技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種用于混流式模型水輪機、混流式模型水泵水輪機等水力機械的流場流態(tài)觀測的同步成像方法。

背景技術(shù)：
：

目前，模型水輪機同步流態(tài)觀測大多采用的是單機位觀測，觀測區(qū)域或選擇在模型轉(zhuǎn)輪出口處，對模型轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的背面空化或尾水管渦帶現(xiàn)象進(jìn)行觀測；或選擇在模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處，對模型轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊的正、背面脫流或葉道渦現(xiàn)象進(jìn)行觀測，極少對模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口進(jìn)行多機位同時觀測，即使有時采用多機位觀測，由于不同機位的成像設(shè)備均以各自觸發(fā)信號觸發(fā)頻閃光源曝光成像，觸發(fā)信號的觸發(fā)沿沒有統(tǒng)一的時鐘，即便頻率相同，但由于相位的差異導(dǎo)致在同一個觸發(fā)周期內(nèi)不同的頻閃光源并非同時閃光，加之頻閃光源為面光源，不同機位的頻閃光源照射范圍存在重疊區(qū)域，在重疊區(qū)域的光波相互干涉形成相干光，最終導(dǎo)致某些機位的成像在一個觸發(fā)周期內(nèi)二次曝光，采集到的圖像重疊模糊，無法實現(xiàn)多機位同步成像的目的。

隨著人們在水力機械設(shè)計能力以及認(rèn)知水平方面的提高，以往對于影響水輪機運行穩(wěn)定性的空化現(xiàn)象從前僅能通過測量效率的下降及壓力脈動等參數(shù)進(jìn)行間接分析其誘因及產(chǎn)生位置，在計算機技術(shù)飛速發(fā)展、自動化測試技術(shù)不斷進(jìn)步的今天，業(yè)內(nèi)學(xué)者開始尋求對其中的某些空化現(xiàn)象進(jìn)行直接觀測、定性分析的方法，如在轉(zhuǎn)輪葉片出口的觀測到的某些空化現(xiàn)象由于空化源頭直接延伸至葉道中部，無法從出口獲取圖像，因此無法準(zhǔn)確判斷空化現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于翼型設(shè)計不合理還是葉片加工缺陷或是其他原因?qū)е?；低照度?shù)字同步成像技術(shù)的成熟，使得對模型水輪機轉(zhuǎn)輪相鄰量葉片間的葉道內(nèi)部流道的水力現(xiàn)象的觀測成為可能，尤其是對于中高比轉(zhuǎn)速的混流式模型水輪機，由于葉片曲率相對較小，采用多機位圖像拼接式的成像觀測，如機位選擇得當(dāng)，成像角度設(shè)置得當(dāng)，甚至可以獲得模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉道進(jìn)口至出口的全流道流態(tài)圖像，但是，各機位之間的頻閃光源及成像設(shè)備缺乏統(tǒng)一的時序控制導(dǎo)致光線相互干涉、成像設(shè)備二次曝光而無法獲取清晰有效的圖像信息，因此，迫切需要一種由統(tǒng)一時序的控制方法來解決上述問題，從而為模型水輪機全流道流態(tài)觀測及空化水力現(xiàn)象的定性分析，乃至由于空化引起的水輪機故障診斷分析提供有效的技術(shù)支持。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在進(jìn)行模型水輪機空化等試驗過程中，提供一種由計算機程序控制的、高清晰度的、成像頻率與模型水輪機轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)頻同步、多機位同步觸發(fā)的數(shù)字式流態(tài)觀測方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種模型水輪機流態(tài)觀測的多機位主從觸發(fā)式同步成像方法，其特征是：

1)啟動計算機系統(tǒng)；

2)調(diào)節(jié)模型水輪機使其達(dá)到欲觀測的固定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定工作狀態(tài)；

3)利用計算機數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集模型水輪機的轉(zhuǎn)速信號，并計算當(dāng)前模型水輪機的轉(zhuǎn)頻，具體方法如下：

假設(shè)當(dāng)前模型水輪機的測速齒盤為n個齒，齒盤的每個齒轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)速傳感器時，傳感器產(chǎn)生一個脈沖信號，數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的計數(shù)器對脈沖進(jìn)行頻率測量，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的內(nèi)部時鐘頻率計算出齒盤的轉(zhuǎn)動頻率fn，并換算出當(dāng)模型水輪機的轉(zhuǎn)速為n時，模型水輪機的轉(zhuǎn)頻f為：

