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技术文章
导读
如今，现代测量技术能够对液体和气体的流动进行高精度检测，从而为众多应用提供有价值的数据。为此，对流体的速度、方向、压力和湍流进行分析，以提高生产效率、确保做工安全并推动各领域的创新。
有许多方法可以测量这些动态，其中粒子图像测速仪（PIV）等可视化方法受到推崇。德国亚琛的 iLA_5150 GmbH 公司现在使用的 EBIV是一种新的光学方法，用于定性和定量地观察被观测体的流动和流速。友思特合作伙伴IDS研发的 uEye EVS事件相机创造了工业相机的创新传感器技术。此技术可实现高动态、高能效的检测，尤其是对快速和湍流运动的检测。
一、应用：帧频高达每秒 10,000 帧
在 EBIV 方法中，微小颗粒被添加到流动的流体中，并在一个平面（即所谓的光截面平面）上发光。它们在进入和离开 LED 灯部分时产生单独的光脉冲。局部亮度的这种变化由像机像素独立记录，并作为 "变化事件 "数据流传输到个人电脑。因此，与传统相机相比，基于事件的模型只对图像区域中记录的亮度变化做出反应。静止的散射光，如背景或不变的照明表面，不会产生测量信号。这大大减少了数据量。
数据流实质上包含了关于何时何地发生了什么的信息。具体来说，这些信息包括传感器上的像素坐标、像素事件的微秒时间戳以及事件的相关信息：打开或关闭。这样就可以区分强度增加（ON 事件）和强度减少（OFF 事件）。使用合适的软件，可以将数据流转换成图像矩阵，其中既有数据流的空间信息，也有线性时基。其效果堪比高速摄像机的超高帧频。
"EBIV测量方法与传统成像方法有着本质区别。它们通常会产生大量数据，需要外设来处理这些数据。对于 1000 赫兹及以上的特殊帧频，所需的基于图像的摄像机本身就非常复杂和昂贵。在基于事件的摄像技术的帮助下，帧频可达到每秒 10,000 帧，而这只需要标准的 PC 接口，如每秒几千兆位的 USB 接口。
iLA_5150 GmbH 的开发主管 André Brunn 博士解释说："基于事件的模型本身的价格大大低于相应的高速摄像机，因此对小型教学和研究机构来说也非常有吸引力。
二、深度处理
数据流被转换成图像数据，并在前端（即所谓的 EBIV 查看器）中显示，以便直接进行在线流量可视化。用户还可以选择积分时间（相当于图像摄像机的曝光时间）以及序列的时间增量，即两个连续镜头之间的间隔时间。还可以使用经典图像滤镜。借助这些设置，用户可以优化运动轨迹的显示，并使其适应个人的考试目标。无论是细微的流动细节还是大尺度的图案，都能更清晰地辨认出来。这种重新调整测量结果的能力是基于事件的方法的另一个优势。
在 EBIV-View 的定性可视化流程中，颗粒会被持续照亮，从而以发光的形式显示出来。因此，这种方法非常适合于可视化流动。不过，它并不能提供精确的速度或方向测量值。
为了对流动特性进行精确的数值分析，单个颗粒会在短时间内受到光脉冲的照射。这样就可以记录它们的确切位置，并对其移动进行量化。例如，通过比较连续图像中的颗粒位置，可以使用 PIV 精确计算出流动的速度和方向。其结果是一个随时间变化的瞬态二维矢量场，换句话说，矢量并不是一成不变的。与传统的 PIV 一样，基于事件的相机的图像序列也可以进行统计分析，例如确定流速的平均值和波动。
三、相机和软件
在相机方面，iLA 依靠的是 IDS 的 uEye XCP-E。这款小巧轻便的工业相机采用基于事件的传感器技术，采用坚固耐用的压铸锌外壳（29 × 29 × 17 毫米），带有螺钉固定的 USB Micro-B 接口。它兼容所有标准 C 卡口镜头尺寸。因此，它既适用于工业应用，也适用于非工业应用。
基于事件的视觉传感器（EVS）由IDS和索尼公司和 Prophesee 公司共同开发。它由 Metavision SDK 提供支持，Metavision SDK 是一套无缝集成的软件工具和模型、应用程序接口以及 Prophesee 提供的其他培训和开发资源，可用于高效分析、可视化和定制。
在此基础上，iLA_5150/PIVTec 的 EBIV 查看器专门针对流量可视化应用而定制。
四、应用前景
流体系统和工艺的优化需要详细了解流动条件。定性的流量可视化通常足以了解效果并制定合适的控制机制。
然而，在此之前，通常只有昂贵的高速相机才能对快速流动进行高时间分辨率成像。基于事件的摄像技术提供了一种具有成本效益的替代方案，所需的技术工作大大减少。这些 "简单 "的方法在教学和研究中尤其缺乏。由于数据量极度减少，这项技术还允许使用多台摄像机或大型摄像机阵列，而不会使外围设备成为数据传输的限制。uEye EVS 型号的紧凑设计也使其成为移动应用的理想选择。这意味着可以直接分析真实的应用环境，而无需依赖人工流量模型或通道。
简而言之，事件相机可对流量进行高效、经济、高分辨率的可视化和量化。由于产生的数据量较小，许多过程甚至可以做到实时分析，这也使该技术可以在全自动系统适配。粒子图像测速仪（PIV）等成熟的流量测量方法可以无缝集成和扩展。该技术可用于通过散射光强度变化捕捉流动信息的领域，无论是移动的颗粒还是振动的表面都可精准捕捉。
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