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FRS滤波瑞利散射测量

  • 更新日期:2020-04-24      浏览次数:569
    • FRS-滤波瑞利散射是多功能的激光无接触测量技术,它是通过测量分子的瑞利散射信号,得到一个激光平面上的压力场、密度场、温度场和速度场。

      FRS的碘蒸气分子盒和滤镜,确保FRS系统可以在恶劣环境下实现其测量。碘蒸气分子盒和滤镜,可以消除壁面或者模型的激光反射光、流场中的大颗粒的米散射光、灰尘的激光散射光。

      该测量技术是德国航空航天中心DLR科隆的Institute of Propulsion Technology率先提出,先已应用于发动机的测量、风洞、喷嘴流场的测量。

      DGV-全场多普勒速度场仪,它测量粒子的多普勒信号,转换成图像的方式,得到一个平面的速度场,具有测速范围宽、空间分辨率高,适合高超流场的测量。

      因为DGV和FRS系统的很多硬件(激光器、稳频器、时序控制、高量子效率相机等等都是共同使用),因此德国DLR科隆和德国ILA公司将DGV和FRS系统结合起来,形成一套可以测量速度、温度、压力和密度场的激光测量技术,因为其具有无需添加示踪粒子、测速范围宽的特点,适合燃烧、高温、高超、无法添加示踪粒子的应用场合。

       

      功能:无接触准确测量一个平面上的速度、压力、温度和密度场

      速度范围:0-3000m/s  测量不确定度 :0.8-1.4m/s

      压力范围:0.1-20bar   测量不确定度:3%

      温度范围:100-2000K(可升级到3000K)   测量不确定度 :1%

      测量面积:通常120mm*120mm,取决于现场的信号强度

      应用环境:风洞、航空航天发动机、燃烧室、喷口燃烧分析等,增加光纤可应用在实际发动机上进行测量(应用于实际发动机的配件需要欧盟出口申请)

      工作模式:激光无接触测量

      温度范围:100-2000K(可升级到3000K),精度 1%

      压力范围:0.1-20bar ,精度3%

      厂家:德国ILA公司

       

      测量原理:

      流场存在的粒子尺寸如果比激光波长小一个数量级以上,产生的散射是瑞利散射。比如燃烧或者流场中存在的气体分子,其尺寸为nm量级。瑞利散射信号是一个波形分布,这个波形的形状分布和压力、温度、密度有关,波形的整体频移就是多普勒频移,和速度有关。        

       

      瑞利散射信号的强度非常弱,比通常的背景光、模型反射光或者燃烧背景光小三个数量级以上,因此,瑞利散射信号的提取一直是非常困难的。德国DLR(宇航局)的滤波瑞利散射技术解决了该问题,同时成功将该设备应用在实际发动机上进行测量。

                               

      相同的激光源、相机和镜头。左边的图像为拍摄曝光时间为30ms,右边的图像是相机前增加碘蒸气分子盒和滤镜拍摄曝光时间为240s。

      相机和碘蒸气分子盒、滤镜和配套镜头(德国ILA公司)

      系统应用在燃烧的测量

       

       

                                     

      系统测量得到温度、压力场、和速度场结果,消除了燃烧火焰噪声、边界的激光反射光影响、燃烧中间产物等等噪声信号。

       

       

      系统应用在透平机械

                                  

       

      系统应用于高压喷嘴      

                                         

      部件组成:窄线宽高稳定度可调波长激光器、激光稳频及监测器、控制单元、分光器、FRS/DGV片光源探头、光束转换模块、导光臂、高量子效率低噪声相机、相机碘蒸气盒滤镜模块、温度控制模块、配套镜头、光学平台、标定靶盘、软件采集和分析模块、可移动试验台、配套计算机等。

      系统照片

      详细部件参数:

      1. 窄线宽高稳定度可调波长激光器:

      数量:1套

      Nd:YVO4-激光器                                                            能量输出 : 6 W @ 532 nm 单频率

      带冷却器

      噪声水平l: < 0.03 % rms (10 Hz - 1 GHz)

      线宽:<5MHz

      中心波长: 532.26

      2. 激光稳频及能量器

      数量:1套

       HF-ANGSTROM WS/U-10U:

        测量范围: 350 1120 nm

        稳定和测量激光输出频率和输出功率

      3. 控制单元

      数量:4套

      ILA输出输入控制单元,

      6个模拟信号输入接口,6个模拟信号输出接口

      6个数字信号输入接口,6个数字信号输出接口

      工业级电流输出驱动器(-24…+24mA, 16bit)

      工业级电压输出驱动器(-10…+10V, 16bit)

      模拟信号输入/输出 (0..5V, 12bit)

      数字信号输入/输出 (TTL, 0..5V)

      独立的模拟和数字电路块

      计算机软件控制,接口网卡

      4. 分光器

      数量:1套

      将参考光引到能量计的单模保偏光纤内

      5. FRS/DGV片光源探头

      数量:3套

      产生偏光,内置光电二极管控制激光功率和旋转多边形透镜确保光片内恒定的功率分布

      6. 光束转换模块

      数量;1套

      在三个片光源探头之间切换光束

      7. 导光臂

      数量:3套

      连接激光器和片光源的光臂

      中心孔径:15mm

      长度;2000mm

      6个镀膜镜片

      安装调节底座,易于安装和调节,高机械稳定性

      黑色,片光360度可旋转

      8. 高性能相机

      数量:2套

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

      像素尺寸: 6.5 x 6.5 [µm]  

      *量子效率: 82 [%] @ peak

      动态A/D范围: 16 [Bit]  

       anti-blooming factor:10,000

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

      *读出噪声 <  0.5 [e- rms]

      • 帧率:  100  [fps] @  满分辨率

      • 曝光时间:100 [µs] .. 10 [s]

      8相机碘蒸气盒滤镜模块

      数量:1套

      口径:40mm

      532nm,温度70度,控制温度精度0.1

      配套滤镜

      碘蒸气盒、滤镜和相机是一体化制作

      9.碘蒸气分子盒控温模块

      数量:1套

      精密监测和控制碘蒸气分子盒的温度

      10.配套镜头

      数量;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、分析软件模块

      实现系统的采集和分析功能

      实时控制相机的采集

      实时监测和控制激光器的输出频率和能量

      图像的分析,得到速度场、温度场、压力场和密度场的结果

      12.配套附件

      100mm*100mm标定靶盘一套

      光学平台一套

      可移动试验车一套,可将激光器、稳频器、片光源、导光臂、分光器、控制单元等布置固定在试验车上,方便移动和现场布置

      配套计算机

       

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