其中轉(zhuǎn)速n的單位為rpm，即轉(zhuǎn)/分鐘，

f、fn的單位為hz，

旋轉(zhuǎn)機械的同步對象是指同轉(zhuǎn)速同步，即數(shù)字成像設(shè)備的圖像采集頻率同旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)動頻率相同，因此，在進(jìn)行同步成像前必須獲得轉(zhuǎn)速信息；

4)根據(jù)計算出的模型水輪機的轉(zhuǎn)頻，利用計算機程序生成主控相機觸發(fā)信號，具體方法如下：

當(dāng)調(diào)節(jié)模型水輪機至欲觀測的轉(zhuǎn)速下運行時，由于模型水輪機的流量及尾水壓力的改變，導(dǎo)致模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊產(chǎn)生正、背面脫流、模型轉(zhuǎn)輪葉道渦、轉(zhuǎn)輪葉片出水邊產(chǎn)生空化、尾水管錐管處產(chǎn)生渦帶現(xiàn)象，通過清晰地觀測、采集并記錄上述現(xiàn)象產(chǎn)生過程，輔以當(dāng)前工況下的試驗參數(shù)進(jìn)行分析脫流、葉道渦、空化及渦帶現(xiàn)象產(chǎn)生的部位及誘因，可以指導(dǎo)水輪機模型轉(zhuǎn)輪葉片葉型的優(yōu)化設(shè)計，甚至有助于進(jìn)行原型水輪機運行穩(wěn)定性分析及故障診斷的研究；由于脫流、葉道渦、空化及渦帶現(xiàn)象并非靜止不動，而是隨著轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動不斷旋轉(zhuǎn)，為了清晰地采集到上述現(xiàn)象發(fā)生過程的圖像信息，圖像采集的頻率必須與轉(zhuǎn)頻相同或相近，從而可以獲得所要觀測位置的相對靜止或緩慢變化的圖像，即所謂的“同步”；令s1為轉(zhuǎn)頻信號，即為同步成像方法所要同步的信號，s2為頻率由計算機程序給定的由主成像設(shè)備產(chǎn)生的矩形波形式的觸發(fā)信號，即為主從觸發(fā)的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號的上升沿或下降沿均可作為觸發(fā)沿，再此以上升沿作為觸發(fā)沿為例說明：轉(zhuǎn)頻信號的周期為t1，觸發(fā)信號的周期為t2，兩信號初始相差δt，觸發(fā)信號在第二個觸發(fā)周期時與轉(zhuǎn)速信號相差δt1，則δt1＝δt+(t1-t2)，則第i個觸發(fā)周期的觸發(fā)沿到來時刻，兩信號的相差為δti＝δt+i×(t1-t2)，(i為正整數(shù))，當(dāng)(j+1)×t1>i×|t1-t2|≥j×t1時(j為正整數(shù))，則主控成像設(shè)備完成對模型水輪機轉(zhuǎn)輪第j圈成像觀測；

5)主控成像設(shè)備通過觸發(fā)信號控制從屬成像設(shè)備以及頻閃光源進(jìn)行圖像采集，具體方法如下：

當(dāng)進(jìn)行模型水輪機多機位同步流態(tài)觀測時，由于觀測位置不同，主、從成像設(shè)備均需各自配備獨立的頻閃光源，主成像設(shè)備按照計算機程序給定的頻率進(jìn)行圖像采集，同時主成像設(shè)備產(chǎn)生上述頻率與初始相位的觸發(fā)信號s2，并將其輸出至從屬成像設(shè)備及頻閃光源，從屬成像設(shè)備接收到來自主成像設(shè)備的觸發(fā)信號，按照觸發(fā)信號的頻率進(jìn)行圖像拍攝，頻閃光源在接收到來自主成像設(shè)備的主觸發(fā)信號將主觸發(fā)信號時，同步閃光配合主、從成像設(shè)備完成同步曝光，由于電信號在傳輸過程中速度接近光速，可以忽略觸發(fā)信號傳輸過程中的延時，則實現(xiàn)主成像設(shè)備觸發(fā)控制從屬成像設(shè)備及頻閃光源的主從觸發(fā)式同步成像；主成像設(shè)備包括具有g(shù)igevision接口協(xié)議、usb接口或ieee1394接口協(xié)議的具有數(shù)據(jù)輸出和同步觸發(fā)輸出功能的數(shù)字式相機或數(shù)字?jǐn)z像機，從屬成像設(shè)備包括具有g(shù)igevision接口協(xié)議、usb接口或ieee1394接口協(xié)議的具有數(shù)據(jù)輸出和同步觸發(fā)輸入功能的數(shù)字式相機或數(shù)字?jǐn)z像機，頻閃光源包括連續(xù)曝光頻率可調(diào)的具有外部觸發(fā)功能的閃光燈或閃頻儀；

