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(shù)，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(tǒng)可以在惡劣環(huán)境下實現(xiàn)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(shù)是德國航空航天中心DLR科隆的Institute of Propulsion Technology*提出，先已應(yīng)用于發(fā)動機的測量、風(fēng)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(zhuǎn)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(tǒng)的很多硬件（激光器、穩(wěn)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(tǒng)結(jié)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(shù)，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(yīng)用場合。

功能：無接觸準(zhǔn)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(xiàn)場的信號強度

應(yīng)用環(huán)境：風(fēng)洞、航空航天發(fā)動機、燃燒室、噴口燃燒分析等，增加光纖可應(yīng)用在實際發(fā)動機上進(jìn)行測量（應(yīng)用于實際發(fā)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(shù)量級以上，產(chǎn)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(guān)，波形的整體頻移就是多普勒頻移，和速度有關(guān)。        

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(shù)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(shù)解決了該問題，同時成功將該設(shè)備應(yīng)用在實際發(fā)動機上進(jìn)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(tǒng)應(yīng)用在燃燒的測量

系統(tǒng)測量得到溫度、壓力場、和速度場結(jié)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(chǎn)物等等噪聲信號。

系統(tǒng)應(yīng)用在透平機械

系統(tǒng)應(yīng)用于高壓噴嘴      

部件組成：窄線寬高穩(wěn)定度可調(diào)波長激光器、激光穩(wěn)頻及監(jiān)測器、控制單元、分光器、FRS/DGV片光源探頭、光束轉(zhuǎn)換模塊、導(dǎo)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(xué)平臺、標(biāo)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(tǒng)照片

詳細(xì)部件參數(shù)：

1. 窄線寬高穩(wěn)定度可調(diào)波長激光器：

數(shù)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(wěn)頻及能量器

數(shù)量：1套

 HF-ANGSTROM WS/U-10U:

  測量范圍: 350 到1120 nm

  穩(wěn)定和測量激光輸出頻率和輸出功率

3. 控制單元

數(shù)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(shù)字信號輸入接口，6個數(shù)字信號輸出接口

工業(yè)級電流輸出驅(qū)動器(-24…+24mA, 16bit)

工業(yè)級電壓輸出驅(qū)動器(-10…+10V, 16bit)

模擬信號輸入/輸出 (0..5V, 12bit)

數(shù)字信號輸入/輸出 (TTL, 0..5V)

獨立的模擬和數(shù)字電路塊

計算機軟件控制，接口網(wǎng)卡

4. 分光器

數(shù)量：1套

將參考光引到能量計的單模保偏光纖內(nèi)

5. FRS/DGV片光源探頭

數(shù)量：3套

產(chǎn)生偏光，內(nèi)置光電二極管控制激光功率和旋轉(zhuǎn)多邊形透鏡確保光片內(nèi)恒定的功率分布

6. 光束轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)量;1套

在三個片光源探頭之間切換光束

7. 導(dǎo)光臂

數(shù)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(diào)節(jié)底座，易于安裝和調(diào)節(jié)，高機械穩(wěn)定性

黑色，片光360度可旋轉(zhuǎn)

8. 高性能相機

數(shù)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(tài)A/D范圍: 16 [Bit]  

 anti-blooming factor:10,000

*動態(tài) A/D芯片:  16位，動態(tài)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(shù)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(shù)量：1套

精密監(jiān)測和控制碘蒸氣分子盒的溫度

10.配套鏡頭

數(shù)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(xiàn)系統(tǒng)的采集和分析功能

實時控制相機的采集

實時監(jiān)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(jié)果

12.配套附件

100mm*100mm標(biāo)定靶盤一套

光學(xué)平臺一套

可移動試驗車一套，可將激光器、穩(wěn)頻器、片光源、導(dǎo)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(xiàn)場布置

配套計算機

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