本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域和微流速測量領(lǐng)域,具體涉及到一種基于光纖F-P腔的微流速光學(xué)測量裝置。該測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作方便,可實(shí)現(xiàn)對(duì)組織液、生命體等微流體流速進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的測量。
背景技術(shù):
近年來,隨著生物、化學(xué)、材料等學(xué)科的飛速發(fā)展,經(jīng)常需要對(duì)微流體的流速進(jìn)行控制,微流體流速檢測技術(shù)作為科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵支撐技術(shù)得到了人們越來越多的關(guān)注。
常見微流速的測量方法包括稱重法和移液管體積法,該類方法是在微流體每流經(jīng)一個(gè)刻度體積時(shí)計(jì)時(shí)一次,一次實(shí)驗(yàn)取若干個(gè)刻度點(diǎn),平行測量若干次,取其平均流速。上述測量方法應(yīng)用范圍廣,但系統(tǒng)測量誤差較大、靈敏度較低,且易受外界環(huán)境(如風(fēng)速、濕度等)的影響,特別的,該類方法對(duì)組織液、生命體等微流體方面的微流速測量精度差,因而在實(shí)際微流速測量應(yīng)用中受到較大的限制。
為了解決傳統(tǒng)微流速測量的誤差較大、靈敏度較低等缺點(diǎn),本發(fā)明提出了一種基于光纖F-P腔的微流速光學(xué)測量裝置,采用空芯光纖結(jié)合被測液體構(gòu)成的光纖F-P腔,利用光纖F-P腔的長度隨微流體流速的不同而變化的特征,通過監(jiān)控輸出光譜的變化來達(dá)到微流體流速的測量。該裝置精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可長期重復(fù)使用,非常適合對(duì)組織液、微生物和生命體等微流速方面的測量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作方便的基于光纖F-P腔微流速光學(xué)測量裝置。
本發(fā)明的采用的技術(shù)方案為:
一種基于光纖F-P腔的微流速光學(xué)測量裝置,其特征是包括寬帶光源,光纖環(huán)形器,傳感光纖,傳感探頭,光譜儀;寬帶光源的輸出端與光纖環(huán)形器的輸入端相連,光纖環(huán)形器的第一輸出端與傳輸光纖相連,傳輸光纖與傳感探頭相連,光纖環(huán)形器的第二輸出端與光譜儀的輸入端相連。
本發(fā)明所述的寬帶光源的工作波長為1520nm-1570nm,空芯光纖的內(nèi)徑為10um,長度為1~10mm。
本發(fā)明的工作原理是:寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器后進(jìn)入到傳輸光纖,再經(jīng)由空芯光纖構(gòu)成的微流速傳感探頭進(jìn)行多次干涉,干涉后的光譜通過傳輸光纖和光纖環(huán)形器后進(jìn)入光譜儀顯示。上述的傳感探頭,其特征是傳輸光纖的末端連接一截空芯光纖,當(dāng)微流體流經(jīng)空芯光纖時(shí),空芯光纖的毛細(xì)效應(yīng)和微流體壓力的共同作用,使得空芯光纖中的空氣受到擠壓,形成光纖F-P腔。光纖F-P腔的長度會(huì)隨著微流體流速的不同而變化,最終導(dǎo)致輸出光譜的變化,通過光譜的變化可以測量出微流體的流速。
本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明僅僅通過普通的單模光纖和空芯光纖組成的傳感頭就可以實(shí)現(xiàn)微流體流速的測量,避免了傳統(tǒng)測量中由于數(shù)據(jù)處理帶來的誤差積累等缺點(diǎn)。
與傳統(tǒng)微流速測量方法相比,本發(fā)明更適用于組織液、生命體等微流體流速的測量,且測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低。
附圖說明
圖1是一種基于光纖F-P腔的微流速光學(xué)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
參見圖1所示,一種基于光纖F-P腔的微流體流速光學(xué)測量裝置,包括寬帶光源1,光纖環(huán)形器2,傳感光纖3,一截空芯光纖形成的傳感探頭4和光譜儀5。寬帶光源1的輸出端與光纖環(huán)形器2的輸入端相連,光纖環(huán)形器2的第一輸出端與傳輸光纖3相連,傳輸光纖3與傳感探頭4相連,光纖環(huán)形器2的第二輸出端與光譜儀5的輸入端相連。
上述的傳感探頭4,其特征是單模光纖末端連接一截空芯光纖,當(dāng)微流體通過空芯光纖,擠壓空芯光纖中的空氣,形成一個(gè)光纖F-P腔。當(dāng)微流體的流速不同時(shí),空芯光纖內(nèi)部空氣所受壓力不同,光纖F-P腔的長度也會(huì)隨之變化,即通過對(duì)輸出干涉譜的檢測,可得微流速的變化。
本發(fā)明基于以下原理:
由理想氣體狀態(tài)方程可知,光纖F-P腔中的空氣壓強(qiáng)P空氣可表示為:
其中,V=πr2L為光纖F-P腔中空氣的體積,L為光纖F-P腔的長度,n為空氣物質(zhì)的量,T為理想空氣的熱力學(xué)溫度,R為理想氣體常數(shù)。
當(dāng)微流體以一定微流速通過空芯光纖時(shí),其產(chǎn)生的壓強(qiáng)P微流體遵循流體機(jī)械能守恒定律,公式表示如下:
其中,W為微流體的速度,ρ為微流體密度,g為重力加速度,C為常數(shù)。
當(dāng)光纖F-P腔內(nèi)的空氣達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),即P空氣=P微流體,可計(jì)算出光纖F-P腔長度與微流體速度的關(guān)系如下:
由光纖F-P腔的干涉原理可知,輸出光譜的干涉條紋間距為:
將(3)帶入(4),并對(duì)公式(4)進(jìn)行微分,可以得到微流速變化與光纖F-P腔干涉譜的關(guān)系如下:
通過公式(5)可知,監(jiān)控干涉譜的變化可以反推出被測微流體的流速。