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（532 nm，5–15 ns 脈衝），搭配 CCD 相機在微秒間隔拍攝兩張影像，受限於 CCD 讀取速率，最高約 15 Hz，無法解析高頻流場。
高速 PIV（TR-PIV）使用連續波或高重複率脈衝雷射（Nd:YLF、綠色 DPSS）搭配高速 CMOS 相機，可達：
- 1,000–10,000 Hz 時間解析率，可計算 TKE（湍流動能）、POD 本徵正交分解
- 完整捕捉渦旋生命週期（生成 → 脫落 → 耗散）
- 與 LES / DNS 數值模擬直接比對
重要：TR-PIV 對相機要求為「高幀率 + 高感光度 + 低讀取雜訊」，不是最高幀率最好，而是在所需幀率下有足夠訊雜比（SNR），建議與東茂科技技術顧問確認雷射功率與相機搭配方案。
二、PIV 應用場景與幀率需求
| 應用領域 | 流場特徵頻率 | 建議取樣率 | 示蹤粒子 |
|---|---|---|---|
| 低速風洞邊界層 | 10–200 Hz | 500–2,000 fps | DEHS 霧滴 1 μm |
| 噴流 / 尾流渦旋脫落 | 100–5,000 Hz | 2,000–20,000 fps | Al₂O₃ 粉 1–3 μm |
| 內燃機缸內流場 | 依 RPM（1,000 RPM→17 Hz） | 需相位鎖定，3,000–10,000 fps | TiO₂ 1 μm |
| 水流 / 海洋工程 | 1–100 Hz | 100–500 fps | 中空玻璃球 10–50 μm |
| 氣動噪聲 / 空腔流 | 1,000–10,000 Hz | 5,000–30,000 fps | DEHS 0.5 μm |
| 微流道 / 生醫微流 (μPIV) | 1–1,000 Hz | 100–5,000 fps | 螢光粒子 0.5–2 μm |
| 燃燒室 / 火焰前緣 | 100–5,000 Hz | 2,000–15,000 fps | Al₂O₃ 耐高溫 1 μm |
三、Stereo-PIV 與 Tomo-PIV（3D 流場量測）
平面 PIV 只能量測光片平面內的 u、v 速度分量，Stereo-PIV 利用兩台相機從不同角度拍攝，可重建面外速度分量 w：
- Stereo-PIV：2 台高速相機，Scheimpflug 角度調整，適合渦旋三維分析
- Tomographic PIV（Tomo-PIV）：4 台以上相機，體積照明，可重建三維速度體場，計算資源需求大
- Shake-The-Box（STB）：拉格朗日粒子追蹤，3D-3C 速度場，台灣學術界逐漸引入
四、台灣 PIV 研究機構
國立交通大學機械系
燃燒與流體研究室（廖英皓教授），使用 PIV 研究引擎缸內流場與噴霧燃燒，東茂科技長期合作
國立成功大學航太系
空氣動力學實驗室，低速風洞 TR-PIV，渦旋脫落與氣動噪聲研究
國立台灣大學造船海洋所
船舶水動力 PIV，空蝕現象高速拍攝，使用示蹤粒子量測螺旋槳流場
工研院綠能所
風力發電葉片尾流、太陽能熱對流流場，PIV 量測用於效率優化
五、PIV 相機選擇重點
- 感光度（QE）：低雷射功率下需高量子效率，CMOS back-illuminated 或 sCMOS 較佳
- 動態範圍：區分粒子影像與背景散射，≥ 60 dB 動態範圍較理想
- 解析度：512×512 以上才能做細緻的互相關窗口（32×32 或 64×64 像素）
- 記憶體深度：TR-PIV 長時間拍攝需大容量內建記憶體（≥ 8 GB）
- 外觸發介面：與雷射同步需 TTL 觸發輸入，延遲 < 1 μs
六、推薦機型
延伸閱讀：PIV 意思是什麼？粒子影像測速技術原理與高速攝影機應用完整解析
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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。