本發(fā)明屬于流體運動精細測量的技術領域，特別涉及一種用于TPIV測量的4臺相機協(xié)同調(diào)節(jié)的安裝平臺。

背景技術：

層析粒子圖像測速技術(簡稱TPIV)從21世紀初開始發(fā)展，并迅速成為流體測量技術的最新研究內(nèi)容。TPIV系統(tǒng)的工作原理為，在三維立體測量空間內(nèi)密布的示蹤粒子由體形激光照亮，示蹤粒子散射的光線被多臺(一般為4臺)相機從不同的視角曝光和記錄；根據(jù)事先確定的相機標定關系以及層析重構算法，可以將平面灰度圖像重構為立體灰度圖像；基于三維互相關運算求出判讀體對應的流體微團的三維位移，即可得到判讀體中心點的三維速度矢量。

TPIV系統(tǒng)4臺相機最合理的布置為立體交叉(Cross-like)模式，如圖1所示，4臺相機01布置在矩形的四個頂點，各相機鏡頭02的光軸線與TPIV系統(tǒng)中心線OP呈一定的夾角安裝，4臺相機鏡頭02的光軸線相交于被測量體03的中心點P。

目前，TPIV系統(tǒng)4臺相機的安裝平臺還沒有定型的產(chǎn)品，世界上最著名的三家TPIV供應商(TSI、Dantec和Lavision)和國際上一些科研單位所采用的平臺都以萬向節(jié)固定單臺相機為基本結構，每臺相機單獨調(diào)節(jié)，不能進行4臺相機的協(xié)調(diào)同步調(diào)整，調(diào)整過程復雜，耗時耗力，大大降低了TPIV系統(tǒng)的測量效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了填補TPIV相機安裝平臺研發(fā)的空白，基于立體交叉(Cross-like)模式，研發(fā)一種用于TPIV測量的4臺相機協(xié)同調(diào)節(jié)的安裝平臺，實現(xiàn)4臺相機的協(xié)調(diào)同步調(diào)整，具有協(xié)同性強、操作方便、精確度高等優(yōu)點，擁有較好的推廣應用前景。

本發(fā)明提出的一種用于TPIV測量的4臺相機協(xié)同調(diào)節(jié)的安裝平臺，該安裝平臺包括框架結構、垂直張角調(diào)節(jié)部件、水平張角調(diào)節(jié)部件和相機安裝調(diào)節(jié)部件，將上下各兩臺相機鏡頭光軸線組成的平面與水平面的夾角均定義為垂直張角，將左右各兩臺相機鏡頭光軸線所在平面與中垂面的夾角均定義為水平張角；其中，所述垂直張角調(diào)節(jié)部件安裝在框架結構上，沿垂向移動實現(xiàn)垂直張角調(diào)節(jié)；所述水平張角調(diào)節(jié)部件安裝在垂直張角調(diào)節(jié)部件上，跟隨垂直張角調(diào)節(jié)部件同步運動，并沿水平方向運動實現(xiàn)水平張角調(diào)節(jié)；所述相機安裝調(diào)節(jié)部件布置在水平張角調(diào)節(jié)部件和框架結構上，跟隨垂直張角調(diào)節(jié)部件、水平張角調(diào)節(jié)部件運動實現(xiàn)4臺相機的水平張角、垂直張角的調(diào)節(jié)，由相機安裝調(diào)節(jié)部件自身運動對相機的物距進行調(diào)整；該平臺在任意垂直張角、水平張角及相機物距可調(diào)的條件下，4臺相機鏡頭的光軸始終匯聚于測量體中心點。