6)主、從成像設(shè)備通過數(shù)據(jù)輸出接口采用數(shù)字傳輸?shù)姆绞綄⒉杉降臄?shù)據(jù)以圖片的形式按照拍攝時間先后順序?qū)崟r傳送給計算機，計算機以成像設(shè)備拍攝到的每一幅圖片為一幀，按照時間先后順序分別將主、從成像設(shè)備回傳的圖像合成為通用格式的視頻流媒體文件實時顯示在計算機圖像輸出設(shè)備上，當(dāng)觀測到脫流、葉道渦、空化或渦帶現(xiàn)象出現(xiàn)時，則手動將合成的視頻流媒體文件記錄在計算機的磁盤存儲器中；在轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變模型水輪機的流量及尾水壓力來模擬水輪機轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊、出水邊、葉道間及尾水管錐管處的流態(tài)，通過調(diào)整主、從成像設(shè)備的觀測角度與位置，可實現(xiàn)對模型水輪機轉(zhuǎn)輪任意流道從進(jìn)口到出口的全葉道觀測，將采集到的圖片信息以及計算機將圖片按幀合成的視頻流媒體文件可以獲得模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊正、背面脫流、葉道渦，轉(zhuǎn)輪葉片出水邊背面空化、尾水管錐管渦帶現(xiàn)象形成的全過程，出現(xiàn)的位置及形態(tài)，從而達(dá)到指導(dǎo)模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片葉型的優(yōu)化設(shè)計，提升水輪機空化性能及穩(wěn)定性以及水輪機故障診斷分析的目的。

本發(fā)明無論模型水輪機需要觀測的重要區(qū)域中流態(tài)是否出現(xiàn)脫流、葉道渦、空化、渦帶或脫流等現(xiàn)象，只要獲知當(dāng)前工況下模型水輪機的轉(zhuǎn)頻信息，均可通過計算機程序控制主成像設(shè)備發(fā)出觸發(fā)信號觸發(fā)從屬成像設(shè)備及頻閃光源與轉(zhuǎn)頻進(jìn)行多機位同步圖像采集，同時通過數(shù)字傳輸?shù)姆绞綄⒉杉降男畔魉突赜嬎銠C進(jìn)行視頻合成，得到與模型水輪機實時的、多機位嚴(yán)格同步的、高清晰度的動、靜流態(tài)全流道圖像信息。

圖1為同步觸發(fā)信號的時序波形示意圖，轉(zhuǎn)頻信號的周期為t1，觸發(fā)信號的周期為t2，兩信號初始相差δt，觸發(fā)信號在第二個觸發(fā)周期時與轉(zhuǎn)速信號相差δt1，則δt1＝δt+(t1-t2)，則第i個觸發(fā)周期的觸發(fā)沿到來時刻，兩信號的相差為δti＝δt+i×(t1-t2)，(i為正整數(shù))，當(dāng)(j+1)×t1>i×|t1-t2|≥j×t1時(j為正整數(shù))，則主控成像設(shè)備完成對模型水輪機轉(zhuǎn)輪第j圈成像觀測；且當(dāng)t1-t2為正時，觀測到的為模型轉(zhuǎn)輪順時針緩慢旋轉(zhuǎn)的圖像；當(dāng)t1-t2為負(fù)時，觀測到的為模型轉(zhuǎn)輪逆時針緩慢旋轉(zhuǎn)的圖像，當(dāng)t1-t2為零時，觀測到的為模型轉(zhuǎn)輪靜止不動的圖像；

圖2為典型的實現(xiàn)本發(fā)明的計算機控制的模型水輪機流態(tài)觀測的多機位主從觸發(fā)式同步成像系統(tǒng)原理框圖，它通過計算機(1)及轉(zhuǎn)速測量設(shè)備(8)獲取模型水輪機轉(zhuǎn)頻信息，通過計算機程序通過以太網(wǎng)、通用串行總線(usb)或ieee1394等數(shù)字傳輸接口(2)控制主成像設(shè)備(3)產(chǎn)生同步觸發(fā)控制信號(6)控制安裝模型水輪機待觀測區(qū)域(7)的多個從屬成像設(shè)備(4)及頻閃光源(5)進(jìn)行同步成像，并將拍攝的幀圖像信息以數(shù)字傳輸方式再次通過以太網(wǎng)、通用串行總線(usb)或ieee1394等數(shù)字傳輸接口(2)實時傳送回計算機進(jìn)行視頻流媒體文件的合成、顯示、記錄與分析。

