舶在波浪中航行时螺旋桨盘面的流场速度。皮托管、LDV(单点测速技术)以及PIV(粒子图像测速法)作为目前细节流场的测量与获取的三种常用方式，随着激光与图像处理技术的发展，LDV与PIV逐渐取代了对待测流场具有接触干扰的皮托管。相比于LDV的单点测量，对于进行船舶、螺旋桨尾流场等区域流场测量PIV得到了大量学者的广泛应用。随车式PIV系统也被广泛的应用于测量船模在拖曳水池中航行时的流场，然而，传统的随车式PIV系统却不能应用测量船模在波浪作用下的流场变化。因此，有必要设计出一种适用于波浪中船舶尾流场PIV测量的触发信号受船舶运动自触发装置。本发明提出的波浪中PIV测量船舶尾流场的触发装置，能够测量船舶在波浪中升沉运动下的尾流场，为波浪中船舶尾流场的测量提供了有效的测量方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种波浪中船舶尾流场PIV测量的触发信号受船舶运动自触发装置及测量方法。

本发明的目的是这样实现的：波浪中船舶尾流场PIV测量的触发信号受船舶运动自触发装置，其特征在于：包括PIV数据采集与信号调整电脑、激光传感器、PIV测量系统、激光信号接收与信号触发标志板、信号同步器、船模运动升沉杆和纵摇角度轴编码器，所述纵摇角度轴编码器设置在船模上，所述船模运动升沉杆设置在纵摇角度轴编码器上方，所述激光信号接收与信号触发标志板设置在船模运动升沉杆上，激光信号接收与信号触发标志板是黑色背景板，且黑色背景板上设置有至少三行的银色标记线，所述PIV测量系统包括PIV激光器和两个相机，当激光传感器发射的激光光信号经过银色标记线时形成信号触发通路，触发信号被发送给同步器，同步器接收到受纵摇运动与升沉运动发出的信号并触发PIV流场测量系统，PIV测量系统的PIV激光器和两个相机开始工作并采集图片。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.波浪中船舶尾流场PIV测量的触发信号受船舶运动自触发装置的测量方法，具体包括四个阶段：

一.试验准备阶段

(a)根据试验波浪工况的波高确定标志板上银色标记线的间距和纵摇角度轴编码器的特征角度；

(b)根据所要测量船舶截面的位置来确定船模运动升沉杆的安装位置，安装时保证船模运动升沉杆与水平面垂直；

(c)将激光传感器、PIV数据采集与信号调整电脑、角度轴编码器分别和同步器连接，使银色标记线处于波峰、波谷与激光传感器构成回路并产生信号

二.试验调试阶段

(a)拖车停靠在水池中段位置，进行无航速条件下测量系统调试；

(b)拖车鸣笛发车造波指示信号，造波室试验员进行相应波浪工况造波；

(c)波浪传递至船模位置与模型发生相互作用，船舶发生升沉、纵摇运动，并分别进行纯升沉运动状态测量调试、纯纵摇运动状态测量调试以及升沉、纵摇耦合运动调试。

(d)检查系统回路是否畅通，标志线间距以及纵摇轴编码器特征角度是否正确；

三.试验阶段

(a)纯升沉条件下试验：造波机制造波浪，待测的船模由拖车以固定航速拖带航行，波浪与船模相互作用产生纯升沉运动，升沉运动使银色标志线与激光传感器构成回路并将激发信号发射到同步器，同步器进行信号处理并发射信号同步给PIV测量系统的PIV激光器与两个相机，PIV激光器发射激光片光且同时由两个相机对船模的待测区域的图相进行拍摄，记录波浪中待测船模此刻位置时的PIV数据；

(b)纯纵摇条件下试验：造波机制造的波浪与待测船模相互作用产生纯纵摇运动，纵摇运动达到特征角度激发纵摇运动信号经纵摇角度轴编码器发射信号到同步器，同步器进行信号处理并发射信号同步给PIV测量系统的PIV激光器与两个相机，PIV激光器发射激光片光且同时由两个相机对船模的待测区域的图相进行拍摄，记录波浪中待测船模此刻位置时的PIV数据；

(c)升沉、纵摇耦合条件试验：造波机制造的波浪与待测船模相互作用产生纵摇和升沉运动，纵摇运动达到特征角度激发纵摇运动信号经纵摇角度轴编码器发射信号到同步器，升沉运动使银色标志线与激光传感器构成回路激发信号发射到同步器，同步器进行耦合信号处理并发射共同满足信号同步给PIV测量系统的激光器和两个相机，，PIV激光器发射激光片光且同时由两个相机对船模的待测区域的图相进行拍摄，记录波浪中待测船模此刻位置时的PIV数据；

