CN108362316A - 一种光纤喷头式微流体多参数测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光纤喷头式微流体多参数测量装置,整个装置由宽带光源、光纤环形器、表面多孔毛细管、FBG1、FBG2和光谱仪构成；FBG1、FBG2分别固定于毛细管表面不同的小孔处；当被测微流体流经毛细管时，由于横截面动压及毛细作用，微流体从小孔溢出时，导致固定在小孔处的光纤传感器的中心波长发生漂移，通过监测不同小孔处的光纤传感器的波长漂移情况可反推出微流体的流速、温度、浓度等参数；本发明的优点在于：仅用一根毛细管加工成表面多孔的喷头结构，结合光纤传感器即可实现微流体的多个参数的同时测量，该方法利用了毛细管表面打孔的易加工性及光纤传感器的高精度等特点，可用于生化医学等领域对微流体的多参数同时测量。

Description

一种光纤喷头式微流体多参数测量装置
技术领域
本发明属于光纤传感领域和微流体参数测量领域，具体涉及到一种光纤喷头式微流体多参数测量装置。该方法通过在毛细管的表面加工多孔结构，结合光纤传感器即可实现微流体的多参数同时测量，该装置结构简单，操作方便，成本低，可应用于人体微循环，生化制药，微流控芯片等领域的对微流体多参数的测量。
背景技术
近年来，随着生物医疗、化学研究等领域的飞速发展，对微流体参数的高精度测量提出更高的需求。
传统流体参数的测量技术多采用机械形变，电学热平衡、微流体芯片等方式，这些装置较复杂，测量参数单一等缺陷限制了其在流体特别是微流体参数测量方面的应用。随着光纤传感技术的快速发展，其体积小，精度高等优点，使得该类传感器在微流体参数测量方面得到高度关注及应用。目前已有研究利用光纤传感器测量微流体的单个参数，但在微流体的多参数同时测量方面的研究进展不多。
本发明提供了一种成本低，操作简易，测量精度高的光纤喷头式微流体多参数测量装置，通过在毛细管表面加工多个小孔形成喷头式结构，并在每个小孔喷头处嵌入光纤传感器，最终实现微流体的诸如流速、温度、浓度等多个参数的同时测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低，操作简易，测量精度高的光纤喷头式微流体多参数测量装置，利用毛细管作为微流体的测量通道，在毛细管表面的多个小孔处固定不同的光纤传感器来实现微流体多参数的同时测量。
本发明采用的技术方案为：
一种光纤喷头式微流体多参数测量装置，其特征是包括宽带光源、光纤环形器、毛细管、FBG1、FBG2、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FBG1的输入端相连，FBG1的输出端与FBG2的输入端相连，光纤环形器的第二输出端与光谱仪的输入端相连。
所述的一种光纤喷头式微流体多参数测量装置，其特征在于：毛细管用作被测微流体通道，其表面加工有两个小孔，小孔的直径不小于FBG1的光栅长度。
所述的一种光纤喷头式微流体多参数测量装置，其特征在于：FBG1和FBG2的长度相同，中心波长均在1550nm附近，且相差不小于5nm，分别固定于不同小孔正中。
所述的一种光纤喷头式微流体多参数测量装置，其特征在于：用作微流体通道的毛细管，其表面加工的小孔个数由被测微流体所需测量的参数决定，可以根据被测参数的个数增加小孔个数及光纤传感器个数。
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FBG1，输出后再进入到FBG2中，由于从毛细管表面小孔溢出的微流体对不同位置处的光纤传感器有不同的作用，进而微流体的参数会对FBG1和FBG2的中心波长进行调制，通过监控光谱仪上FBG1和FBG2对应的输出光谱变化情况，可以获得被测微流体的参数信息。上述的毛细管表面加工多个小孔形成喷头结构，当被测微流体流经毛细管时，由于微流体横截面动压及毛细作用，小孔位置处固定的光纤传感器感测不同的参数作用，使得不同光纤传感器的中心波长发生不同的漂移，通过监控它们的输出光谱变化情况来获得对应的测量参数。
本发明的有益效果在于：
本发明仅通过在毛细管表面加工多个小孔形成喷头结构，在小孔处固定不同中心波长的光纤传感器，即可实现微流体多个参数的同时测量。该装置结构简单，操作方便，成本低，克服了传统测量的操作复杂、精度低，无多参数测量等缺点。
附图说明
图1是一种光纤喷头式微流体多参数测量装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
参见图1所示，一种光纤喷头式微流体多参数测量装置，包括宽带光源、光纤环形器、毛细管、FBG1、FBG2、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FBG1的输入端相连，FBG1的输出端与FBG2的输入端相连，光纤环形器的第二输出端与光谱仪的输入端相连。上述的光纤喷头式微流体多参数测量装置，采用毛细管作为微流体通道，被测微流体流经毛细管时，由于横截面动压及毛细作用，微流体从各个小孔溢出，导致固定于毛细管表面小孔处的光纤传感器的中心波长发生漂移，通过监测不同小孔处对应的光纤传感器的波长漂移情况可反推出此微流体的诸如流速、温度、浓度等参数；采用毛细管作为被测微流体的通道，其表面加工的小孔个数由被测微流体所需测量的参数个数决定，可以根据被测参数的个数增加小孔个数及光纤传感器个数。
本发明基于以下原理：
此处选择对被测微流体的温度和流速的测量原理进行解释。
当微流体的温度发生变化时，由于热光效应，固定在小孔处的FBG1的周期会发生变化，从而使得FBG1的中心波长发生漂移。温度改变对FBG1中心波长的影响可表示为
（1）
式中：是光纤材料的膨胀系数，为热光系数，是温度变化量，是FBG1中心波长变化。所以通过FBG1中心波长漂移变化可反推出被测微流体的温度。
在对微流体的流速进行测量时，微流体以一定的微流速通过毛细管时，由于微流体横截面动压作用，会对固定在小孔处的FBG2产生外压力F，该压力遵循流体机械能守恒定律，公式表示如下：
（2）
式中：表示微流体的流速，表示FBG2所处的小孔的横截面积，表示微流体密度，是常数。
公式（2）中对求导，可知当微流体流速发生变化时，FBG2所感测的压力变化可表示为
（3）
由光纤光栅原理可知，FBG2受压力作用时导致中心波长变化如下：
（4）
式中：是弹光系数。是FBG2中心波长变化。结合公式（3）可得
（5）
所以通过公式（5）可知，监测FBG2的输出光谱的变化可反推出被测微流体的流速。

