CN106443061A - 一种基于光纤f‑p腔的微流速光学测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光纤F‑P腔的微流速光学测量装置，整个装置由宽带光源、光纤环形器、由一截空芯光纤形成的传感探头和光谱仪构成；当待测微流体流经空芯光纤时，空芯光纤的毛细效应和微流体压力的共同作用，使得空芯光纤中的空气受到挤压，形成光纤F‑P腔；光纤F‑P腔的长度会随着微流体流速的不同而变化，最终导致输出光谱的变化，通过光谱的变化可以得出微流速的变化；本发明的优点在于：仅通过监控光谱变化就可以实现对微流速的测量，该方法结构简单、操作方便、可用于诸如组织液、生命体等微流体的流速测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域和微流速测量领域，具体涉及到一种基于光纤F-P腔的微流速光学测量装置。该测量装置结构简单、成本低、操作方便，可实现对组织液、生命体等微流体流速进行实时连续的测量。
背景技术
近年来，随着生物、化学、材料等学科的飞速发展，经常需要对微流体的流速进行控制，微流体流速检测技术作为科学技术的一项关键支撑技术得到了人们越来越多的关注。
常见微流速的测量方法包括称重法和移液管体积法，该类方法是在微流体每流经一个刻度体积时计时一次，一次实验取若干个刻度点，平行测量若干次，取其平均流速。上述测量方法应用范围广，但系统测量误差较大、灵敏度较低，且易受外界环境(如风速、湿度等)的影响，特别的，该类方法对组织液、生命体等微流体方面的微流速测量精度差，因而在实际微流速测量应用中受到较大的限制。
为了解决传统微流速测量的误差较大、灵敏度较低等缺点，本发明提出了一种基于光纤F-P腔的微流速光学测量装置，采用空芯光纤结合被测液体构成的光纤F-P腔，利用光纤F-P腔的长度随微流体流速的不同而变化的特征，通过监控输出光谱的变化来达到微流体流速的测量。该装置精度高、响应快、结构简单、成本低、可长期重复使用，非常适合对组织液、微生物和生命体等微流速方面的测量。
发明内容
本发明的目的是提供了一种结构简单、成本低、操作方便的基于光纤F-P腔微流速光学测量装置。
本发明的采用的技术方案为：
一种基于光纤F-P腔的微流速光学测量装置，其特征是包括宽带光源，光纤环形器，传感光纤，传感探头，光谱仪；宽带光源的输出端与光纤环形器的输入端相连，光纤环形器的第一输出端与传输光纤相连，传输光纤与传感探头相连，光纤环形器的第二输出端与光谱仪的输入端相连。
本发明所述的宽带光源的工作波长为1520nm-1570nm，空芯光纤的内径为10um，长度为1～10mm。
本发明的工作原理是：宽带光源发出的光经过光纤环形器后进入到传输光纤，再经由空芯光纤构成的微流速传感探头进行多次干涉，干涉后的光谱通过传输光纤和光纤环形器后进入光谱仪显示。上述的传感探头，其特征是传输光纤的末端连接一截空芯光纤，当微流体流经空芯光纤时，空芯光纤的毛细效应和微流体压力的共同作用，使得空芯光纤中的空气受到挤压，形成光纤F-P腔。光纤F-P腔的长度会随着微流体流速的不同而变化，最终导致输出光谱的变化，通过光谱的变化可以测量出微流体的流速。
本发明的有益效果在于：
本发明仅仅通过普通的单模光纤和空芯光纤组成的传感头就可以实现微流体流速的测量，避免了传统测量中由于数据处理带来的误差积累等缺点。
与传统微流速测量方法相比，本发明更适用于组织液、生命体等微流体流速的测量，且测量精度高、结构简单、操作方便、成本低。
附图说明
图1是一种基于光纤F-P腔的微流速光学测量装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方案对本发明作进一步的描述：
参见图1所示，一种基于光纤F-P腔的微流体流速光学测量装置，包括宽带光源1，光纤环形器2，传感光纤3，一截空芯光纤形成的传感探头4和光谱仪5。宽带光源1的输出端与光纤环形器2的输入端相连，光纤环形器2的第一输出端与传输光纤3相连，传输光纤3与传感探头4相连，光纤环形器2的第二输出端与光谱仪5的输入端相连。
上述的传感探头4，其特征是单模光纤末端连接一截空芯光纤，当微流体通过空芯光纤，挤压空芯光纤中的空气，形成一个光纤F-P腔。当微流体的流速不同时，空芯光纤内部空气所受压力不同，光纤F-P腔的长度也会随之变化，即通过对输出干涉谱的检测，可得微流速的变化。
本发明基于以下原理：
由理想气体状态方程可知，光纤F-P腔中的空气压强P空气可表示为：
其中，V＝πr2L为光纤F-P腔中空气的体积，L为光纤F-P腔的长度，n为空气物质的量，T为理想空气的热力学温度，R为理想气体常数。
当微流体以一定微流速通过空芯光纤时，其产生的压强P微流体遵循流体机械能守恒定律，公式表示如下：
其中，W为微流体的速度，ρ为微流体密度，g为重力加速度，C为常数。
当光纤F-P腔内的空气达到动态平衡时，即P空气＝P微流体，可计算出光纤F-P腔长度与微流体速度的关系如下：
由光纤F-P腔的干涉原理可知，输出光谱的干涉条纹间距为：
将(3)带入(4)，并对公式(4)进行微分，可以得到微流速变化与光纤F-P腔干涉谱的关系如下：
通过公式(5)可知，监控干涉谱的变化可以反推出被测微流体的流速。
Claims (3)
1.一种基于光纤F-P腔的微流速光学测量装置，其特征是包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、传输光纤(3)、一截空芯光纤形成的传感探头(4)和光谱仪(5)；宽带光源(1)的输出端与光纤环形器(2)的输入端相连，光纤环形器(2)的第一输出端与传输光纤(3)相连，传输光纤(3)与传感探头(4)相连，光纤环形器(2)的第二输出端与光谱仪(5)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤F-P腔的微流速光学测量装置，其特征是宽带光源的工作波长为1520nm-1570nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤F-P腔的微流速光学测量装置，其特征是空芯光纤的内径为10um，长度为1～10mm。
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| CN201610477998.3A CN106443061A (zh) | 2016-06-21 | 2016-06-21 | 一种基于光纤f‑p腔的微流速光学测量装置 |
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Publications (2)
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| CN106443061A true CN106443061A (zh) | 2017-02-22 |
| CN106443061A8 CN106443061A8 (zh) | 2017-07-18 |
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2016
- 2016-06-21 CN CN201610477998.3A patent/CN106443061A/zh active Pending
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