CN112903531A - 一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于精密测量技术领域，涉及一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法。粘滞系数是表征微尺度区域液体物理属性的一项重要参数，是定量描述其流动特征的重要基础，其测量往往受限于显微视野范围和相对位移发生机制的精度。通过光阱或其他线性势阱可以将微球限制在指定的微区域，被捕获微球因液体布朗运动会出现位置波动，通过测量微球相等时间间隔的位移序列和待测液体温度，可以直接解算出微尺度区域液体的粘滞系数。本发明无需相对位移产生装置，具有操作简单、观测便利和容易自动化等优点，具有良好的应用前景。

Description

一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，涉及一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法。
背景技术
粘滞系数是表征微尺度区域(以下简称为“微区”)液体物理属性的一项重要参数，是定量描述其流动特征的基础，对于科学研究和工程应用都具有重要的实际意义。
通常测量液体粘滞系数的方法有自由布朗运动观测法(李银妹,姚昆.光镊技术[M].北京：科学出版社,2015:444-445.)和动态光阱粘滞力测量法(张聿全.新型动态光镊技术及应用研究[D].南开大学,2015:37-41.)。自由布朗运动观测法是通过测量微粒的自由布朗运动来得到液体的粘滞阻力，从而来计算液体粘滞系数。该方法由于微区观测通常是在显微镜下开展的，微粒在自由布朗运动情况下容易脱离视野范围，尽管光镊可将其重新移回视野中心，但光镊的小作用范围可能导致频繁的操作。动态光阱粘滞力测量法是通过精密电控位移台等装置带动捕获光束或者样品室微区移动，使得捕获微球与微区液体之间发生相对运动产生粘滞力，通过测量与粘滞力相平衡的光阱力或者微球发生逃逸时的临界光阱力来得到粘滞力，进而解算液体粘滞系数。该方法可以将微球限定在所需测量的微区内，实现非接触式的测量，然而其测量精度受限于相对位移发生机制和捕获光束功率的稳定性，需获取大样本量以降低统计误差，因而操作比较繁琐。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法，无需动态拖动微粒实时观测其速度变化，无需精密位移操控装置，对实验系统和样本数量要求低，具有简单便利的优势，且需要的人工干预少，便于实现自动化观测，具有良好的应用前景。
本发明采用的技术方案是：一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法，包括以下步骤：
步骤一，采用势阱系统捕获待测液体中半径为r的微球，所述势阱系统为线性势阱或者可将所述微球捕获在线性区域的非线性势阱；
步骤二，测量并记录待测液体的温度T；
步骤三，测量并记录所述微球在受限布朗运动下相等时间间隔采样的位移序列{sn}，其中sn为第n个时刻tn时所述微球的位移；
步骤四，解算并记录所述微球的相对位移序列{xn}，即
Figure BDA0002932921130000011
式中，xn为第n个时刻tn时所述微球相对于势阱平衡位置的相对位移，N是位移序列{sn}的总长度，N≥1000；
步骤五，解算并记录所述微球的平均速度序列{vn}，即
Figure BDA0002932921130000021
式中，Δxn是第n+1个时刻与第n个时刻之间微球相对位移的变化量，Δtn是第n+1个时刻与第n个时刻的时间间隔；
步骤五，解算待测液体的粘滞系数η，即
Figure BDA0002932921130000022
式中，kB是波尔兹曼常数。
进一步地，步骤二中测量待测液体的温度T是测量所述微球微尺度区域内液体的温度T；
进一步地，步骤三中通过图像位移探测方法或激光后焦面干涉法测量所述位移序列{sn}。
更进一步地，所述微球是半径r为0.05μm-50μm的单分散微球，且其附近无壁面干扰，满足斯托克斯定律。
更进一步地，通过使用尺寸为0.1mm级微型热电偶探头的温度传感检测方式测量所述温度T。
更进一步地，步骤一中所述势阱系统采用可将所述微球捕获在线性区域的光势阱。
该方法的相对精度可估测为
Figure BDA0002932921130000023
式中，δη表示所测微区液体粘滞系数η的解算误差，δT表示温度T的测量误差。
与自由布朗运动观测法相比，本发明的优势在于：(1)本发明所述的方法可将微球限制在指定微区内；(2)观测位移和速度存在相位差异，其乘积可以抵消观测位移中附带的噪声因素，在达到同等测量精度的情况下所需的样本量大幅减少。
与动态光阱粘滞力测量法相比，本发明的优势在于：(1)本发明所述的方法只需静态观测即可，无需产生相对运动的高精密装置，更为简便；(2)测量粘滞系数的空间分辨率高，可以达到纳米级别；(3)可耐受一定程度的光阱刚度波动，对捕获光束的功率稳定性要求较低；(4)无需人工干预，操作步骤简单，所需样本量较少，更便于实现自动化观测，具有很强的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明基本思路框图。
图2为本发明实施例的实验装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法，包括以下步骤：
步骤一，采用势阱系统捕获待测液体中半径为r的微球，所述势阱系统为线性势阱或者可将所述微球捕获在线性区域的非线性势阱；
步骤二，测量并记录待测液体的温度T；
步骤三，测量并记录所述微球在受限布朗运动下相等时间间隔采样的位移序列{sn}，其中sn为第n个时刻tn时所述微球的位移；
步骤四，解算并记录所述微球的相对位移序列{xn}，即
Figure BDA0002932921130000031
式中xn为第n个时刻tn时所述微球相对于势阱平衡位置的位移，N是位移序列{sn}的总长度，N≥1000；
