CN104374440B - 一种基于回音壁模式的微量液体流量计及其制作使用方法 - Google Patents
一种基于回音壁模式的微量液体流量计及其制作使用方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104374440B CN104374440B CN201410658097.5A CN201410658097A CN104374440B CN 104374440 B CN104374440 B CN 104374440B CN 201410658097 A CN201410658097 A CN 201410658097A CN 104374440 B CN104374440 B CN 104374440B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro
- capillary
- gallery
- whispering
- optical fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Abstract
本发明公开了一种基于回音壁模式的液体微量流量计及其制作使用方法，属于传感技术领域。该液体微量流量计包括毛细管、微光纤、三维位移台、光纤锥、扫描激光器、光谱分析仪和泵浦激光器。毛细管既充当液体流通通道又能激发回音壁模式；微光纤处于毛细玻璃管垂直方向，用于回音壁模式的激发和收集；光纤锥伸入毛线管内部可对液体加热，具有加热效果明显，体积小的特点；三维位移台可用于调节微光纤和光纤锥相对于毛细玻璃管的相对位置。本发明提供的液体微量流量计操作简单，成本低廉，测量精度高，适用于微流控芯片内部的实时流量测量。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于回音壁模式的微量液体流量计及其制作和使用方法。
背景技术
回音壁模式(Whisper gallery mode,WGM)最初是在19世纪由Lord Rayleigh为解释声音在回音壁中的传播现象而提出的。光学微腔中的回音壁模式类似于声学中的回音壁模式，从几何光学的角度看其基本原理是光学微腔和周围介质的折射率差异引起光的全内反射而使得光可以几乎无损耗地在光学微腔内存在；从波动光学的角度来看WGM模式就是光在微腔内的干涉现象。满足干涉条件的光波模式被限制到微腔内部，从而在光谱上产生一个吸收峰。由于回音壁模式具有Q值高，模式体积小、体积小等优点在激光、非线性光学、量子电动力学等领域都有诸多应用。全反射在微腔和周围介质的界面上会产生大量的疏逝场。这些暴露在微腔外部的疏逝场在受到外界环境(如生物样品)的作用下会经历相位变化，从而导致了光谱中干涉峰的漂移。因此WGM特别适合于传感领域。现在已经有大量基于WGM的传感器出现。
生物微流控芯片技术已经广泛应用于生物医学、高通量药物合成筛选、食品卫生和环境监测等诸多领域。然而可用于微流控芯片的实时流量测量方法还不成熟。传统的流量计大多基于力学原理，如差压式、转子式、涡轮式等。基于力学效应的流量计在大流量情形下是非常适合的，但是很难应用于微量流量的测量。微机电系统(MEMS)的出现为微量流量测量提供了一种解决方案，如Czaplewski D.A等(A micromechanical flow sensor formicrofluidic applications[J].Microelectromechanical Systems,Journal of,2004,13(4):576-585.)提出了一种通过测量微机械板在流体冲击下的偏转来测量流速的方法，该方法在微流芯片的流速测量中表现出了比较良好的性能；但是，该方法的微机械结构制作比较复杂，无疑增加了制作成本。另外Lien V等(Microfluidic flow rate detectionbased on integrated optical fiber cantilever[J].Lab on a Chip,2007,7(10):1352-1356.)提出了一种具有宽动态范围的流量测量方法，但是其强度解调方式限制了其测量精度和灵敏度。
发明内容
本发明针对背景技术中提到的缺陷，提供一种基于回音壁模式的微量液体流量计，该微量液体流量计具有结构简单、成本低廉、测量精度高等特点。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于回音壁模式的微量液体流量计，其结构如图1和图2所示，包括毛细管1、微光纤2、光纤锥3、扫描激光器4、光谱分析仪5、泵浦激光器6，光纤锥3的锥尖伸入毛细管1内部且不与毛细管1的内壁接触，光纤锥3的另一端与泵浦激光器6相连，毛细管1的远离光纤锥3的一端是待测液体流入端；所述微光纤2的两端分别与扫描激光器4和光谱分析仪5相连；所述微光纤2与毛细管1的外管壁接触且二者相互垂直；
由泵浦激光器6发出的激光能量经由光纤锥3被待测液体吸收并转换为热能，同时，液体的流动带走了热能；因此，泵浦激光和液体流动的综合作用改变了液体温度，进而改变液体的折射率，结合所述回音壁模式的原理，液体折射率的改变将导致微光纤2中激光波长的漂移，故通过检测微光纤2中激光的波长漂移情况就可得到液体流量。