所述框架結構的外輪廓為長方體，包括位于長方體各棱上的外框、位于長方體頂面和底面且相互平行的各2根橫梁、位于長方體前面和后面且相互平行的各1根豎梁。

所述垂直張角調(diào)節(jié)部件，包括4根升降螺桿、4組支撐件、2個前排升降驅動鏈輪、2個后排升降驅動鏈輪、升降驅動鏈條；所述升降螺桿分前后排平行設置、每排各2根，每根升降螺桿兩端均由軸承安裝在框架結構中對應的上、下橫梁上，升降螺桿上半段與下半段的螺紋方向相反，每根升降螺桿的上部及下部鏡像對稱布置有2個配套螺母；所述每組支撐件均由左右對稱布置的兩個支撐腿構成，各支撐腿分別通過旋轉軸與升降螺桿的1個配套螺母連接，相同升降螺桿上的上、下兩個支撐腿鏡像對稱布置；2根前排升降螺桿的一端別設有1個前排升降驅動鏈輪，與前排升降螺桿位于同一水平面的后排升降螺桿一端分別設有1個后排升降驅動鏈輪，升降驅動鏈輪之間通過升降驅動鏈條同步驅動；所述前后排升降螺桿至測量體的中心點的距離之比、前后排升降螺桿上配套螺母的距離之比、后排與前排升降驅動鏈輪齒數(shù)之比均相等。

所述水平張角調(diào)節(jié)部件，包括相互平行的水平驅動螺桿和水平滑軌各4根、2個前排水平驅動鏈輪、2個后排水平驅動鏈輪、水平驅動鏈條；所述各水平驅動螺桿兩端分別由軸承安裝在1組支撐件中左右對稱設置的支撐腿上，水平驅動螺桿左半段與右半段的螺紋方向相反，每根水平驅動螺桿上鏡像對稱布置有2個水平驅動螺母；所述水平滑軌采用線性滑軌，每根水平滑軌兩端分別焊接在1組支撐件中左右對稱設置的支撐腿上，每根水平滑軌上還對稱布置有水平驅動滑塊，水平驅動滑塊通過固定連接塊與相應水平驅動螺母連接；所述前排水平驅動鏈輪、后排水平驅動鏈輪分別安裝在前排、后排水平驅動螺桿的一端，各水平驅動鏈輪由水平驅動鏈條同步驅動；所述前排與后排水平驅動螺母間距之比、后排與前排水平驅動鏈輪的齒數(shù)之比、后排與前排升降驅動鏈輪的齒數(shù)之比相同。

所述相機安裝調(diào)節(jié)部件，包括4根相機滑軌、4個相機安裝滑塊、4根相機驅動桿、相機驅動螺桿、同軸設置的驅動盤和驅動手輪；其中，所述相機滑軌采用線性滑軌，該相機滑軌通過前排連接桿與前排的水平驅動滑塊垂直連接，相機滑軌與前排水平滑軌之間具有相對轉動，同時前排連接桿始終與支撐腿保持平行；相機滑軌依次通過相機滑軌安裝滑塊、后排連接桿與后排的水平驅動滑塊連接，相機滑軌與后排水平滑軌之間具有相對轉動和相對滑動；4臺相機相對于4根相機滑軌的幾何中心鏡像對稱布置，各臺相機分別通過相機安裝滑塊布置在1根相機滑軌上，相機在相機安裝滑塊上的安裝高度滿足上方兩臺相機鏡頭的光軸線能通過上方4個支撐腿旋轉軸所在平面、下方兩臺相機鏡頭的光軸線能通過下方4個支撐腿旋轉軸所在平面；所述相機驅動桿兩端采用萬向節(jié)分別與相機安裝滑塊、驅動盤連接；相機驅動螺桿由軸承安裝在框架結構的前、后豎梁上，相機驅動螺桿上設有與驅動盤固定連接的配套螺母，由驅動手輪轉動相機驅動螺桿，驅動盤沿相機驅動螺桿前進或后退，通過相機驅動桿將驅動力傳遞給相機安裝滑塊，進而驅動相機沿相機滑軌滑動實現(xiàn)物距的調(diào)整。

本發(fā)明的技術特點和有益效果在于：

1、協(xié)同性強：可同時對TPIV系統(tǒng)4臺相機的垂直張角、水平張角及相機物距進行獨立協(xié)同調(diào)整，并始終保證4臺相機的光軸線匯聚于空間內(nèi)某一固定點(測量體中心)；