四.试验数据处理阶段

(a)分别进行纯升沉、纯纵摇以及升沉、纵摇耦合运动下PIV流场数据处理，并与相应测量工况下波浪峰谷值与波浪相位等进行位置对应，形成波浪条件下船舶尾流场瞬态、项平均、时间平均等流场以供进一步船舶与推进器设计与优化应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有技术并没有一套适用于拖曳水池水下PIV测量系统进行具有波浪状态下船舶尾流场测量信号自动触发装置有配套测量方法。本发明适用于基于拖曳水池水下PIV测量系统进行具有波浪状态下船舶尾流场测量试验，试验中PIV测量系统激光器与图像采集相机可以通过不同波浪工况作用下的船舶波浪中升沉、纵摇运动独立触发或耦合触发。受船舶运动姿态触发后PIV测量系统能够测量船舶在波浪中升纵摇运动作用下波峰、二分之一波峰、平衡位置、二分之一波谷以及波谷等研究人员需要的任意运动时刻瞬态、时间平均以及相位平均的尾流场，为波浪中船舶尾流场的测量提供了有效的PIV测量信号自动触发与测量方法，避免了人为信号触发干扰以及运动位置与测量位置不同步问题。

附图说明

图1是一种适用于波浪中拖曳水下PIV船舶尾流场测量的信号受船舶运动自动触发装置与系统连接正视图；

图2是波浪中PIV尾流场测量船尾部局部放大图；

图3是一种适用于波浪中拖曳水下PIV船舶尾流场测量的信号受船舶升沉运动自动触发装置局部放大图；

图4是一种适用于波浪中拖曳水下PIV船舶尾流场测量的信号受船舶纵摇运动自动触发装置局部放大图；

图5是一种适用于波浪中拖曳水下PIV船舶尾流场测量的信号受船舶运动自动触发装置信号传递图；

图中：1.PIV数据采集与信号调整电脑，2.信号同步器，3.激光传感器，4.标志板，5.激光光信号，6.拖车主桥，7.升沉杆，8.波浪，9.待测船模，10.PIV激光器，11.PIV激光发射头，12.1号PIV相机,13.2号PIV相机，14.激光片光，15.PIV测量系统,16.纵摇角度轴编码器,17.连接板,18.船体固定板，19.PIV相机拍摄区域，20.标志板黑色板体,21.标志板银色标志线，22.船舶升沉运动，23.纵摇运动，24.纵摇锁住装置。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1、2、3、4、5所示，本发明包括一个PIV数据采集与信号调整电脑(1)、一个同步器(2)、一个激光传感器(3)、一个标志板(4)、一个升沉杆(7)、一个纵摇角度轴编码器(16)和一套PIV测量系统(15)。PIV数据采集与信号调整电脑(1)用来设置纵摇角度舟编码器(16)的特征角度、升沉杆(7)上标志板(4)上银色标记线间隔(21)的计算和PIV测量系统(15)采集的数据分析与存储。同步器(2)进行升沉运动(22)自动触发信号、纵摇运动(23)自动触发信号、PIV激光器(10)信号和PIV相机(12)(13)信号的同步。激光传感器(3)固定于拖车主桥(6)上可以发出激光光信号(5)。标志板(4)由标志板黑色板体(20)和标志板银色标志线(21)组成。纵摇角度轴编码器(16)与连接板(17)相连，连接板与船模船体固定板(18)连接，纵摇锁住装置(24)可以锁住纵摇运动(23)实现仅升沉运动(22)PIV流场测量。PIV测量系统(15)包含PIV激光器(10)、激光发射头(11)和相机(12)(13)。所述信号触发装置包括激光传感器和激光信号接收与信号触发标志板以及船模运动升沉杆和纵摇角度轴编码器。激光传感器用来发射激光给标志板并在信号形成通路后发射信号给PIV测量系统，升沉杆固定在船舶尾部，与船舶同步受波浪作用后进行升沉运动，纵摇角度轴编码器用来记录船舶纵摇角度并受船舶纵摇运动自动触发信号到同步器。标志板安装在起伏杆上，用来接收激光传感器发射的激光光信号。标志板采用黑色背景，板上装有三或多条(条数取决于测量运动或时间间隔数量)等间距的银色标记线。银色的线用来接收激光传感器发送的光信号，当激光光信号经过银色标记线时形成信号触发通路。触发信号被发送给同步器，同步器接收受纵摇运动与升沉运动发出的信号并触发PIV流场测量系统。PIV测量激光系统与照相系统开始工作采集图片。本发明适用于有波浪状态下的PIV船舶尾流场测量试验，能够测量船舶在波浪中升纵摇运动下的尾流场，为波浪中船舶尾流场的测量提供了有效的测量方法。信号触发装置的触发形式是通过船舶的升沉、纵摇运动来自动实现触发的、波浪参数等改变后触发装置受船舶运动而自动改变，无需人为调节。信号触发装置的触发方可独立可耦合，触发方式为，1)波浪使船舶发生抬升运动，抬升运动作用在升沉杆上，升沉杆位置变化使银线与触发装置的激光器构成通路，触发PIV系统的脉冲激光和相机开始工作，记录波浪中船舶此刻位置时的PIV数据。2)波浪使船舶发生纵摇运动，纵摇运动作用在船舶上，使船舶纵摇角度轴编码器发生角度变化，编码器记录不同角度时刻编码信息，根据最初设定特征编码角度发出TTL信号，触发PIV系统的脉冲激光和相机开始工作，记录波浪中船舶此刻位置时的PIV数据。3)波浪使船舶发生升沉、纵摇运动。升沉运动作用在升沉杆上，摇运动作用在纵摇角度轴编码器上。升沉杆位置变化使银线与触发装置的激光器构成通路，编码器记录不同角度时刻编码信息。升沉信号触发装置与纵摇信号触发装置信号发送到同步器上，同步器根据最初设定特征编码角度、与特征深沉运动位置进行耦合作用同步，符合两者共同要求时发出TTL信号，触发PIV系统的脉冲激光和相机开始工作，记录波浪中船舶此刻位置时的PIV数据。标志板在升沉杆上的安装位置满足，标志板上的中间银线位置与激光器在同一水平线上。升沉杆与水平位置垂直，根据不同测量截面，可布置在船舶艏柱、艉柱及船舶重心处。标志板银色标志线的间距与数量可根据测量需要调整，以实现不同测量位置、周期的测量要求。纵摇角度轴编码器可以根据波浪参数以及船舶耐波性试验进行相应特征角度设置，以实现不同测量位置、周期的测量要求。