所述基于回音壁模式的微量液体流量计的使用方法具体包括以下步骤：
步骤一：打开扫描激光器4和光谱分析仪5，泵浦激光器6处于关闭状态；微量液体以指定流量流经毛细管1，从光谱分析仪上5可得到微光纤透射谱中明显的吸收峰，选定其中一个吸收峰，记录其光谱位置；
步骤二：打开泵浦激光器6，记录光谱分析仪上5上步骤一选定的吸收峰目前的光谱位置，计算该吸收峰在泵浦激光器6由关闭转向接通后的光谱漂移量；
步骤三：指定微量液体以不同的流速流经毛细玻璃管1，并按照步骤一与步骤二的处理过程得到该液体在不同流量时同一吸收峰的光谱漂移量，由此得到如图3所示的微量液体流量与所述吸收峰的光谱漂移量之间的关系曲线；
步骤四：步骤一至步骤三完成了对待测微量液体的流量的标定；针对要测量其流量的微量液体，按照步骤一和步骤二的方法计算此时同一吸收峰的光谱漂移量，在步骤三所得的该液体的流量与所述吸收峰的光谱漂移量的关系曲线上找出与本步骤所得光谱漂移量相应的液体流量值，该液体流量值即为微量液体的瞬时流量值。
本发明还提供所述基于回音壁模式的微量液体流量计的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤一：采用化学腐蚀的方法将毛细管壁厚度腐蚀至4～11μm，得到可激发回音壁模式的毛细管1，将其固定于载物平台10上；
步骤二：采用熔融拉锥的方法将普通单模光纤拉至直径为3μm的微光纤2，并将微光纤2固定于三维位移平台7、8上；
步骤三：采用熔融拉锥的方法将普通单模光纤拉至直径为10～20μm的光纤锥3，并将其固定于三维位移平台9上；
步骤四：在显微镜下将光纤锥3的锥尖伸入毛细管1内且不与毛细管1的内壁接触；
步骤五：调节三维位移平台7、8使微光纤2移动至使其外壁与毛细管1外壁以垂直方式相接触。
本发明的有益效果是：
1.本发明利用回音壁模式对流速大小进行测量，可提高流速测量的精度；
2.本发明利用光纤锥对毛细管内的液体加热大大缩小了系统的体积，更利于系统的集成；
3.本发明提供的流量测量方法精度高，操作简单，成本低廉，可以大批量制作。
附图说明
图1为本发明提供的微量液体流量计的结构示意图；
图2为本发明提供的微量液体流量计中毛细管、微光纤和光纤锥部分的截面图；
图3为本发明具体实施方式的微量液体流量计提供的波长漂移量和流速的关系曲线；
其中，1：毛细管，2：微光纤，3：光纤锥，4：扫描激光器，5：光谱分析仪，6：泵浦激光器，7、8、9：三维位移台，10：载物平台，11：单模光纤。
具体实施方式
本实施方式以测量微量水的流量为例，提供一种基于回音壁模式的微量液体流量计及其制作和使用方法。
本实施方式提出的微量液体流量计的结构如图1和图2所示，包括毛细管1、微光纤2、光纤锥3、扫描激光器4、光谱分析仪5、泵浦激光器6，光纤锥2的锥尖伸入毛细管1内部且其不与毛细管1的内壁接触，光纤锥3的另一端与泵浦激光器6相连，毛细管1的远离光纤锥3的一端是液体流入端；所述微光纤2的两端均通过一段单模光纤11分别与扫描激光器4和光谱分析仪5相连；所述微光纤2与毛细管1的外管壁接触且二者相互垂直；所述微光纤2固定于三维位移平台7、8上，所述毛细管4固定于显微镜载物平台10上，所述光纤锥3固定于三维位移平台5上，通过调整三维位移平台7、8可调节所述微光纤2与毛细管1的相对位置，通过调整三维位移平台9可调节所述光纤锥3深入至毛细管1的深度。
本实施方式所述基于回音壁模式的微量液体流量计的制作方法具体包括以下步骤：
步骤1：采用化学腐蚀的方法将毛细管壁厚度腐蚀至4～11μm，得到可激发回音壁模式的毛细管1，将其固定于显微镜载物平台上；毛细管1的具体制作方法如下：取长度为2cm的毛细管，其内、外径分别为100μm、170μm，用棉擦拭毛细管至显微镜下观察表面无污渍；将毛线管用紫外胶固定于载玻片上，毛细管两端接内、外径分别为0.5mm和0.7mm的塑料软管，毛细管和塑料软管之间的空隙用紫外胶填充；将毛细管一端的塑料软管端接一个装有30ml、质量比5％的氢氟酸溶液的注射器，毛细管另一端的塑料软管浸入装有碳酸钙溶液的烧杯内；设置微量进样泵速率为20μl/min，启动微量进样泵；最后等待约11个小时后通入清水清洗可得到壁厚约为10μm的毛细管，然后将毛细管从中间折断待用；可通过适当延长腐蚀时间进一步减小毛细管壁的厚度；
步骤2：采用熔融拉锥的方法将普通单模光纤拉至直径为3μm的微光纤2，并将微光纤2固定于三维位移平台7、8上，同时，微光纤2的两端通过单模光纤11分别于扫描激光器4和光谱分析仪5连接；微光纤2的具体制作步骤如下：取一段长度为50cm的普通单模光纤，将其从中间区域的涂覆层剥去，剥去涂覆层区域的长度为2～3cm，并用脱脂棉擦拭干净后固定于拉丝装置上；点燃氢气火焰并使火焰刚好能使火焰顶端的光纤发红；设置拉丝速度5mm/s、加速度5mm/s2、拉丝长度2cm后启动拉丝装置；第一次拉丝完成后将拉丝装置退回0.5厘米再次设置好拉丝参数(速度5mm/s，加速度5mm/s2，拉丝长度2.5cm)，再次启动拉丝装置；二次拉丝过程完成后关闭火焰，取下成型的微光纤2；
