PIV技術的原理及其應用領域

利用粒子圖像的高密度分布模式獲取網格點速度的方法被稱為粒子成像測速(PIV)，用于跟蹤低粒子數密度的每個粒子的方法被稱為粒子跟蹤測速(簡稱PTV)。

粒子識別是PIV的主要難點，高精度的測量需要在測量流場中有足夠數量的粒子。如果流體在流場中的運動是復雜的，例如在高速或強旋轉的情況下，很難識別連續圖像幀中的每個粒子。

PIV沒有標準的測量系統，每種類型的PIV都需要安裝硬件和軟件來測量流場。盡管現在應用了許多類型的PIV，但它們仍然有一些通用流程。PIV測量包括四個階段：①釋放粒子，②照明，③拍攝和④圖像處理。為了精確的PIV測量，每個階段都應該在整個實驗中嚴格執行。

PIV測量的階段詳細如下：①釋放粒子：當粒子具有良好的流體流動可追溯性行為時，粒子速度通常表示局部流體速度。②照明：在二維PIV測量中，光散射示蹤粒子的流場由一個均勻的光片照亮，通常來說光源是由三角棱鏡和圓柱透鏡引導的激光，光板的厚度約為1~2mm，并調整光強，使示蹤粒子可以清晰被拍到。③拍攝：要執行 PIV 分析，需要從流場中對相機進行兩次激光曝光。起初，由于攝像機無法高速捕獲多個幀，因此在同一幀上捕獲了兩個曝光，并且此單個幀用于確定流量。此分析使用了稱為自相關的過程。然而，由于自相關流的方向變得不清楚，因為不清楚哪些粒子點來自第一個脈沖，哪些粒子點來自第二個脈沖。自那時以來，開發了使用CCD或CMOS芯片的更快的數碼相機，可以高速捕獲兩幀，幀之間只有幾百 ns 的差異。這使得每個暴露都能夠在其自己的框架上隔離，以進行更準確的交叉相關分析。④圖像處理：圖像處理是PIV測量中較重要的階段。首先，記錄粒子運動的圖像被傳輸到A/D轉換器以獲得數字圖像。然后，對數字圖像進行處理。處理包括去除噪聲，平滑，將灰度圖像轉換為二值圖像，標記粒子，計算粒子的重心坐標。然后，將粒子的坐標從圖像平面轉移到物理平面。然后，用各種方法計算粒子速度矢量。

由于其強大的優點，PIV技術已被公認為較先進的流動測速技術，并在世界范圍內迅速普及。應用領域一直在擴大，如湍流測量，多相流，流體機械內部流動，生物工程，醫學工程，環境工程，能源工程，新材料開發，體育科學，生命科學，機電一體化，機器人技術等。此外，PIV已被認為是包括多相流在內的熱工和流體工程領域的一種強有力的新測量工具，并且，PIV的應用擴展到確定二維和三維兩相流體流動中的速度場。因此，PIV是研究流動結構的一種有前途和強大的工具。

【來源：光虎光學內部培訓資料】