粒子影像流速儀（PIV）是非接觸式流場量測的黃金標準。透過雷射光片照亮流場中的示蹤粒子，連續拍攝兩張極短間隔影像，利用互相關運算（Cross-Correlation）計算全場速度向量圖。配合高速攝影機，可實現時間解析 PIV（Time-Resolved PIV，TR-PIV），捕捉渦旋生成、分離泡、噴流擾動等高頻流場現象。
一、PIV 基本原理與高速相機的需求
傳統 PIV 使用雙脈衝 Nd:YAG 雷射，時間間隔固定，只能獲取「瞬態快照」。Time-Resolved PIV（TR-PIV）則改用高速連續雷射（如 Nd:YLF）搭配高速攝影機，以 1,000-10,000 fps 連續擷取流場序列，可重建完整流場時間演化。
互相關運算的前提是：兩張影像之間，粒子位移要落在詢問視窗（Interrogation Window，常見 32×32 或 16×16 pixel）的四分之一以內。也就是說，流速越快、放大倍率越高，你需要的幀率就越高。實務上我們會用一個簡單的估算：粒子在影格間位移控制在 5-10 pixel 最理想。位移太大，互相關會失鎖出現亂向量；太小，速度解析度又不夠。所以挑相機之前，先把「視野寬度、流速上限、感光元件解析度」三個數字算清楚，比看規格表更重要。
另一個常被忽略的重點是快門與感度。雷射光片能量分散在整個平面上，單顆粒子散射光其實很弱，相機的像素尺寸（pixel size）與量子效率直接決定粒子影像的訊噪比。這也是為什麼 PIV 用相機偏好大像素、高感度的機型，而不是單純追解析度。
二、TR-PIV 需要多少 fps？機型怎麼選
依我們這幾年協助台灣實驗室建置的經驗，不同流場對應的幀率大致如下：
| 應用場景 | 典型流速 | 建議幀率 | 建議機型 |
|---|---|---|---|
| 低速水槽、微流道 | < 1 m/s | 500-1,000 fps | AOS PROMON U750（全解析度 203 fps，縮小 ROI 最高可達 3,134 fps）／DITECT HAS-D73（全解析度 2,000 fps 綽綽有餘）。同系列 U800/U1000 縮小 ROI 僅達 295-350 fps，不建議用於此檔位 |
| 風洞邊界層、渦流尾跡 | 1-20 m/s | 1,000-4,000 fps | DITECT HAS-D73（全解析度 2,000 fps，1,280×1,024）／AOS L-PRI 系列（依型號全解析度 1,000-2,800 fps @1920×1080，共4個檔位，實際型號請洽業務確認） |
| 噴流、燃燒器流場 | 20-100 m/s | 4,000-10,000 fps | DITECT HAS-D73（縮小 ROI 至 1,280×116 時最高 15,000 fps，但視野會大幅縮減，需與工程師確認實際可用視野是否符合實驗需求）／或洽詢 AOS 高階機型 |
| 超音速、震波干涉 | > 100 m/s | 10,000 fps 以上 | 此範圍已超出 HAS-D73 可用視野／幀率平衡帶。可洽詢 AOS L-VIT 系列（全解析度 1920×1080 下為 1,000-2,500 fps，縮小 ROI 情況下部分型號可達極高幀率，但同樣需大幅犧牲視野；L-VIT 原始設計定位為高G值衝擊／碰撞測試相機，用於 PIV 前建議先與工程師確認視野與觸發需求是否符合）或 SSZN SH 系列高 fps 機型，並提供詳細視野與流速需求做評估 |
提醒一下：高速攝影機的最高幀率通常是「降解析度」換來的。規格表寫 15,000 fps，很可能是裁切到只剩幾分之一畫面才達到——以 DITECT HAS-D73 為例，全解析度 1,280×1,024 只有 2,000 fps，要縮到 1,280×116（等於只保留約 11% 的畫面高度）才能衝到 15,000 fps。PIV 需要足夠的空間解析度來切詢問視窗，所以請以「全解析度下的幀率」為主要選型依據，不要只看規格表最大值。我們代理的 AOS（瑞士）與 DITECT（日本）機型都能提供完整的幀率-解析度對照表，選型前我們會幫你逐條核對。
三、台灣的 PIV 應用場景
學術研究
成大航太、台大機械與工科海洋、陽明交大機械等校的風洞與水槽實驗室，是台灣 PIV 應用最成熟的一群。常見題目包括翼型分離泡、圓柱渦街、生醫流場模型等。近年不少實驗室從傳統雙脈衝 PIV 升級到 TR-PIV，就是為了看渦旋「怎麼長出來、怎麼脫落」的完整過程，而不只是一張張獨立快照。
工業與生醫
- 燃燒診斷：噴嘴霧化、火焰穩定性分析，觀察回火與吹熄的瞬間流場變化。
- 渦流與氣動：風扇、散熱模組、無人機旋翼下洗流的流場驗證，補足 CFD 模擬缺少的實測數據。
- 血流量測（micro-PIV）：人工心瓣、血管支架模型內的流場分佈，評估剪應力與血栓風險。
四、國際應用案例：航太、汽車、生醫
除了台灣本地的學研應用，PIV 技術在國際上也廣泛用於航空航太、汽車工程、生醫流體力學等領域。以下是幾個典型的技術應用場景（一般性技術原理說明，非特定客戶案例）：
航空翼型氣流分析
利用PIV技術可視化飛機翼型周圍的氣流分布，分析渦流、分離點與壓力梯度，協助優化翼型設計，提升升力與減少阻力。此類測試通常需高速攝影機支援較高的拍攝速率，以捕捉瞬息萬變的氣流細節，實際幀率需求依風速與視野大小計算，建議由工程師協助評估。
