CN103116035B - 基于嵌入式双芯pcf的mems多普勒测速方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式双芯PCF的MEMS多普勒测速方法和装置。本发明提出采用嵌入式双芯光子晶体光纤实现MEMS微通道内微粒速度的测量。利用双芯光子晶体光纤的两个导光纤芯实现传输光路，可以获得两路相干光，完全可以取代传统的两路分离光束方式，使得测量探头和装置实现微型化。并且把双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS芯片中，去掉装置不稳定和背景光的干扰。由于光纤出射端面光束的发散角较大，因此可以获得较大的干涉控制体的体积，使测量区域获得放大，提高测量空间范围。

Description

基于嵌入式双芯PCF的MEMS多普勒测速方法和装置

技术领域

本发明属于微流体速度测量技术领域，涉及一种基于双芯光子晶体光纤的多普勒测速方法和装置。

背景技术

目前，激光测速系统中有三种常见的检测模式，分别为参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。双光束-双散射模式的测量结果不受接收方向的影响，因为被广泛使用。通常，大多数双光束-双散射模式的测量装置均为利用分光镜分束和平面镜反射而形成两束光，满足干涉条件的两束光产生干涉现象。但干涉场形成的难度较大，并且所测量物体很难刚好通过干涉场，测量控制体的体积较小，测量区域受到一定的限制。根据多普勒测速原理可知                                               ，其中是待测速度在垂直于干涉条纹方向的分量，为激光器入射光波长，为多普勒频移量，为两束干涉光夹角的半角。因此通过测量两束干涉光束的夹角和分析采集并处理后的频谱信号便能确定速度。

由于采用分光镜分束和全反镜反射方式获得两束相干光，而且接收单元包括接收透镜、孔径光阑、针对光阑等调光器件，其光路调整相当复杂和繁琐。而且需要保证两束光在光电探测器上实现外差检测，因此，整个系统复杂、装置庞大、调试困难、难以获得良好的相干条件和外差条件，从而难以满足测量精度。

为了简化装置，后来提出了光纤多普勒测速系统。该系统采用光纤来传输激光束，还可以使用多束光纤形成多路光，可以获得更多的速度信息。但该系统仍然仅能用于宏观流动流速的测试，难以满足MEMS系统的测量要求。

发明内容

为了克服现在激光多普勒测速装置不易微型化、控制体较小及测量精度不高等缺点。本发明提出采用嵌入式双芯光子晶体光纤实现MEMS微通道内微粒速度的测量。利用双芯光子晶体光纤的两个导光纤芯实现传输光路，可以获得两路相干光，完全可以取代传统的两路分离光束方式，使得测量探头和装置实现微型化。并且把双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS芯片中，去掉装置不稳定和背景光的干扰。由于光纤出射端面光束的发散角较大，因此可以获得较大的干涉控制体的体积，使测量区域获得放大，提高测量空间范围。

本发明采用测量干涉条纹间距的方法，同时采集和分析频谱信号来获得多普勒频移量，再通过简单的计算，便能获得微粒运动速度。

本发明方法步骤如下：

（1）把双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS中，使双芯光子晶体光纤出射端面与MEMS中微通道的壁面平齐。

（2）调节双芯光子晶体光纤获得相干光，使得双芯光子晶体光纤的双芯出射光相干，形成清晰的等间距的干涉条纹。

（3）调节双芯光子晶体光纤使得形成的干涉条纹方向垂直于微通道轴线方向。

（4）通过对干涉条纹成像，分析干涉条纹图像获得随条纹间距变化的光强分布图。

（5）利用标尺对条纹间距进行标定，获得在接收位置处干涉条纹的间距。

（6）当运动微粒通过干涉条纹时而散射，使入射光发生多普勒频移，利用光电探测器接收散射光信号，并进行信号处理和傅里叶变换获得多普勒频移量。

（7）通过获得的在接收位置处干涉条纹间距和多普勒频移量计算出垂直于干涉条纹方向的速度，即微粒在微通道轴线方向的运动速度。

本发明装置包括激光光源、激光驱动器、精密光纤耦合器、第一传输光纤、第一光纤适配器、双芯光子晶体光纤、MEMS芯片、多模光纤、第二光纤适配器、第二传输光纤、光纤耦合器、透镜、CCD检测元件、光电探测器、图像采集卡、数据采集卡和计算机。

所述的激光光源在激光驱动器的作用下发出的光依次经过精密光纤耦合器、第一传输光纤、第一光纤适配器进入双芯光子晶体光纤；精密光纤耦合器把入射的激光耦合进入第一传输光纤，第一传输光纤的出射端面通过第一光纤适配器与双芯光子晶体光纤连接在一起。

所述的双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS芯片中，双芯光子晶体光纤的出射端面与MEMS芯片中微通道壁面平齐；多模光纤布置在双芯光子晶体光纤的微通道同侧，用于接收微粒后向散射光；多模光纤与双芯光子晶体光纤固定在一起，多模光纤入射端面与双芯光子晶体光纤出射端面保持平齐。