本發(fā)明利用數(shù)字成像設(shè)備拍攝幀率可程控及其可觸發(fā)輸入、輸出的特點，在首次提出了采用計算機控制主成像設(shè)備按照程序給定的頻率成像的同時發(fā)出該頻率的觸發(fā)信號控制從屬成像設(shè)備與頻閃光源與主成像設(shè)備同步曝光，并與模型水輪機轉(zhuǎn)頻同步來同時觀測模型水輪機內(nèi)部多個關(guān)鍵區(qū)域的流態(tài)的多機位同步觸發(fā)成像方法。本發(fā)明在水輪機模型試驗及水輪機設(shè)計研究領(lǐng)域首次采用多機位主從觸發(fā)同步技術(shù)，通過計算機采集到模型水輪機運行時的轉(zhuǎn)動頻率信息，并根據(jù)轉(zhuǎn)動頻率的大小利用計算機程序控制主成像設(shè)備發(fā)出同步觸發(fā)信號，觸發(fā)從屬成像設(shè)備和頻閃光源與主成像設(shè)備同時曝光成像，成像頻率根據(jù)想要模型水輪機內(nèi)部關(guān)鍵區(qū)域的流態(tài)調(diào)整，來實現(xiàn)多機位成像速度與轉(zhuǎn)頻嚴(yán)格同步的成像方法。該方法的提出對于水輪機的水力性能優(yōu)化設(shè)計，模型水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部全流道微觀水力現(xiàn)象的特性研究以及由于空化引起的水輪機故障診斷的研究具有非凡的指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1為計算機控制的主成像設(shè)備發(fā)出的同步觸發(fā)信號時序波形示意圖

圖2為典型的實現(xiàn)本發(fā)明的主從觸發(fā)式同步成像系統(tǒng)原理框圖

具體實施方式：

一種模型水輪機流態(tài)觀測的多機位主從觸發(fā)式同步成像方法的具體實施方式按圖2所表示的原理：

1)啟動計算機系統(tǒng)；

2)調(diào)節(jié)模型水輪機使其達(dá)到欲觀測的固定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定工作狀態(tài)；

3)利用計算機數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集模型水輪機的轉(zhuǎn)速信號，并計算當(dāng)前模型水輪機的轉(zhuǎn)頻，具體方法如下：

假設(shè)當(dāng)前模型水輪機的測速齒盤為n個齒，齒盤的每個齒轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)速傳感器時，傳感器產(chǎn)生一個脈沖信號，數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的計數(shù)器對脈沖進(jìn)行頻率測量，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的內(nèi)部時鐘頻率計算出齒盤的轉(zhuǎn)動頻率fn，并換算出當(dāng)模型水輪機的轉(zhuǎn)速為n時，模型水輪機的轉(zhuǎn)頻f為：

其中轉(zhuǎn)速n的單位為rpm，即轉(zhuǎn)/分鐘，

f、fn的單位為hz，

旋轉(zhuǎn)機械的同步對象是指同轉(zhuǎn)速同步，即數(shù)字成像設(shè)備的圖像采集頻率同旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)動頻率相同，因此，在進(jìn)行同步成像前必須獲得轉(zhuǎn)速信息；

4)根據(jù)計算出的模型水輪機的轉(zhuǎn)頻，利用計算機程序控制主成像設(shè)備機生成觸發(fā)信號，具體方法如下：

當(dāng)調(diào)節(jié)模型水輪機至欲觀測的轉(zhuǎn)速下運行時，由于模型水輪機的流量及尾水壓力的改變，導(dǎo)致模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊產(chǎn)生正、背面脫流、模型轉(zhuǎn)輪葉道渦、轉(zhuǎn)輪葉片出水邊產(chǎn)生空化、尾水管錐管處產(chǎn)生渦帶現(xiàn)象，通過清晰地觀測、采集并記錄上述現(xiàn)象產(chǎn)生過程，輔以當(dāng)前工況下的試驗參數(shù)進(jìn)行分析脫流、葉道渦、空化及渦帶現(xiàn)象產(chǎn)生的部位及誘因，可以指導(dǎo)水輪機模型轉(zhuǎn)輪葉片葉型的優(yōu)化設(shè)計，甚至有助于進(jìn)行原型水輪機運行穩(wěn)定性分析及故障診斷的研究；由于脫流、葉道渦、空化及渦帶現(xiàn)象并非靜止不動，而是隨著轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動不斷旋轉(zhuǎn)，為了清晰地采集到上述現(xiàn)象發(fā)生過程的圖像信息，圖像采集的頻率必須與轉(zhuǎn)頻相同或相近，從而可以獲得所要觀測位置的相對靜止或緩慢變化的圖像，即所謂的“同步”；令s1為轉(zhuǎn)頻信號，即為同步成像方法所要同步的信號，s2為頻率由計算機程序給定的由主成像設(shè)備產(chǎn)生的矩形波形式的觸發(fā)信號，即為主從觸發(fā)的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號的上升沿或下降沿均可作為觸發(fā)沿，再此以上升沿作為觸發(fā)沿為例說明：轉(zhuǎn)頻信號的周期為t1，觸發(fā)信號的周期為t2，兩信號初始相差δt，觸發(fā)信號在第二個觸發(fā)周期時與轉(zhuǎn)速信號相差δt1，則δt1＝δt+(t1-t2)，則第i個觸發(fā)周期的觸發(fā)沿到來時刻，兩信號的相差為δti＝δt+i×(t1-t2)，(i為正整數(shù))，當(dāng)(j+1)×t1>i×|t1-t2|≥j×t1時(j為正整數(shù))，則主控成像設(shè)備完成對模型水輪機轉(zhuǎn)輪第j圈成像觀測；

