一种用于TPIV测量的4台相机协同调节的安装平台

摘要

本发明涉及一种用于TPIV测量的4台相机协同调节的安装平台，属于流体运动精细测量技术领域，包括框架结构、垂直张角调节部件、水平张角调节部件和相机安装调节部件；垂直张角调节部件安装在框架结构上，沿垂向移动实现垂直张角调节；水平张角调节部件安装在垂直张角调节部件上，跟随垂直张角调节部件同步运动，并沿水平方向运动实现水平张角调节；相机安装调节部件布置在水平张角调节部件和框架结构上，跟随垂直、水平张角调节部件运动实现4台相机的水平张角、垂直张角的调节，由相机安装调节部件自身运动对相机的物距进行调整。本平台用于实现TPIV系统4台相机的安装及同步调节，具有协同性强、操作方便、精确度高等优点。

权利要求

1.一种用于TPIV测量的4台相机协同调节的安装平台，其特征在于，该安装平台包括框架结构、垂直张角调节部件、水平张角调节部件和相机安装调节部件，将上下各两台相机镜头光轴线组成的平面与水平面的夹角均定义为垂直张角，将左右各两台相机镜头光轴线所在平面与中垂面的夹角均定义为水平张角；其中，所述垂直张角调节部件安装在框架结构上，沿垂向移动实现垂直张角调节；所述水平张角调节部件安装在垂直张角调节部件上，跟随垂直张角调节部件同步运动，并沿水平方向运动实现水平张角调节；所述相机安装调节部件布置在水平张角调节部件和框架结构上，跟随垂直张角调节部件、水平张角调节部件运动实现4台相机的水平张角、垂直张角的调节，由相机安装调节部件自身运动对相机的物距进行调整；该平台在任意垂直张角、水平张角及相机物距可调的条件下，4台相机镜头的光轴始终汇聚于测量体中心点。

2.如权利要求1所述的安装平台，其特征在于，所述框架结构的外轮廓为长方体，包括位于长方体各棱上的外框、位于长方体顶面和底面且相互平行的各2根横梁、位于长方体前面和后面且相互平行的各1根竖梁。

3.如权利要求2所述的安装平台，其特征在于，所述垂直张角调节部件，包括4根升降螺杆、4组支撑件、2个前排升降驱动链轮、2个后排升降驱动链轮、升降驱动链条；所述升降螺杆分前后排平行设置、每排各2根，每根升降螺杆两端均由轴承安装在框架结构中对应的上、下横梁上，升降螺杆上半段与下半段的螺纹方向相反，每根升降螺杆的上部及下部镜像对称布置有2个配套螺母；所述每组支撑件均由左右对称布置的两个支撑腿构成，各支撑腿分别通过旋转轴与升降螺杆的1个配套螺母连接，相同升降螺杆上的上、下两个支撑腿镜像对称布置；2根前排升降螺杆的一端分别设有1个前排升降驱动链轮，与前排升降螺杆位于同一水平面的后排升降螺杆一端分别设有1个后排升降驱动链轮，升降驱动链轮之间通过升降驱动链条同步驱动；所述前后排升降螺杆至测量体的中心点的距离之比、前后排升降螺杆上配套螺母的距离之比、后排与前排升降驱动链轮齿数之比均相等。

4.如权利要求3所述的安装平台，其特征在于，所述水平张角调节部件，包括相互平行的水平驱动螺杆和水平滑轨各4根、2个前排水平驱动链轮、2个后排水平驱动链轮、水平驱动链条；所述各水平驱动螺杆两端分别由轴承安装在1组支撑件中左右对称设置的支撑腿上，水平驱动螺杆左半段与右半段的螺纹方向相反，每根水平驱动螺杆上镜像对称布置有2个水平驱动螺母；所述水平滑轨采用线性滑轨，每根水平滑轨两端分别焊接在1组支撑件中左右对称设置的支撑腿上，每根水平滑轨上还对称布置有水平驱动滑块，水平驱动滑块通过固定连接块与相应水平驱动螺母连接；所述前排水平驱动链轮、后排水平驱动链轮分别安装在前排、后排水平驱动螺杆的一端，各水平驱动链轮由水平驱动链条同步驱动；所述前排与后排水平驱动螺母间距之比、后排与前排水平驱动链轮的齿数之比、后排与前排升降驱动链轮的齿数之比相同。