所述的从多模光纤接收到的光经过第二光纤适配器、第二传输光纤和光纤耦合器分为两路等强度的光。一路通过透镜后进入CCD检测元件和图像采集卡，并把图像信号送入计算机进行图像处理、显示和存储；另一路通过光电探测器和数据采集卡，也把信号送入计算机进行数据处理、显示和存储；多模光纤的出射端面经第二光纤适配器与第二传输光纤入射端面连接在一起；光电探测器电信号输出端连接至数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接至计算机。CCD检测元件连接至图像采集卡的输入端，图像采集卡的输出端连接至计算机。

所述的双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS芯片中，双芯的连线方向与MEMS芯片中微通道的轴线方向平行，可以获得微粒在微通道轴线方向的运动速度。

所述的激光器可以是各种形式的激光器，由于光子晶体光纤为无截止波长单模传输型光纤，因此可以采用任何波长的相干光束。

所述的光电探测器可以为光电倍增管、雪崩二极管，也可采用光子计数器。

本发明可以实现MEMS微通道内微粒速度测量，为微流量分析研究提供了必要手段。该装置可应用于微观的测量，包括机械、能源、化工、生物和医药等领域。而且，稍加改变可应用于宏观的流场测试分析领域。

与现有技术相比较，本发明提出的嵌入式双芯光子晶体光纤的MEMS微通道多普勒测速方法和装置，采用双芯光子晶体光纤和后向散射测量方式，使得测量探头微型化，易于嵌入至MEMS芯片中。不仅简化了入射单元，而且也大大简化了接收单元，大大提高了测量系统的简易性，降低了系统成本，而且同时实现高精度的流速测量，应用于微米量级的系统测试。

附图说明

图1为本发明的结构示意框图；

图2双芯光子晶体光纤干涉原理及多模光纤接收图；

图3基于双芯光子晶体光纤形成的干涉条纹图。

具体实施方式

下面结合附图及最佳实施对本发明进行详尽的描述。

本发明方法步骤如下：

（1）把双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS中，使光子晶体光纤出射端面与MEMS中微通道的壁面平齐；（2）调节双芯光子晶体光纤获得相干光，使得双芯光子晶体光纤的双芯出射光相干，形成清晰的等间距的干涉条纹；（3）调节双芯光子晶体光纤使得形成的干涉条纹方向垂直于微通道轴线方向；（4）通过对干涉条纹成像，分析干涉条纹图像获得随条纹间距变化的光强分布图；（5）利用标尺对条纹间距进行标定，获得在接收位置处干涉条纹的间距；（6）当运动微粒通过干涉条纹时而散射，使入射光发生多普勒频移，利用光电探测器接收散射光信号，并进行信号处理和傅里叶变换获得多普勒频移量。（7）通过获得的在接收位置处干涉条纹间距和多普勒频移量计算出垂直于干涉条纹方向的速度，即微粒在微通道轴线方向的运动速度。

如图1所示，基于嵌入式双芯光子晶体光纤的MEMS微通道多普勒测速装置，包括激光光源1、激光驱动器20、精密光纤耦合器3（内含有透镜2）、第一传输光纤4、第一光纤适配器5、双芯光子晶体光纤6、MEMS芯片7、多模光纤10、第二光纤适配器11、第二传输光纤12、光纤耦合器13、透镜14、CCD检测元件15、光电探测器16、图像采集卡17、数据采集卡18和计算机19。激光光源1在驱动器20的作用下发出的光依次经过精密光纤耦合器、第一传输光纤4、第一光纤适配器5进入双芯光子晶体光纤6；双芯光子晶体光纤6嵌入到MEMS芯片7中，其光子晶体光纤6的出射端面保持与MEMS芯片7中的微通道9的壁面平齐；由于双芯光子晶体光纤6的双芯均具有导光作用，所以可以获得相干的两束光，在双芯光子晶体光纤6出射端的一段空间范围内，这两束相干光发生干涉，形成干涉场而呈现明暗相间的干涉条纹。

当微粒8进入干涉场的明暗条纹时，微粒8会散射入射光，该散射光呈现一定的亮暗频率。多模光纤10布置在双芯光子晶体光纤7的微通道9同侧，并且紧贴着双芯光子晶体光纤7，接收微粒8的后向散射光。从多模光纤10接收到的光经过第二光纤适配器11、第二传输光纤12和光纤耦合器13分为两路等强度的光，一路通过透镜14后进入CCD检测元件15和图像采集卡17，并把干涉条纹图像信号送入计算机19进行图像处理、显示和存储。

另一路通过光电探测器16和数据采集卡18，也把信号送入计算机19进行数据处理，获得频谱信号，并显示和存储。通过检测标定干涉条纹的间距和采集多普勒频谱信号，便能计算出微粒垂直于干涉条纹方向的运动速度。