步骤五，解算并记录所述微球的平均速度序列{vn}，即
Figure BDA0002932921130000032
式中Δxn是第n+1个单元时刻与第n个单元时刻之间微球相对位移的变化量，Δtn是第n+1个时刻与第n个时刻的时间间隔；
步骤六，解算待测液体的粘滞系数η，即
Figure BDA0002932921130000033
式中kB是波尔兹曼常数。
优选地，步骤二中测量待测液体的温度T是测量所述微球微尺度区域内液体的温度T；
优选地，步骤三中通过图像位移探测方法或激光后焦面干涉法测量所述位移序列{sn}。
优选地，所述微球是半径r为0.05μm-50μm的单分散微球，且其附近无壁面干扰，满足斯托克斯定律。
优选地，通过使用尺寸为0.1mm级微型热电偶探头的温度传感检测方式测量所述温度T。
优选地，步骤一中所述势阱系统采用可将所述微球捕获在线性区域的光势阱。
本实施例中，所述待测液体采用去离子水，所述微球采用标称直径为1.06±0.1μm的聚苯乙烯微球(Bangs公司产品)，所述微型热电偶探头采用横截面尺寸约为0.1mm×0.2mm的热电偶细丝型温度传感器，所述微球的位移序列{sn}采用图像位移探测方法测量，所述势阱系统采用双光束光阱。
本实施例的实验装置如图2所示，尾纤激光器1和尾纤激光器2的输出光束波长均为980nm，各自输出功率约为10mW，经光纤隔离器3和光纤隔离器4、传输光纤5和传输光纤6，在样品室14内的待测液体中形成双光束光阱捕获微球13。LED光源8的照明光将微球13通过16倍显微物镜成像于CMOS相机11上，捕获光束照射到微球上的散射光由滤光片10滤除，所得微球图像经计算机12中的质心法图像解析软件进行高速实时处理。热电偶细丝型温度传感器15用于探测样品室14内待测液体温度，并由测量电路16处理后传输到计算机12中记录下来。
本实施例的操作过程为：在样品室14内的去离子水中添加少量标称直径为1.06±0.1μm的聚苯乙烯微球(Bangs公司产品)的配比溶液，使得双光束光阱中捕获单个聚苯乙烯微球。捕获后，测量样品室待测液体温度序列{Tm}。由于所采用双光束光阱的长工作距离和光热效应低等特性，所测温度围绕均值附近仅有小幅波动，故可以采用均值T0表示。同时，测量和记录聚苯乙烯微球在受限布朗运动作用下的位移序列{sn}，再根据公式(1)可得到微球的相对位移序列{xn}，然后根据公式(2)和采样频率f，可以得到相邻图像帧之间的平均速度序列{vn}。
在约20秒的时间内，在约27℃时共采集了约5,000帧图像，根据图像解算的相对位移序列和平均速度序列，根据公式(3)得到该溶液在捕获光束传播方向上的粘滞系数为847.99μPa·s，这与该温度下水粘滞系数的标准值851.16μPa·s的相对误差为0.37％。其中，水粘滞系数的标准值由公开文献(Kestin J,Sokolov M,Wakeham WA.Viscosity ofliquid water in the range-8℃to 150℃[J].Journal ofPhysical and ChemicalReference Data,1978,7(3):941-948.)中的公式计算得到。
本发明可通过光阱等势阱将待观测微粒限制于微区内，可在亚微米级别的微区内测量液体的粘滞系数，对于微流体等场合具有很强的适应性；同时，本发明无需动态拖动微粒实时观测其速度变化，无需精密位移操控装置，对实验系统和样本数量要求低，计算速度快，具有简单便利的优势，且在装置安装完成后需要的人工干预很少，非常适合计算机自动化处理，具有良好的应用前景。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采用势阱系统捕获待测液体中半径为r的微球，所述势阱系统为线性势阱或者可将所述微球捕获在线性区域的非线性势阱；
步骤二，测量并记录待测液体的温度T；
步骤三，测量并记录所述微球在受限布朗运动下相等时间间隔采样的位移序列{sn}，其中sn为第n个时刻tn时所述微球的位移；
步骤四，解算并记录所述微球的相对位移序列{xn}，即
Figure FDA0002932921120000011
式中xn为第n个时刻tn时所述微球相对于势阱平衡位置的相对位移，N是位移序列{sn}的总长度，N≥1000；
步骤五，解算并记录所述微球的平均速度序列{vn}，即
Figure FDA0002932921120000012
其中Δxn是第n+1个时刻与第n个时刻之间微球相对位移的变化量，Δtn是第n+1个时刻与第n个时刻的时间间隔；
步骤六，解算待测液体的粘滞系数η，即
Figure FDA0002932921120000013
其中kB是波尔兹曼常数。
2.根据权利要求1所述的一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法，其特征在于，步骤二中测量待测液体的温度T是测量所述微球微尺度区域内液体的温度T。
3.根据权利要求1所述的一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法，其特征在于，步骤三中通过图像位置探测方法或激光后焦面干涉法测量所述位移序列{sn}。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法，其特征在于，所述微球是半径r为0.05μm-50μm的单分散微球，且其附近无壁面干扰，满足斯托克斯定律。
5.根据权利要求4所述的一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法，其特征在于，通过使用尺寸为0.1mm级微型热电偶探头的温度传感检测方式测量所述温度T。
6.根据权利要求5所述的一种微尺度区域液体粘滞系数的静态测量方法，其特征在于，步骤一中所述势阱系统采用可将所述微球捕获在线性区域的光势阱。
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