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  • 發布時間:2020-06-16 12:35 原文鏈接: FRS濾波瑞利散射測量

      FRS-濾波瑞利散射是多功能的激光無接觸測量技術,它是通過測量分子的瑞利散射信號,得到一個激光平面上的壓力場、密度場、溫度場和速度場。

      FRS的碘蒸氣分子盒和濾鏡,確保FRS系統可以在惡劣環境下實現其測量。碘蒸氣分子盒和濾鏡,可以消除壁面或者模型的激光反射光、流場中的大顆粒的米散射光、灰塵的激光散射光。

      該測量技術是德國航空航天中心DLR科隆的Institute of Propulsion Technology率先提出,先已應用于發動機的測量、風洞、噴嘴流場的測量。

      DGV-全場多普勒速度場儀,它測量粒子的多普勒信號,轉換成圖像的方式,得到一個平面的速度場,具有測速范圍寬、空間分辨率高,適合高超流場的測量。

      因為DGV和FRS系統的很多硬件(激光器、穩頻器、時序控制、高量子效率相機等等都是共同使用),因此德國DLR科隆和德國ILA公司將DGV和FRS系統結合起來,形成一套可以測量速度、溫度、壓力和密度場的激光測量技術,因為其具有無需添加示蹤粒子、測速范圍寬的特點,適合燃燒、高溫、高超、無法添加示蹤粒子的應用場合。

      功能:無接觸準確測量一個平面上的速度、壓力、溫度和密度場

      速度范圍:0-3000m/s 測量不確定度 :0.8-1.4m/s

      壓力范圍:0.1-20bar 測量不確定度:3%

      溫度范圍:100-2000K(可升級到3000K) 測量不確定度 :1%

      測量面積:通常120mm*120mm,取決于現場的信號強度

      應用環境:風洞、航空航天發動機、燃燒室、噴口燃燒分析等,增加光纖可應用在實際發動機上進行測量(應用于實際發動機的配件需要歐盟出口申請)

      工作模式:激光無接觸測量

      溫度范圍:100-2000K(可升級到3000K),精度 1%

      壓力范圍:0.1-20bar ,精度3%

      廠家:德國ILA公司

      測量原理:

      流場存在的粒子尺寸如果比激光波長小一個數量級以上,產生的散射是瑞利散射。比如燃燒或者流場中存在的氣體分子,其尺寸為nm量級。瑞利散射信號是一個波形分布,這個波形的形狀分布和壓力、溫度、密度有關,波形的整體頻移就是多普勒頻移,和速度有關。

      瑞利散射信號的強度非常弱,比通常的背景光、模型反射光或者燃燒背景光小三個數量級以上,因此,瑞利散射信號的提取一直是非常困難的。德國DLR(宇航局)的濾波瑞利散射技術解決了該問題,同時成功將該設備應用在實際發動機上進行測量。

      相同的激光源、相機和鏡頭。左邊的圖像為拍攝曝光時間為30ms,右邊的圖像是相機前增加碘蒸氣分子盒和濾鏡拍攝曝光時間為240s。

      相機和碘蒸氣分子盒、濾鏡和配套鏡頭(德國ILA公司)

      系統應用在燃燒的測量

      系統測量得到溫度、壓力場、和速度場結果,消除了燃燒火焰噪聲、邊界的激光反射光影響、燃燒中間產物等等噪聲信號。

      系統應用在透平機械

      系統應用于高壓噴嘴

      部件組成:窄線寬高穩定度可調波長激光器、激光穩頻及監測器、控制單元、分光器、FRS/DGV片光源探頭、光束轉換模塊、導光臂、高量子效率低噪聲相機、相機碘蒸氣盒濾鏡模塊、溫度控制模塊、配套鏡頭、光學平臺、標定靶盤、軟件采集和分析模塊、可移動試驗臺、配套計算機等。

      系統照片

      詳細部件參數:

      1. 窄線寬高穩定度可調波長激光器:

      數量:1套

      Nd:YVO4-激光器 能量輸出 : 6 W @ 532 nm 單頻率

      帶冷卻器

      噪聲水平l: < 0.03 % rms (10 Hz -1 GHz)

      線寬:<5MHz

      中心波長: 532.26

      2. 激光穩頻及能量器

      數量:1套

       HF-ANGSTROM WS/U-10U:

       測量范圍: 350 到1120 nm

       穩定和測量激光輸出頻率和輸出功率

      3. 控制單元

      數量:4套

      ILA輸出輸入控制單元,

      6個模擬信號輸入接口,6個模擬信號輸出接口

      6個數字信號輸入接口,6個數字信號輸出接口

      工業級電流輸出驅動器(-24…+24mA, 16bit)

      工業級電壓輸出驅動器(-10…+10V, 16bit)

      模擬信號輸入/輸出 (0..5V, 12bit)

      數字信號輸入/輸出 (TTL, 0..5V)

      獨立的模擬和數字電路塊

      計算機軟件控制,接口網卡

      4. 分光器

      數量:1套

      將參考光引到能量計的單模保偏光纖內

      5. FRS/DGV片光源探頭

      數量:3套

      產生偏光,內置光電二極管控制激光功率和旋轉多邊形透鏡確保光片內恒定的功率分布

      6. 光束轉換模塊

      數量;1套

      在三個片光源探頭之間切換光束

      7. 導光臂

      數量:3套

      連接激光器和片光源的光臂

      中心孔徑:15mm

      長度;2000mm

      6個鍍膜鏡片

      安裝調節底座,易于安裝和調節,高機械穩定性

      黑色,片光360度可旋轉

      8. 高性能相機

      數量:2套

      高性能SCMOS相機: 分辨率: 2048 x 2048 Pixel

      像素尺寸: 6.5 x 6.5 [μm]

      *量子效率: 82 [%] @ peak

      動態A/D范圍: 16 [Bit]

       anti-blooming factor:10,000

      *動態 A/D芯片: 16位,動態比375 00 : 1 (91.5 db)

      *讀出噪聲 < 0.5 [e -rms]

      ? 幀率: 100 [fps] @ 滿分辨率

      ? 曝光時間:100 [μs] .. 10 [s]

      8相機碘蒸氣盒濾鏡模塊

      數量:1套

      口徑:40mm

      532nm,溫度70度,控制溫度精度0.1度

      配套濾鏡

      碘蒸氣盒、濾鏡和相機是一體化制作

      9.碘蒸氣分子盒控溫模塊

      數量:1套

      精密監測和控制碘蒸氣分子盒的溫度

      10.配套鏡頭

      數量;1套

      1x FUJINON HF35SA-1/1,4, 1x Walimex Pro 50mm f/1,4 DSLR-Objective, 1x Walimex Pro 85mm f/1,4 DSLR-Objective

      11. 采集、分析軟件模塊

      實現系統的采集和分析功能

      實時控制相機的采集

      實時監測和控制激光器的輸出頻率和能量

      圖像的分析,得到速度場、溫度場、壓力場和密度場的結果

      12.配套附件

      100mm*100mm標定靶盤一套

      光學平臺一套

      可移動試驗車一套,可將激光器、穩頻器、片光源、導光臂、分光器、控制單元等布置固定在試驗車上,方便移動和現場布置

      配套計算機


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