5.如权利要求4所述的安装平台，其特征在于，所述相机安装调节部件，包括4根相机滑轨、4个相机安装滑块、4根相机驱动杆、相机驱动螺杆、同轴设置的驱动盘和驱动手轮；其中，所述相机滑轨采用线性滑轨，该相机滑轨通过前排连接杆与前排的水平驱动滑块垂直连接，相机滑轨与前排水平滑轨之间具有相对转动，同时前排连接杆始终与支撑腿保持平行；相机滑轨依次通过相机滑轨安装滑块、后排连接杆与后排的水平驱动滑块连接，相机滑轨与后排水平滑轨之间具有相对转动和相对滑动；4台相机相对于4根相机滑轨的几何中心镜像对称布置，各台相机分别通过相机安装滑块布置在1根相机滑轨上，相机在相机安装滑块上的安装高度满足上方两台相机镜头的光轴线能通过上方4个支撑腿旋转轴所在平面、下方两台相机镜头的光轴线能通过下方4个支撑腿旋转轴所在平面；所述相机驱动杆两端采用万向节分别与相机安装滑块、驱动盘连接；相机驱动螺杆由轴承安装在框架结构的前、后竖梁上，相机驱动螺杆上设有与驱动盘固定连接的配套螺母，由驱动手轮转动相机驱动螺杆，驱动盘沿相机驱动螺杆前进或后退，通过相机驱动杆将驱动力传递给相机安装滑块，进而驱动相机沿相机滑轨滑动实现物距的调整。

说明书

一种用于TPIV测量的4台相机协同调节的安装平台

技术领域

[0001] 本发明属于流体运动精细测量的技术领域，特别涉及一种用于TPIV测量的4台相机协同调节的安装平台。

背景技术

[0002] 层析粒子图像测速技术(简称TPIV)从21世纪初开始发展，并迅速成为流体测量技术的最新研究内容。TPIV系统的工作原理为，在三维立体测量空间内密布的示踪粒子由体形激光照亮，示踪粒子散射的光线被多台(一般为4台)相机从不同的视角曝光和记录；根据事先确定的相机标定关系以及层析重构算法，可以将平面灰度图像重构为立体灰度图像；基于三维互相关运算求出判读体对应的流体微团的三维位移，即可得到判读体中心点的三维速度矢量。

[0003] TPIV系统4台相机最合理的布置为立体交叉(Cross-like)模式，如图1所示，4台相机01布置在矩形的四个顶点，各相机镜头02的光轴线与TPIV系统中心线OP呈一定的夹角安装，4台相机镜头02的光轴线相交于被测量体03的中心点P。

[0004] 目前，TPIV系统4台相机的安装平台还没有定型的产品，世界上最著名的三家TPIV供应商(TSI、Dantec和Lavision)和国际上一些科研单位所采用的平台都以万向节固定单台相机为基本结构，每台相机单独调节，不能进行4台相机的协调同步调整，调整过程复杂，耗时耗力，大大降低了TPIV系统的测量效率。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了填补TPIV相机安装平台研发的空白，基于立体交叉(Cross-like)模式，研发一种用于TPIV测量的4台相机协同调节的安装平台，实现4台相机的协调同步调整，具有协同性强、操作方便、精确度高等优点，拥有较好的推广应用前景。