步骤3：采用熔融拉锥的方法将普通单模光纤拉至直径为10～20μm的光纤锥3，并将其固定于三维位移平台9上；光纤锥3的具体制作方法如下：取一段长度为50cm的普通单模光纤，将其从中间剥去涂覆层，剥去涂覆层区域的长度为2～3cm，并用脱脂棉擦拭干净固定于拉丝装置上；其次，点燃氢气火焰并将火焰刚好能使火焰顶端的光纤发红；设置拉丝速度5mm/s、加速度5mm/s2、拉丝长度2cm后启动拉丝装置；拉丝完成后取下微光纤，将微光纤拉断得到光纤锥3；
步骤4：将光纤锥3的锥尖伸入毛细管1内0.5cm处，且锥尖不与毛细管1的内壁接触；
步骤5：调节三维位移平台7、8使微光纤2移动至其外壁与毛细管1外壁以垂直方式相接触，且微光纤2与毛细管1的接触点距离光纤锥3的锥尖30μm。
所述基于回音壁模式的微量液体流量计的使用方法具体包括以下步骤：
步骤一：打开扫描激光器4和光谱分析仪5，泵浦激光器6处于关闭状态；微量水以指定流量流经毛细玻璃管1，从光谱分析仪上5可得到微光纤透射谱中明显的吸收峰，选择其中一个吸收峰，记录其光谱位置；
步骤二：打开泵浦激光器6，将其功率调至65mW，记录光谱分析仪上5上步骤一选用的吸收峰目前的光谱位置，计算该吸收峰在泵浦激光器6由关闭转向接通后的光谱漂移量；
步骤三：指定微量水以不同的流速流经毛细玻璃管1，并按照步骤一与步骤二的处理过程得到该液体在不同流量时同一吸收峰的光谱漂移量，由此得到如图3所示的微量水的流量与所述吸收峰的光谱漂移量之间的关系曲线；
步骤四：针对要测量其流量的微量水，按照步骤一和步骤二的方法计算此时同一吸收峰的光谱漂移量，在步骤三所得的水的流量与所述吸收峰的光谱漂移量的关系曲线上找出与本步骤所得光谱漂移量相应的流量值，该流量值即为微量水的瞬时流量值。
Claims (7)
1.一种基于回音壁模式的微量液体流量计，包括毛细管(1)、微光纤(2)、光纤锥(3)、扫描激光器(4)、光谱分析仪(5)、泵浦激光器(6)，其特征在于，所述光纤锥(3)的锥尖伸入毛细管(1)内部且不与毛细管(1)的内壁接触，光纤锥(3)的另一端与泵浦激光器(6)相连，毛细管(1)的远离光纤锥(3)的一端是待测液体流入端；所述微光纤(2)的两端分别与扫描激光器(4)和光谱分析仪(5)连接；所述微光纤(2)与毛细管(1)的外管壁接触且两者相互垂直。
2.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的微量液体流量计，其特征在于，还包括三维位移平台(7、8、9)和载物平台(10)；所述微光纤(2)固定于三维位移平台(7、8)上，所述毛细管(1)固定于载物平台(10)上，所述光纤锥(3)固定于三维位移平台(9)上；通过调整三维位移平台(7、8)可调节所述微光纤(2)与毛细管(1)的相对位置，通过调整三维位移平台(9)可调节所述光纤锥(3)深入至毛细管(1)的深度。
3.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的微量液体流量计，其特征在于，所述光纤锥(3)的锥尖伸入至毛细管(1)内0.5cm处。
4.根据权利要求1所述的基于回音壁模式的微量液体流量计，其特征在于，所述微光纤(2)与毛细管(1)外壁的接触点距离所述光纤锥(3)的锥尖30μm。
5.根据权利要求3或4所述的基于回音壁模式的微量液体流量计，其特征在于，所述毛细管(1)的管壁厚度为4～11μm。
6.如权利要求1所述的基于回音壁模式的微量液体流量计的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：打开扫描激光器(4)和光谱分析仪(5)，泵浦激光器(6)处于关闭状态；微量液体以指定流量流经毛细管(1)，从光谱分析仪(5)上可得到微光纤透射谱中明显的吸收峰，选定其中一个吸收峰，记录其光谱位置；
步骤二：打开泵浦激光器(6)，记录光谱分析仪(5)上步骤一选定的吸收峰当前的光谱位置，计算该吸收峰在泵浦激光器(6)由关闭转向接通后的光谱漂移量；
步骤三：指定微量液体以不同的流速流经毛细玻璃管(1)，并按照步骤一与步骤二的处理过程得到该液体在不同流量时同一吸收峰的光谱漂移量，由此得到微量液体流量与所述吸收峰的光谱漂移量之间的关系曲线；
步骤四：步骤一至步骤三完成了对待测微量液体流量的标定；针对要测量其流量的微量液体，按照步骤一和步骤二的方法计算当前同一吸收峰的光谱漂移量，在步骤三所得的该液体的流量与所述吸收峰的光谱漂移量的关系曲线上找出与本步骤所得光谱漂移量相应的液体流量值，该液体流量值即为微量液体的瞬时流量值。
7.如权利要求1所述的基于回音壁模式的微量液体流量计的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：采用化学腐蚀的方法将毛细管壁厚度腐蚀至4～11μm，得到可激发回音壁模式的毛细管(1)，将其固定于载物平台(10)上；
步骤二：采用熔融拉锥的方法将普通单模光纤拉至直径为3μm的微光纤(2)，并将微光纤(2)固定于三维位移平台(7、8)上；
步骤三：采用熔融拉锥的方法将普通单模光纤拉至直径为10～20μm的光纤锥(3)，并将其固定于三维位移平台(9)上；
步骤四：调节三维位移平台(9)，使光纤锥(3)的锥尖伸入毛细管(1)内且不与毛细管(1)的内壁接触；