本发明基于双芯光子晶体光纤测量MEMS微通道内微粒速度的多普勒测速原理如下：

本发明的设计方法也为多普勒双光束-双散射模式，其原理示意图如图2所示。从同一激光器发出的两束光经分束后同时照射到运动的物体上，在某一方向上的散射光被光电探测器所接收。由于微粒很小，后向散射的光较强，因此多模光纤与光子晶体光纤固定在一起，接收接近180^o方向上的后向散射光。由于光源与探测器固定，其入射光方向和接收光方向保持不变，当微粒发生运动时，会使入射光频率发生多普勒频移，其频移量为：

                                         (1)

其中为激光波长，为微通道内流体介质折射率，为微粒的运动速度，为两束相干光夹角的半角。因为微粒的瞬时运动速度为：

                                                              (2)

双芯光子晶体光纤的干涉原理可借助于杨氏双缝干涉原理来解释，即为双芯光子晶体光纤的干涉原理图。因此干涉条纹间距为：

                                   (3)

将式(3)代入式(2)得：

                                            (4)

因此，通过测量干涉条纹间距和多普勒频移量便获得微粒运动速度。

干涉条纹间距可根据CCD拍摄并处理后的干涉条纹图像和CCD拍摄并处理后的标尺图像进行比对，从而完成干涉条纹间距的标定。

本发明中的实施方案中所采用的双芯光子晶体结构参数为：两纤芯直径为3.8um，硅包层直径为125um，空气孔直径为为2.05um，孔间距为3.67um，纤芯中心距为7.33um。

当入射光为632.8nm波长的相干光时，基于双芯光子晶体光纤形成的干涉条纹经采集并处理后的条纹图见图3。通过标定后，干涉条纹的间距约为0.49mm。

而后，通过光电探测器和数据采集卡采集时域数据送至计算机进行傅里叶变换分析，可获得频谱信号，从而测出多普勒频移漂移量。因此通过公式(4)计算出微粒运动速度，由于该速度方向垂直干涉条纹方向，而干涉条纹方向与微通道轴线方向垂直，因此计算出的速度即为微粒在微通道内沿轴向方向的运动速度。

可见，本发明提出的嵌入式双芯光子晶体光纤的MEMS微通道多普勒测速方法和装置，采用双芯光子晶体光纤和后向散射测量方式，使得测量探头微型化，易于嵌入至MEMS芯片中。不仅简化了入射单元，而且也大大简化了接收单元，大大提高了测量系统的简易性，降低了系统成本，而且同时实现高精度的流速测量，应用于微米量级的系统测试。

Claims (3)

1.基于嵌入式双芯PCF的MEMS多普勒测速方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）把双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS中，使双芯光子晶体光纤出射端面与MEMS中微通道的壁面平齐；

（2）调节双芯光子晶体光纤获得相干光，使得双芯光子晶体光纤的双芯出射光相干，形成清晰的等间距的干涉条纹；

（3）调节双芯光子晶体光纤使得形成的干涉条纹方向垂直于微通道轴线方向；

（4）通过对干涉条纹成像，分析干涉条纹图像获得随条纹间距变化的光强分布图；

（5）利用标尺对条纹间距进行标定，获得在接收位置处干涉条纹的间距；

（6）当运动微粒通过干涉条纹时发生散射，使入射光发生多普勒频移，利用光电探测器接收散射光信号，并进行信号处理和傅里叶变换获得多普勒频移量；

（7）通过获得的在接收位置处干涉条纹间距和多普勒频移量计算出垂直于干涉条纹方向的速度，即微粒在微通道轴线方向的运动速度。

2.基于嵌入式双芯PCF的MEMS多普勒测速装置，包括激光光源、激光驱动器、精密光纤耦合器、第一传输光纤、第一光纤适配器、双芯光子晶体光纤、MEMS芯片、多模光纤、第二光纤适配器、第二传输光纤、光纤耦合器、透镜、CCD检测元件、光电探测器、图像采集卡、数据采集卡和计算机，其特征在于：

激光光源在激光驱动器的作用下发出的光依次经过精密光纤耦合器、第一传输光纤、第一光纤适配器进入双芯光子晶体光纤；

双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS芯片中，双芯光子晶体光纤的出射端面与MEMS芯片中微通道壁面平齐；多模光纤布置在双芯光子晶体光纤的微通道同侧，用于接收微粒后向散射光；多模光纤与双芯光子晶体光纤固定在一起，多模光纤入射端面与双芯光子晶体光纤出射端面保持平齐；

从多模光纤接收到的光经过第二光纤适配器、第二传输光纤和光纤耦合器分为两路等强度的光；一路通过透镜后进入CCD检测元件和图像采集卡，并把图像信号送入计算机进行图像处理、显示和存储；另一路通过光电探测器和数据采集卡，也把信号送入计算机进行数据处理、显示和存储。

3.根据权利要求2所述的基于嵌入式双芯PCF的MEMS多普勒测速装置，其特征在于：所述的光电探测器可以为光电倍增管、雪崩二极管，也可采用光子计数器。