Claims (4)

1.一种光纤喷头式微流体多参数测量装置，其特征是包括宽带光源（1）、光纤环形器（2）、毛细管（3）、FBG1（4）、FBG2（5）、光谱仪（8）；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FBG1（4）的输入端相连，FBG1（4）的输出端与FBG2（5）的输入端相连，光纤环形器（2）的第二输出端与光谱仪（8）的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种光纤喷头式微流体多参数测量装置，其特征在于：毛细管用作被测微流体通道，其表面加工有小孔（6）和小孔（7），小孔的直径不小于FBG1的光栅长度。
3.根据权利要求1所述的一种光纤喷头式微流体多参数测量装置，其特征在于：FBG1和FBG2的长度相同，中心波长均在1550nm附近，且相差不小于5nm，分别固定于不同小孔正中。
4.根据权利要求1所述的一种光纤喷头式微流体多参数测量装置，其特征在于：用作微流体通道的毛细管，其表面加工的小孔个数由被测微流体所需测量的参数个数决定，可以根据被测参数的个数增加小孔个数及光纤传感器个数。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1282869A (en) * 1968-08-28 1972-07-26 Fisons Ltd Temperature measuring device
US20070041019A1 (en) * 2003-10-03 2007-02-22 Siegmar Schmidt Rugged fabry-perot pressure sensor
CN102226725A (zh) * 2011-03-29 2011-10-26 哈尔滨工程大学 一种壁中波导长周期光纤光栅传感器
CN205691170U (zh) * 2016-06-21 2016-11-16 中国计量大学 一种气压和温度同时测量的光纤传感器
CN205808610U (zh) * 2016-04-20 2016-12-14 中国计量大学 一种光纤fp腔气压传感器
CN106443061A (zh) * 2016-06-21 2017-02-22 中国计量大学 一种基于光纤f‑p腔的微流速光学测量装置
CN107024249A (zh) * 2017-06-01 2017-08-08 中国计量大学 基于文丘里结构的级联fbg微流量测量装置
CN208921147U (zh) * 2018-05-18 2019-05-31 中国计量大学 一种光纤喷头式微流体多参数测量装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1282869A (en) * 1968-08-28 1972-07-26 Fisons Ltd Temperature measuring device
US20070041019A1 (en) * 2003-10-03 2007-02-22 Siegmar Schmidt Rugged fabry-perot pressure sensor
CN102226725A (zh) * 2011-03-29 2011-10-26 哈尔滨工程大学 一种壁中波导长周期光纤光栅传感器
CN205808610U (zh) * 2016-04-20 2016-12-14 中国计量大学 一种光纤fp腔气压传感器
CN205691170U (zh) * 2016-06-21 2016-11-16 中国计量大学 一种气压和温度同时测量的光纤传感器
CN106443061A (zh) * 2016-06-21 2017-02-22 中国计量大学 一种基于光纤f‑p腔的微流速光学测量装置
CN107024249A (zh) * 2017-06-01 2017-08-08 中国计量大学 基于文丘里结构的级联fbg微流量测量装置
CN208921147U (zh) * 2018-05-18 2019-05-31 中国计量大学 一种光纤喷头式微流体多参数测量装置

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