[0006] 本发明提出的一种用于TPIV测量的4台相机协同调节的安装平台，该安装平台包括框架结构、垂直张角调节部件、水平张角调节部件和相机安装调节部件，将上下各两台相机镜头光轴线组成的平面与水平面的夹角均定义为垂直张角，将左右各两台相机镜头光轴线所在平面与中垂面的夹角均定义为水平张角；其中，所述垂直张角调节部件安装在框架结构上，沿垂向移动实现垂直张角调节；所述水平张角调节部件安装在垂直张角调节部件上，跟随垂直张角调节部件同步运动，并沿水平方向运动实现水平张角调节；所述相机安装调节部件布置在水平张角调节部件和框架结构上，跟随垂直张角调节部件、水平张角调节部件运动实现4台相机的水平张角、垂直张角的调节，由相机安装调节部件自身运动对相机的物距进行调整；该平台在任意垂直张角、水平张角及相机物距可调的条件下，4台相机镜头的光轴始终汇聚于测量体中心点。

[0007] 所述框架结构的外轮廓为长方体，包括位于长方体各棱上的外框、位于长方体顶面和底面且相互平行的各2根横梁、位于长方体前面和后面且相互平行的各1根竖梁。

[0008] 所述垂直张角调节部件，包括4根升降螺杆、4组支撑件、2个前排升降驱动链轮、2个后排升降驱动链轮、升降驱动链条；所述升降螺杆分前后排平行设置、每排各2根，每根升降螺杆两端均由轴承安装在框架结构中对应的上、下横梁上，升降螺杆上半段与下半段的螺纹方向相反，每根升降螺杆的上部及下部镜像对称布置有2个配套螺母；所述每组支撑件均由左右对称布置的两个支撑腿构成，各支撑腿分别通过旋转轴与升降螺杆的1个配套螺母连接，相同升降螺杆上的上、下两个支撑腿镜像对称布置；2根前排升降螺杆的一端别设有1个前排升降驱动链轮，与前排升降螺杆位于同一水平面的后排升降螺杆一端分别设有1个后排升降驱动链轮，升降驱动链轮之间通过升降驱动链条同步驱动；所述前后排升降螺杆至测量体的中心点的距离之比、前后排升降螺杆上配套螺母的距离之比、后排与前排升降驱动链轮齿数之比均相等。

[0009] 所述水平张角调节部件，包括相互平行的水平驱动螺杆和水平滑轨各4根、2个前排水平驱动链轮、2个后排水平驱动链轮、水平驱动链条；所述各水平驱动螺杆两端分别由轴承安装在1组支撑件中左右对称设置的支撑腿上，水平驱动螺杆左半段与右半段的螺纹方向相反，每根水平驱动螺杆上镜像对称布置有2个水平驱动螺母；所述水平滑轨采用线性滑轨，每根水平滑轨两端分别焊接在1组支撑件中左右对称设置的支撑腿上，每根水平滑轨上还对称布置有水平驱动滑块，水平驱动滑块通过固定连接块与相应水平驱动螺母连接；所述前排水平驱动链轮、后排水平驱动链轮分别安装在前排、后排水平驱动螺杆的一端，各水平驱动链轮由水平驱动链条同步驱动；所述前排与后排水平驱动螺母间距之比、后排与前排水平驱动链轮的齿数之比、后排与前排升降驱动链轮的齿数之比相同。