试验开始前首先根据试验波高确定标志板上银线(21)间距和纵摇角度轴编码器(16)的特征角度，然后将标志板(4)固定在起升沉杆(7)上的某一位置，再根据所测量截面的位置来确定安装位置，安装时注意升沉杆(7)与水平面垂直。然后将激光传感器(3)、PIV数据采集与信号调整电脑(1)、角度轴编码器(16)和同步器(2)连接，调节系统设置，使银线处于波峰、波谷(平衡位置时)与激光传感器构成回路并产生信号，另外，纵摇角度轴编码器角度处于特征角度处也构成回路产生信号。系统调试完成后，进行试验测试。造波机制造波浪(8)，待测船模(9)由拖车主桥(6)以固定航速拖带航行。波浪(8)与船模(9)相互作用产生纵摇(23)和升沉运动(22)，纵摇运动达到特征角度激发纵摇运动信号自动触发回路并发射信号到同步器(2)，升沉运动使标志线(21)与激光传感器(3)构成回路激发信号发射到同步器，同步器进行耦合信号处理，发射共同满足信号同步给PIV测量系统(15)的激光器(10)与相机(12)(13)。激光器发射激光片光(14)且同时相机进行待测区域(19)图相拍摄。记录波浪中船舶此刻位置时的PIV数据。

波浪中船舶尾流场PIV测量的触发信号受船舶运动自触发装置的测量方法，具体包括四个阶段：

1.试验准备阶段

(a)根据试验波浪工况的波高确定标志板上银线(21)间距和纵摇角度轴编码器(16)的特征角度；

(b)将标志板(4)固定在升沉杆(7)上的对应位置，再根据所测量截面的位置来确定升沉杆的安装位置，安装时注意升沉杆(7)与水平面垂直。

(c)将激光传感器(3)、PIV数据采集与信号调整电脑(1)、角度轴编码器(16)和同步器(2)连接，调节系统设置，使银线处于波峰、波谷(平衡位置时)与激光传感器构成回路并产生信号，另外，纵摇角度轴编码器角度处于特征角度处也构成回路产生信号。

2.试验调试阶段

(a)拖车停靠在水池中段位置，进行无航速条件下测量系统调试

(b)拖车鸣笛发车造波指示信号，造波室试验员进行相应波浪工况造波。

(c)波浪传递至船舶模型位置与模型发生相互作用，船舶发生升沉、纵摇运动。分别进行纯升沉运动(锁闭纵摇运动)状态测量调试，纯纵摇运动(锁闭升沉运动)状态测量调试以及升沉、纵摇耦合运动调试。

