一種基於光纖f?p腔的微流速光學測量裝置的製造方法

2023-10-10 15:36:49

一種基於光纖f?p腔的微流速光學測量裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種基於光纖F?P腔的微流速光學測量裝置，整個裝置由寬帶光源、光纖環形器、由一截空芯光纖形成的傳感探頭和光譜儀構成；當待測微流體流經空芯光纖時，空芯光纖的毛細效應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腔的長度會隨著微流體流速的不同而變化，最終導致輸出光譜的變化，通過光譜的變化可以得出微流速的變化；本實用新型的優點在於：僅通過監控光譜變化就可以實現對微流速的測量，該方法結構簡單、操作方便、可用於諸如組織液、生命體等微流體的流速測量。
【專利說明】
-種基於光纖F-P腔的微流速光學測量裝置
技術領域
[0001] 本實用新型屬於光纖傳感領域和微流速測量領域，具體設及到一種基於光纖F-P 腔的微流速光學測量裝置。該測量裝置結構簡單、成本低、操作方便，可實現對組織液、生命 體等微流體流速進行實時連續的測量。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著生物、化學、材料等學科的飛速發展，經常需要對微流體的流速進行 控制，微流體流速檢測技術作為科學技術的一項關鍵支撐技術得到了人們越來越多的關 注。
[0003] 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 一個刻度體積時計時一次，一次實驗取若干個刻度點，平行測量若干次，取其平均流速。上 述測量方法應用範圍廣，但系統測量誤差較大、靈敏度較低，且易受外界環境(如風速、溼度 等)的影響，特別的，該類方法對組織液、生命體等微流體方面的微流速測量精度差，因而在 實際微流速測量應用中受到較大的限制。
[0004] 為了解決傳統微流速測量的誤差較大、靈敏度較低等缺點，本實用新型提出了一 種基於光纖F-P腔的微流速光學測量裝置，採用空忍光纖結合被測液體構成的光纖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徵，通過監控輸出光譜的變化來達 到微流體流速的測量。該裝置精度高、響應快、結構簡單、成本低、可長期重複使用，非常適 合對組織液、微生物和生命體等微流速方面的測量。

【發明內容】

[0005] 本實用新型的目的是提供了一種結構簡單、成本低、操作方便的基於光纖F-P腔微 流速光學測量裝置。
[0006] 本實用新型的採用的技術方案為：
[0007] -種基於光纖F-P腔的微流速光學測量裝置，其特徵是包括寬帶光源，光纖環形 器，傳感光纖，傳感探頭，光譜儀;寬帶光源的輸出端與光纖環形器的輸入端相連，光纖環形 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，光纖環形器的第二輸出端與 光譜儀的輸入端相連。
[000引本實用新型所述的寬帶光源的工作波長為1520nm-1570nm，空忍光纖的內徑為 IOum，長度為1~10mm。
[0009]本實用新型的工作原理是：寬帶光源發出的光經過光纖環形器後進入到傳輸光 纖，再經由空忍光纖構成的微流速傳感探頭進行多次幹設，幹設後的光譜通過傳輸光纖和 光纖環形器後進入光譜儀顯示。上述的傳感探頭，其特徵是傳輸光纖的末端連接一截空忍 光纖，當微流體流經空忍光纖時，空忍光纖的毛細效應和微流體壓力的共同作用，使得空忍 光纖中的空氣受到擠壓，形成光纖F-P腔。光纖F-P腔的長度會隨著微流體流速的不同而變 化，最終導致輸出光譜的變化，通過光譜的變化可W測量出微流體的流速。
[0010] 本發明的有益效果在於：
[0011] 本實用新型僅僅通過普通的單模光纖和空忍光纖組成的傳感頭就可W實現微流 體流速的測量，避免了傳統測量中由於數據處理帶來的誤差積累等缺點。
[0012] 與傳統微流速測量方法相比，本實用新型更適用於組織液、生命體等微流體流速 的測量，且測量精度高、結構簡單、操作方便、成本低。
【附圖說明】

[0013] 圖1是一種基於光纖F-P腔的微流速光學測量裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014] W下結合附圖與具體實施方案對本實用新型作進一步的描述：
[0015] 參見圖1所示，一種基於光纖F-P腔的微流體流速光學測量裝置，包括寬帶光源1， 光纖環形器2,傳感光纖3, 一截空忍光纖形成的傳感探頭4和光譜儀5。寬帶光源1的輸出端 與光纖環形器2的輸入端相連，光纖環形器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，光纖環形器2的第二輸出端與光譜儀5的輸入端相連。
[0016] 上述的傳感探頭4,其特徵是單模光纖末端連接一截空忍光纖，當微流體通過空忍 光纖，擠壓空忍光纖中的空氣，形成一個光纖F-P腔。當微流體的流速不同時，空忍光纖內部 空氣所受壓力不同，光纖F-P腔的長度也會隨之變化，即通過對輸出幹設譜的檢測，可得微 流速的變化。
[0017] 本實用新型基於W下原理：
[0018] 由理想氣體狀態方程可知，光纖F-P腔中的空氣壓強P巧可表示為：
[0019]
(1)
[0020] 其中，V = Jir2L為光纖F-P腔中空氣的體積，L為光纖F-P腔的長度，n為空氣物質的 量，T為理想空氣的熱力學溫度，R為理想氣體常數。
[0021] 當微流體W-定微流速通過空忍光纖時，其產生的壓強Pt?遵循流體機械能守恆 定律，公式表示如下：
[0022]
(2)
[0023] 其中，W為微流體的速度，P為微流體密度，g為重力加速度，C為常數。
[0024] 當光纖F-P腔內的空氣達到動態平衡時，即P巧=Pr曲淋，可計算出光纖F-P腔長度與 微流體速度的關係如下：
(3)
[0025]
[0026] 由光纖F-P腔的幹設原理可知，輸出光譜的幹設條紋間距為：
[0027]
(4)
[0028] 將(3)帶入(4)，並對公式(4)進行微分，可W得到微流速變化與光纖F-P腔幹設譜 的關係如下：
[0029]
(5)
[0030] 通過公式(5)可知，監控幹設譜的變化可W反推出被測微流體的流速。
【主權項】
1. 一種基於光纖F-P腔的微流速光學測量裝置，其特徵是包括寬帶光源（1)、光纖環形 器(2)、傳輸光纖(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 端與光纖環形器(2)的輸入端相連，光纖環形器(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，光纖環形器(2)的第二輸出端與光譜儀(5)的輸入端相連。2. 根據權利要求1所述的一種基於光纖F-P腔的微流速光學測量裝置，其特徵是寬帶光 源的工作波長為1520nm-1570nm〇3. 根據權利要求1所述的一種基於光纖F-P腔的微流速光學測量裝置，其特徵是空芯光 纖的內徑為l〇um，長度為1~10mm〇
【文檔編號】G01P5/26GK205720298SQ201620647175
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】王小蕾, 康娟, 程峰, 程一峰, 周曉影
【申請人】中國計量大學