[0010] 所述相机安装调节部件，包括4根相机滑轨、4个相机安装滑块、4根相机驱动杆、相机驱动螺杆、同轴设置的驱动盘和驱动手轮；其中，所述相机滑轨采用线性滑轨，该相机滑轨通过前排连接杆与前排的水平驱动滑块垂直连接，相机滑轨与前排水平滑轨之间具有相对转动，同时前排连接杆始终与支撑腿保持平行；相机滑轨依次通过相机滑轨安装滑块、后排连接杆与后排的水平驱动滑块连接，相机滑轨与后排水平滑轨之间具有相对转动和相对滑动；4台相机相对于4根相机滑轨的几何中心镜像对称布置，各台相机分别通过相机安装滑块布置在1根相机滑轨上，相机在相机安装滑块上的安装高度满足上方两台相机镜头的光轴线能通过上方4个支撑腿旋转轴所在平面、下方两台相机镜头的光轴线能通过下方4个支撑腿旋转轴所在平面；所述相机驱动杆两端采用万向节分别与相机安装滑块、驱动盘连接；相机驱动螺杆由轴承安装在框架结构的前、后竖梁上，相机驱动螺杆上设有与驱动盘固定连接的配套螺母，由驱动手轮转动相机驱动螺杆，驱动盘沿相机驱动螺杆前进或后退，通过相机驱动杆将驱动力传递给相机安装滑块，进而驱动相机沿相机滑轨滑动实现物距的调整。

[0011] 本发明的技术特点和有益效果在于：

[0012] 1、协同性强：可同时对TPIV系统4台相机的垂直张角、水平张角及相机物距进行独立协同调整，并始终保证4台相机的光轴线汇聚于空间内某一固定点(测量体中心)；

[0013] 2、精确度高：垂直张角和水平张角的定位精度误差小于0.5°，相机物距的定位精度误差小于0.1mm；

[0014] 3、本平台可有效提高TPIV系统相机安装及调整的工作效率，具有较好的推广应用前景。

附图说明

[0015] 图1为TPIV系统4台相机立体交叉布置模式示意图。

[0016] 图2为本发明安装平台的框架结构、升降螺杆及相机驱动螺杆示意图。

[0017] 图3为本发明安装平台的垂直张角及水平张角调节部件组装示意图。

[0018] 图4为本发明安装平台的相机滑轨安装示意图。

[0019] 图5为本发明安装平台的相机安装调节部件布置示意图。

具体实施方式

[0020] 以下结合附图2～附图5及实施例详细说明本发明平台所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

[0021] 本发明提出的一种用于TPIV测量的4台相机协同调节的安装平台，该平台用于实现TPIV系统4台相机的安装及同步调节，为便于表述，将上下各两台相机镜头光轴线组成的平面与水平面的夹角均称为垂直张角，左右各两台相机镜头光轴线所在平面与中垂面的夹角均称为水平张角。该安装平台由框架结构、垂直张角调节部件、水平张角调节部件和相机安装调节部件构成，其中垂直张角调节部件安装在框架结构上，可沿垂向移动实现垂直张角调节；水平张角调节部件安装在垂直张角调节部件上，跟随垂直张角调节部件同步运动，并可沿水平方向运动实现水平张角调节；相机安装调节部件布置在水平张角调节部件和框架结构上，跟随垂直张角调节部件、水平张角调节部件运动实现4台相机的水平张角、垂直张角的调节，由相机安装调节部件自身运动可对相机的物距进行调整；该平台的特征在于能够保证在任意垂直张角、水平张角及相机物距可调的条件下，4台相机镜头的光轴始终汇聚于空间内某一固定点(测量体中心)。

[0022] 上述各部分的具体实施方式及功能结合附图分别说明如下：

[0023] 所述框架结构为本发明安装平台的基础支撑结构，该框架结构的外轮廓为长方体，如图2所示，可由位于长方体各棱上的外框11、位于长方体顶面和底面且相互平行的各2根横梁12、位于长方体前面和后面且相互平行的各1根竖梁13构成；外框11采用矩形不锈钢管焊接而成；横梁12及竖梁13均由不锈钢板组成，各横梁及竖梁两端分别与对应外框11焊接。