汽車風洞測試
汽車研發中使用PIV進行風洞內車身周圍的流場量測，協助減少氣動阻力與風噪，提升燃油效率。高速攝影機搭配強力雷射光源，能在多種流速條件下提供精確的速度向量資料。
生物醫學微流體研究
在微流道中，PIV技術用於觀察微小流體的速度分布與混合效果，促進藥物傳輸與細胞培養技術的開發。此時要求攝影機具備足夠解析度與穩定影像品質，以捕捉微尺度的流體運動。
五、我們代理的品牌總覽
東茂科技代理 AOS（瑞士）、DITECT（日本）、Mega Speed（加拿大）、SSZN 深視智能（深圳）四大品牌高速攝影機，各自在 PIV 應用中有不同定位：
- AOS（瑞士軍規）：PROMON／L-VIT／M-VIT 等系列，主打耐候性與高感光度，適合精密流場量測；實際可用幀率因型號與 ROI 設定差異很大，建議提供流速與視野需求，由工程師配對合適型號。
- DITECT（日本）：HAS 系列，其中 HAS-D73 是我們目前唯一有原廠型錄明確標註「適用於 stereo 3D 與 stereo PIV 量測」的機型（2,000 fps 全解析 1,280×1,024，縮小 ROI 最高 15,000 fps）。詳細規格請見 DITECT HAS-D73 規格頁 →
- Mega Speed（加拿大）：MS 系列，適合工業產線與高階研究應用。
- SSZN 深視智能（深圳）：SH 系列，提供高性價比整合方案（軍公教市場除外，因大陸品牌屬性有採購限制）。
無論是高幀率拍攝、低光源環境下的高靈敏度表現，或是整合式系統設計，我們都能依據客戶需求量身打造，並提供專業技術支援與售後服務，協助您快速部署 PIV 系統。
六、PIV 系統怎麼配：相機之外還需要什麼
一套能動的 TR-PIV 系統，大致由四個部分組成：
- 高速攝影機：我們提供 AOS、DITECT、Mega Speed（加拿大）等品牌，從 500 fps 入門到上萬 fps 的機型都有，並含原廠軟體與 SDK。
- 光源：高重複率連續雷射或高功率脈衝 LED。低速水流用 LED 光片其實就夠，成本差一個數量級，這點我們會誠實建議，不會硬推雷射。
- 示蹤粒子：水流常用 10-20 μm 中空玻璃微珠，氣流用 1 μm 級 DEHS 或橄欖油霧化粒子，重點是跟隨性（Stokes number 遠小於 1）。
- 分析軟體：可搭配開源的 PIVlab（MATLAB）或 OpenPIV，也可整合商用 PIV 套件。我們負責確保相機輸出格式與時間戳能被軟體正確讀入。
如果實驗室已有雷射或軟體，只缺相機，我們也可以單獨供應機身並協助做同步（trigger/sync）整合，不強迫整套購買。
七、與我們合作的流程
- 免費借測：告訴我們你的流速範圍與視野大小，我們挑一台合適的機型寄到實驗室，實際拍你的流場。
- Demo 與數據驗證：我們的工程師可到場協助架設，拍完的影像直接丟進互相關軟體跑向量圖，用結果說話。
- 租借：計畫經費還沒下來、或只有短期實驗需求，可以先用月租方式取得設備。
- 採購：確認規格後報價，含教育訓練與保固期內的技術支援。國科會計畫與學校請購流程我們都熟，文件配合沒問題。
常見問題 FAQ
PIV 要用多少 fps 的高速攝影機？
取決於流速與放大倍率。原則是讓粒子在兩影格間位移 5-10 pixel：水槽低速流 500-1,000 fps 通常夠用，風洞與噴流大多落在 1,000-10,000 fps。與其背公式，不如把條件給我們幫你算。
示蹤粒子要用什麼？
水流常用 10-20 μm 中空玻璃微珠或螢光粒子；氣流用 1 μm 級 DEHS、橄欖油霧或煙霧產生器。關鍵是粒子要小到能跟得上流體、又大到散射光夠強被相機看見。
TR-PIV 和傳統 PIV 差在哪？
傳統雙脈衝 PIV 一次只拍一對影像，得到單一瞬間的速度場；TR-PIV 用高速相機連續拍攝，能得到速度場隨時間的完整演化，可做頻譜分析、POD/DMD 模態分解等進階處理。
高速攝影機可以租借嗎？
可以。我們提供短期租借與租轉購方案，也提供免費借測，先確認機型符合需求再談採購。
PIV 一定要用雷射嗎？
不一定。低速水流用高功率 LED 光片就能得到不錯的粒子影像，成本與雷射安全規範的負擔都低很多；高速氣流或大視野量測才建議上連續雷射。
實驗室已有 PIV 軟體，可以只買相機嗎？
可以。我們可單獨供應機身，並協助處理影像格式、時間同步與觸發整合，確保既有軟體能直接使用。
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→ 預約免費 PIV 高速攝影機借測：電話 04-8857599 / Email service@hsc.tw
選型常見問題
10,000fps 等級的高速攝影機推薦哪些？
半導體製程檢測需要多快的攝影機？
PIV 粒子影像測速需要什麼規格？
作者：陳聖鑫 Alex Chen
東茂儀器科技有限公司｜業務窗口
10 年高速攝影機產業經驗，代理 AOS Technologies（瑞士）、SinceVision SSZN（中國）、DITECT（日本）、Mega Speed（加拿大）四大品牌，服務台灣半導體、汽車測試、學術研究客戶。