(d)检查系统回路是否畅通，标志线间距以及纵摇轴编码器特征角度是否正确。

3.试验阶段

(a)纯升沉条件下试验：造波机制造波浪(8)，待测船模(9)由拖车以固定航速拖带航行。波浪(8)与船模(9)相互作用产生纯升沉运动(22)，，升沉运动使标志线(21)与激光传感器(3)构成回路激发信号发射到同步器，同步器进行信号处理，发射信号同步给PIV测量系统(15)的激光器(10)与相机(12)(13)。激光器发射激光片光(14)且同时相机进行待测区域(19)图相拍摄。记录波浪中船舶此刻位置时的PIV数据。

(b)纯纵摇条件下试验：造波机制造波浪(8)，待测船模(9)由拖车以固定航速拖带航行。波浪(8)与船模(9)相互作用产生纯纵摇(23)运动，纵摇运动达到特征角度激发纵摇运动信号自动触发回路并发射信号到同步器(2)，同步器进行信号处理，发射信号同步给PIV测量系统(15)的激光器(10)与相机(12)(13)。激光器发射激光片光(14)且同时相机进行待测区域(19)图相拍摄。记录波浪中船舶此刻位置时的PIV数据。

(c)升沉、纵摇耦合条件试验：造波机制造波浪(8)，待测船模(9)由拖车以固定航速拖带航行。波浪(8)与船模(9)相互作用产生纵摇(23)和升沉运动(22)，纵摇运动达到特征角度激发纵摇运动信号自动触发回路并发射信号到同步器(2)，升沉运动使标志线(21)与激光传感器(3)构成回路激发信号发射到同步器，同步器进行耦合信号处理，发射共同满足信号同步给PIV测量系统(15)的激光器(10)与相机(12)(13)。激光器发射激光片光(14)且同时相机进行待测区域(19)图相拍摄。记录波浪中船舶此刻位置时的PIV数据。

(d)如果进行其他波浪工况下的PIV测量，只需进行试验准备阶段的标志线间距调节与纵摇角度轴编码器特征角度调节。

4.试验数据处理阶段

(a)分别进行纯升沉、纯纵摇以及升沉、纵摇耦合运动下PIV流场数据处理，并与相应测量工况下波浪峰谷值与波浪相位等进行位置对应，形成波浪条件下船舶尾流场瞬态、项平均、时间平均等流场以供进一步船舶与推进器设计与优化应用。

本发明的原理是：

波浪中船舶尾流场PIV测量的触发信号受船舶运动自触发装置是由激光传感器、同步器，标志板、升沉杆和纵摇角度轴编码器构成。激光传感器用来发射激光给升沉杆上的标志板并在信号形成通路后发射信号给同步器，升沉杆固定在待测位置切面，与船舶同步进行升沉运动，波浪使船舶发生纵摇运动，标志板安装在升沉杆上，用来接收激光传感器发射的信号。纵摇运动作用在船舶上，使船舶纵摇角度轴编码器发生角度变化。标志板采用黑色背景，板上装有三条等间距的银色标记线。标志板在升沉杆上的安装位置满足，标志板上的中间银线位置与激光器在同一水平线上。波浪使船舶发生抬升运动，抬升运动作用在起伏杆上，起伏杆位置变化使银线与触发装置的激光器构成通路，同时角度编码器记录不同角度时刻编码信息，根据最初设定特征编码角度发出TTL信号，同步器接受升沉与纵摇运动触发的信号指令，传送信号给PIV系统，触发PIV系统的脉冲激光和相机开始工作，记录波浪中船舶此刻位置时的PIV数据。

综上，本发明受波浪中船舶运动自动信号触发装置包括激光传感器、激光信号接收与信号触发标志板、船模运动升沉杆和纵摇角度轴编码器。激光传感器用来发射激光光信号，船模运动升沉杆固定在船中处，且与船舶同步进行升沉运动，纵摇角度轴编码器用来记录船舶纵摇角度并受船舶纵摇运动自动触发信号到同步器。激光信号接收与信号触发标志板安装在升沉杆上，用来接收激光传感器发射的信号。标志板采用黑色背景，板上装有三条等间距的银色标记线。银色标记线用来接收激光传感发送的激光光信号，当激光光信号经过银色标记线时形成信号触发通路，触发信号被发送给同步器，同步器接收受纵摇运动与升沉运动发出的信号并触发PIV流场测量系统。PIV系统根据接收到的信号，激发双腔钇铝石榴石PIV测量激光系统与PIV相机系统开始工作采集测量区域精细流场图像。本发明适用于基于拖曳水池水下PIV测量系统进行具有波浪状态下船舶尾流场测量试验，能够测量船舶在波浪中升纵摇运动作用下波峰、二分之一波峰、平衡位置、二分之一波谷以及波谷等多运动时刻瞬态、时间平均以及相位平均的尾流场，为波浪中船舶尾流场的测量提供了有效的PIV测量信号自动触发与测量方法，避免了人为信号触发干扰以及运动位置与测量位置不同步问题。