[0024] 所述垂直张角调节部件如图3所示，可由4根升降螺杆21、4组支撑件、2个前排升降驱动链轮23、2个后排升降驱动链轮24、升降驱动链条25组成；所述升降螺杆21分前后排平行设置、每排各2根，每根升降螺杆两端均由轴承安装在框架结构中对应的上、下横梁12上，升降螺杆21上半段与下半段的螺纹方向相反，每根升降螺杆21的上部及下部镜像对称布置有2个配套螺母；所述每组支撑件均由左右对称布置的两个支撑腿22构成，各支撑腿22分别通过旋转轴与升降螺杆21的1个配套螺母连接，用于布置水平张角调节部件，相同升降螺杆21上的上、下两个支撑腿22镜像对称布置；2根前排升降螺杆21的底部分别设有1个前排升降驱动链轮23、后排升降螺杆21底部分别设有1个后排升降驱动链轮24，或者2根前排升降螺杆21的顶部分别设有1个前排升降驱动链轮23、后排升降螺杆21顶部分别设有1个后排升降驱动链轮24；升降驱动链轮之间通过升降驱动链条25同步驱动，由于升降螺杆21相对框架结构位置固定，所以驱动比较简单，用合适长度的链条即可同步驱动4根升降螺杆21，从而升降螺杆21上的上、下两个支撑腿22相向或相背移动，实现垂直张角的调整；所述前后排升降螺杆21至测量体的中心点P的距离之比、前后排升降螺杆21上配套螺母的距离之比、后排与前排升降驱动链轮齿数之比均相等，从而保证在任意垂直张角的工况下相机镜头02的光轴线均可延长汇聚于P点。

[0025] 所述水平张角调节部件如图3、局部放大如图4(图4为位于被测量体中心点P上方的水平张角调节部件局部放大图)所示，可由相互平行的水平驱动螺杆31和水平滑轨32各4根、2个前排水平驱动链轮33、2个后排水平驱动链轮34、水平驱动链条35组成；所述各水平驱动螺杆31两端分别由轴承安装在1组支撑件中左右对称设置的支撑腿22上，水平驱动螺杆31上左半段与右半段的螺纹方向相反，每根水平驱动螺杆上镜像对称布置有2个水平驱动螺母36；所述水平滑轨32采用线性滑轨，每根水平滑轨两端分别焊接在1组支撑件中左右对称设置的支撑腿22上，每根水平滑轨32上还对称布置有水平驱动滑块37，水平驱动滑块37通过固定连接块38与相应水平驱动螺母36连接；所述前排水平驱动链轮33、后排水平驱动链轮34分别安装在前排、后排水平驱动螺杆31的一端(同时左端或同时右端)，各水平驱动链轮由水平驱动链条35同步驱动；由于在调节垂直张角时会改变前排水平驱动链轮33、后排水平驱动链轮34之间的距离，所以应根据设定的具体测量工况，调节水平驱动链条35的长度，一种可行的方案是在外框架11上增设横梁或竖梁，横梁或竖梁上布置可移动的链轮与水平驱动链条35上啮合，通过可移动的链轮的移动实现水平链条35的松弛和张紧，从而完成对水平链条35的调整；在水平驱动链条35的驱动下，水平驱动螺母36通过固定连接块38将驱动力传至水平驱动滑块37上，使同一水平滑轨上的两个水平驱动滑块沿各自水平滑轨32相向或相背滑动，实现水平张角的调整；所述前后排水平驱动螺母间距之比、后排与前排水平驱动链轮的齿数之比、后排与前排升降驱动链轮的齿数之比相同，以保证在任何水平张角的工况下4台相机镜头02的光轴延长线都能汇聚于测量体的中心点P。