5)主控成像設(shè)備通過觸發(fā)信號控制從屬成像設(shè)備以及頻閃光源進(jìn)行圖像采集，具體方法如下：

當(dāng)進(jìn)行模型水輪機多機位同步流態(tài)觀測時，由于觀測位置不同，主、從成像設(shè)備均需各自配備獨立的頻閃光源，主成像設(shè)備按照計算機程序給定的頻率進(jìn)行圖像采集，同時主成像設(shè)備產(chǎn)生上述頻率與初始相位的觸發(fā)信號s2，并將其輸出至從屬成像設(shè)備及頻閃光源，從屬成像設(shè)備接收到來自主成像設(shè)備的觸發(fā)信號，按照觸發(fā)信號的頻率進(jìn)行圖像拍攝，頻閃光源在接收到來自主成像設(shè)備的主觸發(fā)信號將主觸發(fā)信號時，同步閃光配合主、從成像設(shè)備完成同步曝光，由于電信號在傳輸過程中速度接近光速，可以忽略觸發(fā)信號傳輸過程中的延時，則實現(xiàn)主成像設(shè)備觸發(fā)控制從屬成像設(shè)備及頻閃光源的主從觸發(fā)式同步成像；主成像設(shè)備包括具有g(shù)igevision接口協(xié)議、usb接口或ieee1394接口協(xié)議的具有數(shù)據(jù)輸出和同步觸發(fā)輸出功能的數(shù)字式相機或數(shù)字?jǐn)z像機，從屬成像設(shè)備包括具有g(shù)igevision接口協(xié)議、usb接口或ieee1394接口協(xié)議的具有數(shù)據(jù)輸出和同步觸發(fā)輸入功能的數(shù)字式相機或數(shù)字?jǐn)z像機，頻閃光源包括連續(xù)曝光頻率可調(diào)的具有外部觸發(fā)功能的閃光燈或閃頻儀；

6)主、從成像設(shè)備通過數(shù)據(jù)輸出接口采用數(shù)字傳輸?shù)姆绞綄⒉杉降臄?shù)據(jù)以圖片的形式按照拍攝時間先后順序?qū)崟r傳送給計算機，計算機以成像設(shè)備拍攝到的每一幅圖片為一幀，按照時間先后順序分別將主、從成像設(shè)備回傳的圖像合成為通用格式的視頻流媒體文件實時顯示在計算機圖像輸出設(shè)備上，當(dāng)觀測到脫流、葉道渦、空化或渦帶現(xiàn)象出現(xiàn)時，則手動將合成的視頻流媒體文件記錄在計算機的磁盤存儲器中；在轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變模型水輪機的流量及尾水壓力來模擬水輪機轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊、出水邊、葉道間及尾水管錐管處的流態(tài)，通過調(diào)整主、從成像設(shè)備的觀測角度與位置，可實現(xiàn)對模型水輪機轉(zhuǎn)輪任意流道從進(jìn)口到出口的全葉道觀測，將采集到的圖片信息以及計算機將圖片按幀合成的視頻流媒體文件可以獲得模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊正、背面脫流、葉道渦，轉(zhuǎn)輪葉片出水邊背面空化、尾水管錐管渦帶現(xiàn)象形成的全過程，出現(xiàn)的位置及形態(tài)，從而達(dá)到指導(dǎo)模型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片葉型的優(yōu)化設(shè)計，提升水輪機空化性能及穩(wěn)定性以及水輪機故障診斷分析的目的。