步骤五：调节三维位移平台(7、8)使微光纤(2)移动至使其外壁与毛细管(1)外壁以垂直方式相接触。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410658097.5A CN104374440B (zh) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | 一种基于回音壁模式的微量液体流量计及其制作使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410658097.5A CN104374440B (zh) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | 一种基于回音壁模式的微量液体流量计及其制作使用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104374440A CN104374440A (zh) | 2015-02-25 |
| CN104374440B true CN104374440B (zh) | 2017-07-07 |
Family
ID=52553493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410658097.5A Expired - Fee Related CN104374440B (zh) | 2014-11-18 | 2014-11-18 | 一种基于回音壁模式的微量液体流量计及其制作使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104374440B (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106323393B (zh) * | 2016-08-31 | 2018-12-18 | 电子科技大学 | 一种基于光操控的双模式微量液体流量计 |
| CN106814185B (zh) * | 2017-01-11 | 2018-05-08 | 东南大学 | 一种基于回音壁模式微腔阵列的微流控检测芯片 |
| CN107589275B (zh) * | 2017-08-02 | 2020-01-14 | 电子科技大学 | 一种基于光微流染料激光的流速传感方法及装置 |
| DE102017120941A1 (de) | 2017-09-11 | 2019-03-14 | Endress + Hauser Wetzer Gmbh + Co. Kg | Thermisches Durchflussmessgerät |
| CN109855760B (zh) * | 2019-02-15 | 2021-03-30 | 哈尔滨工程大学 | 一种回音壁模式谐振腔温度传感器及制备方法 |
| CN110554211B (zh) * | 2019-08-06 | 2022-07-26 | 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 | 一种基于光微流微腔的流速计及测量方法 |
| CN112113923A (zh) * | 2020-09-24 | 2020-12-22 | 中山大学 | 一种基于回音壁模式微泡腔耦合co2传感器及制作方法 |
| CN113218463B (zh) * | 2021-05-08 | 2023-12-12 | 安图实验仪器(郑州)有限公司 | 微流控芯片微孔液量测量方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1819376A (zh) * | 2006-02-20 | 2006-08-16 | 浙江大学 | 微光纤环形结光学谐振腔 |
| CN101038355A (zh) * | 2007-04-20 | 2007-09-19 | 浙江大学 | 基于微光纤环形结谐振腔的全光纤add－drop滤波器 |
| CN101055277A (zh) * | 2007-05-15 | 2007-10-17 | 浙江大学 | 基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器及其方法 |
| CN102012366A (zh) * | 2010-11-03 | 2011-04-13 | 北京理工大学 | 一种基于沸石膜光纤谐振腔的生物化学传感器 |
| CN103983435A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-13 | 香港理工大学深圳研究院 | 微纳光纤微型实验结构及其制作方法和测量仪 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7742167B2 (en) * | 2005-06-17 | 2010-06-22 | Perkinelmer Health Sciences, Inc. | Optical emission device with boost device |