[0026] 所述相机安装调节部件如图3-图5所示，可由4根相机滑轨41、4个相机安装滑块42、4根相机驱动杆43、驱动盘44、相机驱动螺杆45、驱动手轮46组成，由于系统具有上下左右镜面对称性，为清晰起见，以上部件未在图中全部列出；所述相机滑轨41采用线性滑轨，其具体安装方式如图4所示，在前排用连接杆47与水平驱动滑块37垂直连接，使两者之间可以转动而不能移动，同时在水平驱动螺杆31和水平滑轨32的约束下，连接杆47始终与支撑腿22保持平行，而不能绕水平驱动螺杆31随意转动；相机滑轨41在后排依次通过相机滑轨安装滑块48、连接杆47与水平驱动滑块37连接，相机滑轨安装滑块48可以沿相机滑轨41滑动，则相机滑轨41与水平滑轨32之间即能相对转动、亦可相对滑动，相机滑轨41在水平滑轨
32上滑动实现水平张角调节，升降螺杆21调节水平滑轨32升降实现垂直张角调节；所述相机安装滑块42布置在相机滑轨41上用以安装相机01，相机01的布置模式为上下、左右镜像对称安装(图3中仅示意了其中的2台相机)；所述相机驱动杆43两端采用万向节分别与相机安装滑块42、驱动盘44连接，如图5所示，图中只画出了左侧上部一台相机01的左视结构，另外3台相机的安装方法相同，相对于4根相机滑轨41的几何中心镜像对称安装；相机驱动螺杆45由轴承安装在框架结构的前、后竖梁13上，相机驱动螺杆45上设有配套螺母，驱动盘44与该配套螺母固定连接，驱动手轮46与驱动盘44同轴设置，由驱动手轮46转动相机驱动螺杆45，驱动盘44沿相机驱动螺杆45前进或后退，通过相机驱动杆43将驱动力传递给相机安装滑块42，进而驱动相机01沿相机滑轨41滑动实现物距的调整；所述相机01在相机安装滑块42上的安装高度应满足上方两台相机镜头02的光轴线通过上方4个支撑腿22旋转轴所在平面，下方两台相机镜头02的光轴线通过下方4个支撑腿22旋转轴所在平面，从而保证四台相机镜头02的光轴线的延长线汇聚于测量体的中心点P。

[0027] 在本发明的实施例中，框架结构的外形尺寸为长1460mm、宽840mm、高960mm，其中，外框11采用40mm×20mm的矩形不锈钢管，横梁12及竖梁13分别采用1420mm×60mm×16mm(长×宽×厚)、880mm×60mm×16mm(长×宽×厚)的不锈钢板；升降螺杆21、水平驱动螺杆31、相机驱动螺杆45均采用M16滚珠丝杆螺杆，取升降螺杆上半段为右旋螺纹、下半段为左旋螺纹，取水平驱动螺杆左半段为上旋螺纹、右半段为下旋螺纹；升降驱动链轮23和24、水平驱动链轮33和34均采用04C-1型链轮，升降驱动链条25、水平驱动链条35均采用04C-1型链条，水平滑轨32、相机滑轨41均采用宽23mm、高20mm的线性滑轨；令前后排升降螺杆的距离及P点至前排升降螺杆的距离均为500mm，则后排升降螺杆21上的配套螺母间距为前排的
2倍，后排水平驱动螺母36的间距为前排的2倍，前排升降驱动链轮23的齿数是后排升降驱动链轮24的2倍，前排水平驱动链轮33的齿数是后排水平驱动链轮34的2倍。

[0028] 根据本实施例平台的布置，平台的水平张角调整范围15°～60°、垂直张角调整范围15°～30°，物距(300～700mm)可调，垂直张角和水平张角的定位精度误差小于0.5°，相机物距的定位精度误差小于0.1mm。其协同调节的操作流程为：通过升降驱动链条25同步驱动4根升降螺杆21同向转动，相机滑轨41沿垂向相向或相背运动至垂直张角达到预设值，调整水平驱动链条35的长度，进而通过水平驱动链条35同步驱动4根水平驱动螺杆31同向转动，相机滑轨41沿水平方向相向或相背运动至水平张角达到预设值，在垂直张角和水平张角的调节过程中，四台相机01始终可保持上下左右镜像对称，相机镜头02的光轴线始终汇聚于P点；通过转动驱动手轮46，同步驱动四台相机01沿相机滑轨41滑动，对物距进行调节，至此四台相机01的垂直张角、水平张角、物距的同步协调调整全部完成。