1.基本工作原理

在待测流体中施放示踪粒子，利用厚约1mm的激光片光照亮待测平面，跟随流体运动的示踪微粒被激光照射后散射光斑，使用相机以Dt的间隔（不能太长或太短)拍摄散射光斑形成两张粒子图像。

将两张粒子图像划分为若干矩形区域(判读窗口)(不能太大或太小)，根据两图片中对应判读窗口内粒子图像可得到示踪粒子在Dt间隔内的位移Dx，进而得到各窗口对应流体微团的流速矢量。

PIV计算原理示意图

2.系统组成

（1）示踪粒子

根据PIV工作原理，开展流动测量使用的示踪粒子需要同时具备良好的跟随性和散光性。为避免示踪颗粒对流场产生显著扰动，颗粒粒径应足够小，气体示踪颗粒粒径一般0.5-5mm，液体示踪颗粒密度一般5-50mm;同时，颗粒外观应为具有各向同性特征的球形。沿流动方向，颗粒需要具有良好的频率响应以准确反映流体速度的时空变化。良好的颗粒频响能力要求颗粒密度与流体密度接近，或颗粒粒径足够小。散光性是指示踪颗粒散射入射光线的能力，散光性越强，散射光线的强度越大，被相机记录的粒子图像质量越好。根据米氏散射理论，颗粒散光性主要取决于粒径和相对于流体的折射率，粒径及相对折射率越大，散光性越好。

（2）PIV相机

PIV相机所使用的图像传感器有CCD和CMOS之分，二者成像质量无明显差异，由规则排列的像元矩阵组成，每个像元为独立感光单元，物理尺寸一般2-12mm，输出结果对应图像中的一个像素。PIV系统使用的相机不同于普通消费级或工业相机。根据工作模式的不同，PIV系统使用的相机有低速跨帧相机、高速相机和高速跨帧相机之分。

（3）PIV激光器

激光是最为理想的PIV光源，根据工作模式的不同，PIV系统使用的激光器有连续激光器和脉冲激光器之分，激光波长通常为532nm或527nm的绿光。连续激光器体积小巧，采用风冷技术，输出功率连续可调，但最大功率通常£20W；激光器与相机独立工作，粒子图像曝光时间及成像间隔由相机控制，需要较长曝光时间才能获得清晰粒子图像。脉冲激光器体积庞大，采用水冷技术，输出功率连续可调，单脉冲能量高达500mJ；激光器与相机同步工作，需要配备信号同步器，粒子图像曝光时间等于脉冲宽度，粒子图像质量高。

PIV系统主要空间布置

3.计算方法

将两张粒子图像划分为若干矩形区域（判读窗口)，再计算两图片中对应判读窗口内粒子图像的互相关函数，根据互相关函数的峰值点位置，即可得到示踪粒子在Dt间隔内的位移，进而得到流速矢量。判读窗口尺寸（边长)通常可取32像素，但要根据粒子图像密度、流体速度及测量空间分辨率等因素调整；最小窗口尺寸的设置原则是，两帧图像对应的窗口对之间共有的粒子数不少于2-3颗；窗口尺寸与片光厚度决定了各测点代表的流体微团的体积，代表了PIV测量结果的空间分辨率，因此，最大窗口尺寸一般应小于1mm。

PIV计算步骤示意图

4.主要优势

Ø  测速范围广，低速到超高速；

Ø  测量频率高，可达10kHz；

Ø  空间分辨率，可达0.1mm；

Ø  测量精度高(~1.0%)；

Ø  可测量多点瞬态2维流速；

Ø  非接触式测量。

PIV流场计算结果示例