2、精確度高：垂直張角和水平張角的定位精度誤差小于0.5°，相機物距的定位精度誤差小于0.1mm；

3、本平臺可有效提高TPIV系統(tǒng)相機安裝及調(diào)整的工作效率，具有較好的推廣應用前景。

附圖說明

圖1為TPIV系統(tǒng)4臺相機立體交叉布置模式示意圖。

圖2為本發(fā)明安裝平臺的框架結構、升降螺桿及相機驅動螺桿示意圖。

圖3為本發(fā)明安裝平臺的垂直張角及水平張角調(diào)節(jié)部件組裝示意圖。

圖4為本發(fā)明安裝平臺的相機滑軌安裝示意圖。

圖5為本發(fā)明安裝平臺的相機安裝調(diào)節(jié)部件布置示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖2～附圖5及實施例詳細說明本發(fā)明平臺所涉及的各個細節(jié)問題。應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。

本發(fā)明提出的一種用于TPIV測量的4臺相機協(xié)同調(diào)節(jié)的安裝平臺，該平臺用于實現(xiàn)TPIV系統(tǒng)4臺相機的安裝及同步調(diào)節(jié)，為便于表述，將上下各兩臺相機鏡頭光軸線組成的平面與水平面的夾角均稱為垂直張角，左右各兩臺相機鏡頭光軸線所在平面與中垂面的夾角均稱為水平張角。該安裝平臺由框架結構、垂直張角調(diào)節(jié)部件、水平張角調(diào)節(jié)部件和相機安裝調(diào)節(jié)部件構成，其中垂直張角調(diào)節(jié)部件安裝在框架結構上，可沿垂向移動實現(xiàn)垂直張角調(diào)節(jié)；水平張角調(diào)節(jié)部件安裝在垂直張角調(diào)節(jié)部件上，跟隨垂直張角調(diào)節(jié)部件同步運動，并可沿水平方向運動實現(xiàn)水平張角調(diào)節(jié)；相機安裝調(diào)節(jié)部件布置在水平張角調(diào)節(jié)部件和框架結構上，跟隨垂直張角調(diào)節(jié)部件、水平張角調(diào)節(jié)部件運動實現(xiàn)4臺相機的水平張角、垂直張角的調(diào)節(jié)，由相機安裝調(diào)節(jié)部件自身運動可對相機的物距進行調(diào)整；該平臺的特征在于能夠保證在任意垂直張角、水平張角及相機物距可調(diào)的條件下，4臺相機鏡頭的光軸始終匯聚于空間內(nèi)某一固定點(測量體中心)。

上述各部分的具體實施方式及功能結合附圖分別說明如下：

所述框架結構為本發(fā)明安裝平臺的基礎支撐結構，該框架結構的外輪廓為長方體，如圖2所示，可由位于長方體各棱上的外框11、位于長方體頂面和底面且相互平行的各2根橫梁12、位于長方體前面和后面且相互平行的各1根豎梁13構成；外框11采用矩形不銹鋼管焊接而成；橫梁12及豎梁13均由不銹鋼板組成，各橫梁及豎梁兩端分別與對應外框11焊接。

所述垂直張角調(diào)節(jié)部件如圖3所示，可由4根升降螺桿21、4組支撐件、2個前排升降驅動鏈輪23、2個后排升降驅動鏈輪24、升降驅動鏈條25組成；所述升降螺桿21分前后排平行設置、每排各2根，每根升降螺桿兩端均由軸承安裝在框架結構中對應的上、下橫梁12上，升降螺桿21上半段與下半段的螺紋方向相反，每根升降螺桿21的上部及下部鏡像對稱布置有2個配套螺母；所述每組支撐件均由左右對稱布置的兩個支撐腿22構成，各支撐腿22分別通過旋轉軸與升降螺桿21的1個配套螺母連接，用于布置水平張角調(diào)節(jié)部件，相同升降螺桿21上的上、下兩個支撐腿22鏡像對稱布置；2根前排升降螺桿21的底部分別設有1個前排升降驅動鏈輪23、后排升降螺桿21底部分別設有1個后排升降驅動鏈輪24，或者2根前排升降螺桿21的頂部分別設有1個前排升降驅動鏈輪23、后排升降螺桿21頂部分別設有1個后排升降驅動鏈輪24；升降驅動鏈輪之間通過升降驅動鏈條25同步驅動，由于升降螺桿21相對框架結構位置固定，所以驅動比較簡單，用合適長度的鏈條即可同步驅動4根升降螺桿21，從而升降螺桿21上的上、下兩個支撐腿22相向或相背移動，實現(xiàn)垂直張角的調(diào)整；所述前后排升降螺桿21至測量體的中心點P的距離之比、前后排升降螺桿21上配套螺母的距離之比、后排與前排升降驅動鏈輪齒數(shù)之比均相等，從而保證在任意垂直張角的工況下相機鏡頭02的光軸線均可延長匯聚于P點。

所述水平張角調(diào)節(jié)部件如圖3、局部放大如圖4(圖4為位于被測量體中心點P上方的水平張角調(diào)節(jié)部件局部放大圖)所示，可由相互平行的水平驅動螺桿31和水平滑軌32各4根、2個前排水平驅動鏈輪33、2個后排水平驅動鏈輪34、水平驅動鏈條35組成；所述各水平驅動螺桿31兩端分別由軸承安裝在1組支撐件中左右對稱設置的支撐腿22上，水平驅動螺桿31上左半段與右半段的螺紋方向相反，每根水平驅動螺桿上鏡像對稱布置有2個水平驅動螺母36；所述水平滑軌32采用線性滑軌，每根水平滑軌兩端分別焊接在1組支撐件中左右對稱設置的支撐腿22上，每根水平滑軌32上還對稱布置有水平驅動滑塊37，水平驅動滑塊37通過固定連接塊38與相應水平驅動螺母36連接；所述前排水平驅動鏈輪33、后排水平驅動鏈輪34分別安裝在前排、后排水平驅動螺桿31的一端(同時左端或同時右端)，各水平驅動鏈輪由水平驅動鏈條35同步驅動；由于在調(diào)節(jié)垂直張角時會改變前排水平驅動鏈輪33、后排水平驅動鏈輪34之間的距離，所以應根據(jù)設定的具體測量工況，調(diào)節(jié)水平驅動鏈條35的長度，一種可行的方案是在外框架11上增設橫梁或豎梁，橫梁或豎梁上布置可移動的鏈輪與水平驅動鏈條35上嚙合，通過可移動的鏈輪的移動實現(xiàn)水平鏈條35的松弛和張緊，從而完成對水平鏈條35的調(diào)整；在水平驅動鏈條35的驅動下，水平驅動螺母36通過固定連接塊38將驅動力傳至水平驅動滑塊37上，使同一水平滑軌上的兩個水平驅動滑塊沿各自水平滑軌32相向或相背滑動，實現(xiàn)水平張角的調(diào)整；所述前后排水平驅動螺母間距之比、后排與前排水平驅動鏈輪的齒數(shù)之比、后排與前排升降驅動鏈輪的齒數(shù)之比相同，以保證在任何水平張角的工況下4臺相機鏡頭02的光軸延長線都能匯聚于測量體的中心點P。

所述相機安裝調(diào)節(jié)部件如圖3-圖5所示，可由4根相機滑軌41、4個相機安裝滑塊42、4根相機驅動桿43、驅動盤44、相機驅動螺桿45、驅動手輪46組成，由于系統(tǒng)具有上下左右鏡面對稱性，為清晰起見，以上部件未在圖中全部列出；所述相機滑軌41采用線性滑軌，其具體安裝方式如圖4所示，在前排用連接桿47與水平驅動滑塊37垂直連接，使兩者之間可以轉動而不能移動，同時在水平驅動螺桿31和水平滑軌32的約束下，連接桿47始終與支撐腿22保持平行，而不能繞水平驅動螺桿31隨意轉動；相機滑軌41在后排依次通過相機滑軌安裝滑塊48、連接桿47與水平驅動滑塊37連接，相機滑軌安裝滑塊48可以沿相機滑軌41滑動，則相機滑軌41與水平滑軌32之間即能相對轉動、亦可相對滑動，相機滑軌41在水平滑軌32上滑動實現(xiàn)水平張角調(diào)節(jié)，升降螺桿21調(diào)節(jié)水平滑軌32升降實現(xiàn)垂直張角調(diào)節(jié)；所述相機安裝滑塊42布置在相機滑軌41上用以安裝相機01，相機01的布置模式為上下、左右鏡像對稱安裝(圖3中僅示意了其中的2臺相機)；所述相機驅動桿43兩端采用萬向節(jié)分別與相機安裝滑塊42、驅動盤44連接，如圖5所示，圖中只畫出了左側上部一臺相機01的左視結構，另外3臺相機的安裝方法相同，相對于4根相機滑軌41的幾何中心鏡像對稱安裝；相機驅動螺桿45由軸承安裝在框架結構的前、后豎梁13上，相機驅動螺桿45上設有配套螺母，驅動盤44與該配套螺母固定連接，驅動手輪46與驅動盤44同軸設置，由驅動手輪46轉動相機驅動螺桿45，驅動盤44沿相機驅動螺桿45前進或后退，通過相機驅動桿43將驅動力傳遞給相機安裝滑塊42，進而驅動相機01沿相機滑軌41滑動實現(xiàn)物距的調(diào)整；所述相機01在相機安裝滑塊42上的安裝高度應滿足上方兩臺相機鏡頭02的光軸線通過上方4個支撐腿22旋轉軸所在平面，下方兩臺相機鏡頭02的光軸線通過下方4個支撐腿22旋轉軸所在平面，從而保證四臺相機鏡頭02的光軸線的延長線匯聚于測量體的中心點P。

在本發(fā)明的實施例中，框架結構的外形尺寸為長1460mm、寬840mm、高960mm，其中，外框11采用40mm×20mm的矩形不銹鋼管，橫梁12及豎梁13分別采用1420mm×60mm×16mm(長×寬×厚)、880mm×60mm×16mm(長×寬×厚)的不銹鋼板；升降螺桿21、水平驅動螺桿31、相機驅動螺桿45均采用M16滾珠絲桿螺桿，取升降螺桿上半段為右旋螺紋、下半段為左旋螺紋，取水平驅動螺桿左半段為上旋螺紋、右半段為下旋螺紋；升降驅動鏈輪23和24、水平驅動鏈輪33和34均采用04C-1型鏈輪，升降驅動鏈條25、水平驅動鏈條35均采用04C-1型鏈條，水平滑軌32、相機滑軌41均采用寬23mm、高20mm的線性滑軌；令前后排升降螺桿的距離及P點至前排升降螺桿的距離均為500mm，則后排升降螺桿21上的配套螺母間距為前排的2倍，后排水平驅動螺母36的間距為前排的2倍，前排升降驅動鏈輪23的齒數(shù)是后排升降驅動鏈輪24的2倍，前排水平驅動鏈輪33的齒數(shù)是后排水平驅動鏈輪34的2倍。

根據(jù)本實施例平臺的布置，平臺的水平張角調(diào)整范圍15°～60°、垂直張角調(diào)整范圍15°～30°，物距(300～700mm)可調(diào)，垂直張角和水平張角的定位精度誤差小于0.5°，相機物距的定位精度誤差小于0.1mm。其協(xié)同調(diào)節(jié)的操作流程為：通過升降驅動鏈條25同步驅動4根升降螺桿21同向轉動，相機滑軌41沿垂向相向或相背運動至垂直張角達到預設值，調(diào)整水平驅動鏈條35的長度，進而通過水平驅動鏈條35同步驅動4根水平驅動螺桿31同向轉動，相機滑軌41沿水平方向相向或相背運動至水平張角達到預設值，在垂直張角和水平張角的調(diào)節(jié)過程中，四臺相機01始終可保持上下左右鏡像對稱，相機鏡頭02的光軸線始終匯聚于P點；通過轉動驅動手輪46，同步驅動四臺相機01沿相機滑軌41滑動，對物距進行調(diào)節(jié)，至此四臺相機01的垂直張角、水平張角、物距的同步協(xié)調(diào)調(diào)整全部完成。