CN113238075B - 一种基于光纤光镊技术的流速计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光纤光镊技术的流速计，包括激光器、光纤环形器、光纤探针、椭球形微粒、探测器。激光器与光纤环形器的输入端口相连，光纤探针与光纤环形器的输出端口相连，测量转速的光探测器与光纤环形器的出射端口相连，光纤探针尖端深入到微粒待测流速旋转区，探测器接收的干涉信号的周期性变化与椭球形微粒随液体流速的旋转速度相关联。本发明提出的流速计利用光纤光镊在流体流速场中实现对椭球形微粒的三维捕获与旋转操作测量流速，该流速计具有操作简单灵活、成本低廉、易集成的优点。

Description

一种基于光纤光镊技术的流速计

技术领域

本发明涉及微流流速计领域，具体涉及一种基于光纤光镊技术的流速计。

背景技术

在微流控应用领域中，控制微流流速具有至关重要的作用，例如：液滴微型反应器内，流速的大小决定液滴的尺寸和产生速度；应用流式细胞仪进行细胞计数时，最关键的工作就是通过测量流速确定样本体积，从而确定细胞浓度；微流体免疫测定时，流速影响生物分子在固体表面的附着以及生物分子之间的结合。那么流速计的发明是必须的。

目前测量流速的方法有：基于电化学法的电解质流动致电压变化方法；基于微电子机械技术的热传导法、悬臂梁法和成像法；基于光束干涉的激光多普勒法和膜干涉法；基于粒子图像测量技术的荧光粒子成像方法；基于光纤悬臂梁的透射损耗、法布里-珀罗干涉光谱、热传导FBG、热传导WGM等方法。基于电化学法和悬臂梁法的流速计测量范围大，但灵敏度低；基于热传导法的流速计结构简单、灵敏度高，但只能测量平均流速，不能测量横截面的流速分布，且对环境温度变化敏感；基于成像法的流速计可以实现截面流速分布测量，但测量复杂，动态范围小。

申请号为CN109946476A的专利，一种使用旋流桨叶测流速的机械装置。在常规流速计尾端增设旋流桨叶，旋流驱动桨叶运动，流速计内部的读数装置获得运动数据。该装置用于旋流横、切向流速测量，不适用于测量微流流速，且旋流桨叶加工困难，不易制作。

申请号为CN106568483A的专利，一种涡轮光学传感器及基于该传感器的涡轮光学流量计。涡轮轴体上有一个通光孔，光源、通光孔、光检测器在同一直线上时，才能接收到光信号。水流作用在涡轮上，使涡轮旋转，涡轮每转动一圈，光信号检测单元接收的光电信号强弱发生一次变化，光电信号的频率就是涡轮的转速，结合流体管道参数和流体特征参数计算流体的流速和流量。但是该装置结构复杂且对加工工艺有较高的精度要求，制作困难。

发明内容

本发明的目的在于提供操作简单灵活、成本低廉、可集成的特点，可用于微流速的测量的一种基于光纤光镊技术的流速计。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于光纤光镊技术的流速计，包括激光器1、光纤环形器2、光纤探针3、待测流速区4、椭球形微粒5、探测器6，所述激光器1发出的光经过光纤环形器2的端口2-1通入端口2-2中，再入射到深入到待测流速区域4内部的尖端圆滑的光纤探针3，并且探针尖端捕获的椭球形微粒5表面的反射光与光纤探针3的反射光发生干涉，干涉光信号返回到光纤中，经过光纤环形器2的传输被探测器6检测，有垂直椭球形微粒5长轴方向分量的流体流过光纤探针3和被捕获的椭球形微粒5，在绕流和光阱力的共同作用下椭球形微粒5定轴旋转，旋转速度与流体流速的垂直分量有关，探测器6探测的干涉信号周期性变化反映椭球形微粒5的旋转速度，实现流速计测量流速的功能。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述待测流速区域4内通入待测流速的流体，其流速方向和椭球形微粒5的长轴要有相互垂直的分量。

2.所述椭球形微粒5存在于待测流体中，在待测流速区域4内捕获和旋转椭球形微粒5。

3.所述光纤探针3用于捕获椭球形微粒，光场势阱为微粒旋转提供转轴，且其是尖端圆滑能够形成流体绕流的光纤尖端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明利用光纤光镊系统捕获并在流体作用下旋转微粒，具有成本低廉、操作简单、灵活、易于集成的特点。

2.利用反射原理测量微粒旋转速率，能实现对微流速的实时测量。

附图说明

图1为本发明基于光纤光镊技术的流速计结构示意图；

图2为本发明基于抛物线型双芯光纤光镊的流速计局部示意图；

图3为本发明中光纤光镊对椭球型微粒产生的作用力示意图；

图4为本发明中流体对被光纤光镊捕获的椭球型微粒产生的作用力示意图；

图5为本发明基于类Bessel光束的光纤光镊的流速计局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于光纤光镊技术的流速计，装置如图1所示，

包括激光器、光纤环形器、光纤探针、待测流速区域、椭球形微粒和探测器。激光器与光纤环形器的输入端口相连，尖端圆滑的光纤探针与光纤环形器的输出端口相连，光纤探针的尖端深入到待测流速区域内部捕获椭球微粒，探测器与光纤环形器的反射端口相连。

激光器1发出的光经过光纤环形器2的端口2-1通入端口2-2中，再入射到深入到待测流速区域4内部的尖端圆滑的光纤探针3，并且探针尖端捕获的椭球形微粒5表面的反射光与光纤探针的反射光发生干涉，干涉光返回到光纤探针3，经过端口2-2通入端口2-3中，被探测器6检测，有垂直椭球形微粒5长轴方向分量的流体流过尖端圆滑的光纤探针3和被捕获的椭球形微粒5，在绕流和光阱力的共同作用下椭球形微粒5定轴旋转，且旋转速度与流体流速的垂直分量有关，探测器6探测的干涉信号周期性变化反映椭球形微粒5的旋转速度，实现流速计测量流速的功能。

