Kostengünstiges PIV: Laserdioden Puls-System

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Dr. William Thielicke
E-Mail: thielicke@optolution.com
Telefon: +49 (0) 7621 582 83 46

Das neuartige Laserdioden Puls-System von OPTOLUTION ist eine günstige Beleuchtung für Particle Image Velocimetry (PIV). Es erzeugt einen sehr hellen und dünnen Lichtschnitt mit variabler Pulslänge und einstellbarem Pulsabstand. Das System zeichnet sich durch eine extrem einfache Bedienbarkeit aus. Das Licht wird durch eine oder mehrere Laserdioden und einem speziellen Lasertreiber erzeugt. Wir bieten Lichtleistungen von 5 W, 20 W und 40 W an. Die Systeme eignen sich z.B. für PIV Messungen in Luft und Wasser. Die Module haben eine eingebaute Lichtschnittoptik und werden mit optischem Rail und Stativhalterung (Manfrotto 200PL- Kameraplatte) ausgeliefert.

In der Standardausführung hat das LD-PS einen eingebauten Synchronizer für die Erzeugung von Signalen für Kameras genutzt werden kann. Unterstützt werden diverse Kameras aus unserem Programm. Der Laser kann jedoch auch in einer Version ohne Synchronizer geliefert, und dann direkt per TTL Signal betrieben werden.

Die Einstellungen des Synchronizers im LD-PS werden drahtlos per Funk geändert, direkt in PIVlab. Das sehr kompakte LD-PS wird aktiv gekühlt und hat einen sehr geringen mittleren Energieverbrauch.

Der größte Vorteil gegenüber CW Lasern ist die Möglichkeit des Frame-straddling. Dadurch können höhere Geschwindigkeiten durch die Verwendung von kleineren Interframe-Zeiten gemessen werden. Der minimale interframe Abstand beträgt 10 µs, die minimale Pulslänge 5 µs. Pulsraten von 200 kHz sind möglich bei einem maximalen Dutycycle von 50%. 

Generelle Anmerkungen zu gepulsten Diodenlasern:

  • Mit gepulsten Lasern können deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten gemessen werden als mit CW-Lasern - auch in Kombination mit Kameras mit geringer Framerate. Dies wird durch "frame straddling" ermöglicht. So kann z.B. mit der 5 Hz, 25 Megapixel pco.panda eine Geschwindigkeit bis 20 m/s gemessen werden (in Wasser). Mit der 1000 Hz, 1.2 Megapixel Chronos 1.4 wäre bei CW-Lasern spätestens bei einer Geschwindigkeit von 2 m/s Schluss. Mit einem gepulsten Laser sind unter gleichen Bedingungen Geschwindigkeiten bis 40 m/s (in Wasser) möglich.
  • Die Helligkeit wird durch die Pulslänge bestimmt. Bei kleineren Pulslängen (höhere Strömungsgeschwindigkeiten) ist weniger Licht verfügbar. Das verringert die ausleuchtbare Fläche, und limitiert die maximale Geschwindigkeit die gemessen werden kann.
  • Die Pulslänge wird durch die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Bei hohen Geschwindigkeiten muss die Pulslänge verringert werden um möglichst wenig Bewegungsunschärfe der Partikel im Bild zu erhalten.
  • Die Interframe-Zeit (Pulsabstand) limitiert die Pulslänge: Die Pulslänge muss immer kleiner sein als die Interframe-Zeit
  • Bei Verwendung kleiner Partikel (z.B. 1 µm DEHS in Luft) wird deutlich weniger Licht reflektiert als bei größeren Partikeln (z.B. 10 oder 50 µm Polyamid in Wasser). Weniger reflektiertes Licht bedeutet, dass längere Laserpulse verwendet werden müssen. Dies reduziert die maximal messbare Geschwindigkeit.

Einfaches Setup des PIV Systems

40 W Modul, LED Modul und 5 W Modul (vlnr)

Frame-straddling erlaubt die Vermessung von hohen Fluidgeschwindigkeiten.

Das Timing und die Pulslänge werden aus PIVlab gesteuert. Die Pulslänge wird in Prozent der Interframezeit angegeben.

Typisches Lichtsignal der Lasersysteme, aufgenommen per Photodiode und Oszilloskop.

Das PIV System in Aktion:

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