-
2014
- 2014-11-18 CN CN201410658097.5A patent/CN104374440B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1819376A (zh) * | 2006-02-20 | 2006-08-16 | 浙江大学 | 微光纤环形结光学谐振腔 |
| CN101038355A (zh) * | 2007-04-20 | 2007-09-19 | 浙江大学 | 基于微光纤环形结谐振腔的全光纤add－drop滤波器 |
| CN101055277A (zh) * | 2007-05-15 | 2007-10-17 | 浙江大学 | 基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器及其方法 |
| CN102012366A (zh) * | 2010-11-03 | 2011-04-13 | 北京理工大学 | 一种基于沸石膜光纤谐振腔的生物化学传感器 |
| CN103983435A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-13 | 香港理工大学深圳研究院 | 微纳光纤微型实验结构及其制作方法和测量仪 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104374440A (zh) | 2015-02-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104374440B (zh) | 一种基于回音壁模式的微量液体流量计及其制作使用方法 | |
| CN203479701U (zh) | 一种光纤传感器及测量系统 | |
| CN105115939A (zh) | 一种基于锥形多模干涉的高灵敏度光纤甲烷传感装置 | |
| CN103398974B (zh) | 一种光纤传感器、制备方法及测量系统 | |
| CN105716548A (zh) | 微波微扰法测量湿度传感器内壁水膜厚度的系统和方法 | |
| CN109855760A (zh) | 一种回音壁模式谐振腔温度传感器及制备方法 | |
| CN103267543A (zh) | 显微粒子图像微流量测量仪及方法 | |
| CN111077112A (zh) | 基于表面等离子体的回音壁模式球状光学微腔折射率传感器及测量装置 | |
| Ju et al. | Microfluidic flow meter and viscometer utilizing flow-induced vibration on an optic fiber cantilever | |
| CN106066313A (zh) | 分布式表面等离子体共振光纤传感器及用于液体折射率测量的方法 | |
| CN107907491B (zh) | 一种光纤传感器及其检测平台和方法 | |
| CN111610343A (zh) | 一种光纤微流流速传感器 | |
| Pevec et al. | Miniature fiber-optic Pitot tube sensor | |
| CN108981810A (zh) | 一种新型光纤f-p腔传感器件的制备方法 | |
| CN109612967A (zh) | 基于马赫-曾德干涉的微纳光纤生物传感器及其制备方法 | |
| CN104776954A (zh) | 一种光激励光纤光栅悬臂梁谐振子真空度传感器 | |
| CN109374923B (zh) | 一种光纤流速传感器 | |
| CN103424359B (zh) | 一种超薄壁微管制作装置及其制作方法 | |
| CN108918910A (zh) | 一种监控二维材料悬浮液或凝胶移动速率的方法 | |
| CN209978960U (zh) | 同时检测温度与湿度的光纤传感器 | |
| CN108717116A (zh) | 一种基于光流控毛细管微腔的淋巴细胞生物光学传感器及其传感方法 | |
| CN208921147U (zh) | 一种光纤喷头式微流体多参数测量装置 | |
| CN113238075B (zh) | 一种基于光纤光镊技术的流速计 | |
| CN107084752B (zh) | 基于纳米金膜的光纤微气泡浓度传感器及其传感方法 | |
| Gerbino et al. | Local void fraction and fluid velocity measurements in a capillary channel with a single optical probe |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170707 Termination date: 20191118 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |