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技術(shù)文章
導(dǎo)讀
如今，現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)能夠?qū)σ后w和氣體的流動(dòng)進(jìn)行高精度檢測(cè)，從而為眾多應(yīng)用提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。為此，對(duì)流體的速度、方向、壓力和湍流進(jìn)行分析，以提高生產(chǎn)效率、確保做工安全并推動(dòng)各領(lǐng)域的創(chuàng)新。
有許多方法可以測(cè)量這些動(dòng)態(tài)，其中粒子圖像測(cè)速儀（PIV）等可視化方法受到推崇。德國(guó)亞琛的 iLA_5150 GmbH 公司現(xiàn)在使用的 EBIV是一種新的光學(xué)方法，用于定性和定量地觀察被觀測(cè)體的流動(dòng)和流速。友思特合作伙伴IDS研發(fā)的 uEye EVS事件相機(jī)創(chuàng)造了工業(yè)相機(jī)的創(chuàng)新傳感器技術(shù)。此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)、高能效的檢測(cè)，尤其是對(duì)快速和湍流運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。
一、應(yīng)用：幀頻高達(dá)每秒 10,000 幀
在 EBIV 方法中，微小顆粒被添加到流動(dòng)的流體中，并在一個(gè)平面（即所謂的光截面平面）上發(fā)光。它們?cè)谶M(jìn)入和離開 LED 燈部分時(shí)產(chǎn)生單獨(dú)的光脈沖。局部亮度的這種變化由像機(jī)像素獨(dú)立記錄，并作為 "變化事件 "數(shù)據(jù)流傳輸?shù)絺€(gè)人電腦。因此，與傳統(tǒng)相機(jī)相比，基于事件的模型只對(duì)圖像區(qū)域中記錄的亮度變化做出反應(yīng)。靜止的散射光，如背景或不變的照明表面，不會(huì)產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)。這大大減少了數(shù)據(jù)量。
數(shù)據(jù)流實(shí)質(zhì)上包含了關(guān)于何時(shí)何地發(fā)生了什么的信息。具體來說，這些信息包括傳感器上的像素坐標(biāo)、像素事件的微秒時(shí)間戳以及事件的相關(guān)信息：打開或關(guān)閉。這樣就可以區(qū)分強(qiáng)度增加（ON 事件）和強(qiáng)度減少（OFF 事件）。使用合適的軟件，可以將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成圖像矩陣，其中既有數(shù)據(jù)流的空間信息，也有線性時(shí)基。其效果堪比高速攝像機(jī)的超高幀頻。
"EBIV測(cè)量方法與傳統(tǒng)成像方法有著本質(zhì)區(qū)別。它們通常會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要外設(shè)來處理這些數(shù)據(jù)。對(duì)于 1000 赫茲及以上的特殊幀頻，所需的基于圖像的攝像機(jī)本身就非常復(fù)雜和昂貴。在基于事件的攝像技術(shù)的幫助下，幀頻可達(dá)到每秒 10,000 幀，而這只需要標(biāo)準(zhǔn)的 PC 接口，如每秒幾千兆位的 USB 接口。
iLA_5150 GmbH 的開發(fā)主管 André Brunn 博士解釋說："基于事件的模型本身的價(jià)格大大低于相應(yīng)的高速攝像機(jī)，因此對(duì)小型教學(xué)和研究機(jī)構(gòu)來說也非常有吸引力。
二、深度處理
數(shù)據(jù)流被轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)，并在前端（即所謂的 EBIV 查看器）中顯示，以便直接進(jìn)行在線流量可視化。用戶還可以選擇積分時(shí)間（相當(dāng)于圖像攝像機(jī)的曝光時(shí)間）以及序列的時(shí)間增量，即兩個(gè)連續(xù)鏡頭之間的間隔時(shí)間。還可以使用經(jīng)典圖像濾鏡。借助這些設(shè)置，用戶可以優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示，并使其適應(yīng)個(gè)人的考試目標(biāo)。無論是細(xì)微的流動(dòng)細(xì)節(jié)還是大尺度的圖案，都能更清晰地辨認(rèn)出來。這種重新調(diào)整測(cè)量結(jié)果的能力是基于事件的方法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
在 EBIV-View 的定性可視化流程中，顆粒會(huì)被持續(xù)照亮，從而以發(fā)光的形式顯示出來。因此，這種方法非常適合于可視化流動(dòng)。不過，它并不能提供精確的速度或方向測(cè)量值。
為了對(duì)流動(dòng)特性進(jìn)行精確的數(shù)值分析，單個(gè)顆粒會(huì)在短時(shí)間內(nèi)受到光脈沖的照射。這樣就可以記錄它們的確切位置，并對(duì)其移動(dòng)進(jìn)行量化。例如，通過比較連續(xù)圖像中的顆粒位置，可以使用 PIV 精確計(jì)算出流動(dòng)的速度和方向。其結(jié)果是一個(gè)隨時(shí)間變化的瞬態(tài)二維矢量場(chǎng)，換句話說，矢量并不是一成不變的。與傳統(tǒng)的 PIV 一樣，基于事件的相機(jī)的圖像序列也可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，例如確定流速的平均值和波動(dòng)。
三、相機(jī)和軟件
在相機(jī)方面，iLA 依靠的是 IDS 的 uEye XCP-E。這款小巧輕便的工業(yè)相機(jī)采用基于事件的傳感器技術(shù)，采用堅(jiān)固耐用的壓鑄鋅外殼（29 × 29 × 17 毫米），帶有螺釘固定的 USB Micro-B 接口。它兼容所有標(biāo)準(zhǔn) C 卡口鏡頭尺寸。因此，它既適用于工業(yè)應(yīng)用，也適用于非工業(yè)應(yīng)用。
基于事件的視覺傳感器（EVS）由IDS和索尼公司和 Prophesee 公司共同開發(fā)。它由 Metavision SDK 提供支持，Metavision SDK 是一套無縫集成的軟件工具和模型、應(yīng)用程序接口以及 Prophesee 提供的其他培訓(xùn)和開發(fā)資源，可用于高效分析、可視化和定制。
在此基礎(chǔ)上，iLA_5150/PIVTec 的 EBIV 查看器專門針對(duì)流量可視化應(yīng)用而定制。
四、應(yīng)用前景
流體系統(tǒng)和工藝的優(yōu)化需要詳細(xì)了解流動(dòng)條件。定性的流量可視化通常足以了解效果并制定合適的控制機(jī)制。
然而，在此之前，通常只有昂貴的高速相機(jī)才能對(duì)快速流動(dòng)進(jìn)行高時(shí)間分辨率成像。基于事件的攝像技術(shù)提供了一種具有成本效益的替代方案，所需的技術(shù)工作大大減少。這些 "簡(jiǎn)單 "的方法在教學(xué)和研究中尤其缺乏。由于數(shù)據(jù)量極度減少，這項(xiàng)技術(shù)還允許使用多臺(tái)攝像機(jī)或大型攝像機(jī)陣列，而不會(huì)使外圍設(shè)備成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗啤Eye EVS 型號(hào)的緊湊設(shè)計(jì)也使其成為移動(dòng)應(yīng)用的理想選擇。這意味著可以直接分析真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境，而無需依賴人工流量模型或通道。
簡(jiǎn)而言之，事件相機(jī)可對(duì)流量進(jìn)行高效、經(jīng)濟(jì)、高分辨率的可視化和量化。由于產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較小，許多過程甚至可以做到實(shí)時(shí)分析，這也使該技術(shù)可以在全自動(dòng)系統(tǒng)適配。粒子圖像測(cè)速儀（PIV）等成熟的流量測(cè)量方法可以無縫集成和擴(kuò)展。該技術(shù)可用于通過散射光強(qiáng)度變化捕捉流動(dòng)信息的領(lǐng)域，無論是移動(dòng)的顆粒還是振動(dòng)的表面都可精準(zhǔn)捕捉。
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