光纤探针用于捕获椭球形微粒，光场势阱为微粒旋转提供转轴，光纤探针是尖端圆滑能够形成流体绕流的光纤尖端。在待测流速区域内通入待测流速的流体，且待测流体流速方向和光纤探针的长轴中轴线要有相互垂直的分量，椭球形微粒存在于待测流体中，在该区域内捕获和旋转椭球形微粒。

该流速计测量流速的原理是：激光器发出的光经过输入端口通入输出端口中，再入射到尖端圆滑的光纤探针，并且探针尖端捕获的椭球形微粒表面的反射光与光纤端面的反射光发生干涉，干涉光入射到光纤探针，经过输出端口通入反射端口中，进而被探测器检测，椭圆形微粒在绕流作用下绕捕获点定轴旋转，因为长短轴长度差，两束干涉光的光程差发生变化，探测器显示的干涉信号周期性变化能够反映微粒旋转速度，实现流速计测量流速的功能。

本发明的具体技术方案是这样实现的：

实施例一，基于抛物线型三芯光纤光镊的流速计：

1.截取长度为1m的三芯光纤，光纤横截面三芯一字排列，中间芯与包层同轴，将其一端利用熔融拉锥法制成抛物线型，用于汇聚光束，以制成能够稳定捕获微粒的光纤光镊探针。

制作光纤探针的具体操作步骤如下：先将光纤欲拉锥的一端使用米勒钳剥除3cm左右的涂覆层，露出包层，用酒精将该光纤端擦拭干净后，再用光纤切割刀切除一小段，使光纤端面平整。将端面平整的光纤一端放置成水平状态，利用氢氧焰对光纤进行加热并施以轴向拉力，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，当光纤最细部分达到25-35μm时停止加热，同时停止轴向力的拉伸。调节光纤位置，对拉细部分再次加热，并快速拉伸光纤，光纤被拉断时，由于表面张力的作用光纤尖端自然形成抛物线形状。

2.输出波长为980nm的激光器与光纤环形器的输入端口焊接耦合。使用步骤1同样的方法，将步骤1中制成的光纤探针未处理的一端切割平整，并与光纤环形器的输出端口焊接氢氧焰拉锥分别耦合入三个纤芯中。探测器数据采集端口与光纤环形器的反射端口焊接耦合，光纤探针的抛物线型一端深入到待测流速区域的去离子水中，完成图1所示的流速计示意图，抛物线型三芯光纤光镊的流速计局部示意图如图2所示。

3.向微流注射泵中加入配备好的椭球形微粒溶液，利用微流注射泵将溶液从与光纤探针垂直方向通入待测流速区域，使溶液流过探针的抛物线型尖端，打开980nm激光器，使用微操作手移动光纤探针，使探针尖端靠近椭球形微粒。处在探针出射光场中的椭球形微粒会受到梯度力和散射力的作用，散射力方向始终沿光轴方向，梯度力指向光场中光场强度最大的位置，当微粒不在光轴上时，横向梯度力驱使微粒向光轴运动，同时轴向梯度力驱使微粒沿光轴运动，只有当微粒处在光轴上且梯度力和散射力平衡时，微粒才能被光纤光镊稳定捕获在光阱中，并微粒长轴方向与光场同向，此时受力示意图如图3所示。同时，探针深入到流场中，在探针尖端位置会产生流场漩涡，椭球形微粒右侧受到的粘滞力大于左侧，如图4所示，使微粒被光纤光镊稳定捕获的同时，受到转矩的作用而顺时针旋转起来。

4.探针尖端捕获的椭球形微粒表面的反射光与光纤端面的反射光发生干涉，干涉光返回到光纤探针的中间纤芯中，经过输出端口通入反射端口中，进而被探测器检测，探测器显示的干涉信号能够反映微粒旋转速度，待测流速不同，微粒旋转速度就不同，干涉信号变化周期不同，实现流速计测量流速的功能。

实施例二，基于类Bessel光束的光纤光镊的流速计：

1.制成出射类Bessel光束的单模-多模结构光纤，如图5中结构7所示。截取长度为1m的型号为OFS980的单模光纤，使用米勒钳将单模光纤一端的涂覆层剥除3cm左右，露出包层，用酒精擦拭干净光纤尾端后，再用光纤切割刀以涂覆层起始位置为基准固定后，推动切割刀的刀刃，之后再用酒精擦拭尾端部分，等待焊接。另取纤芯直径为105μm的阶跃折射率多模光纤，同样用米勒钳剥去3cm涂覆层，酒精擦拭剥除涂覆层的裸纤，后用光纤切割刀切去一小段，使端面平整，再酒精擦拭干净后等待焊接。用光纤焊接机将剥除涂覆层的的单模光纤和阶跃多模光纤同轴焊接在一起，连接损耗小于0.02dB即可。熔融焊接成功后，用光纤切割刀将单模光纤焊点位置向多模光纤错开约1mm切割，此时的输出光场即是具有明暗相间圆环结构的类Bessel光束的光场。

2.用酒精将步骤1中的多模光纤端面擦拭干净，使用微位移操作台将图5结构7的多模光纤一端用紫外胶与二氧化硅介质微球8轴对称粘连，用于汇聚光线，以制成能够稳定捕获微粒的光纤光镊探针。

3.输出波长为980nm的激光器与光纤环形器的输入端口焊接耦合，步骤2中制成的光纤探针单模光纤一端与光纤环形器的输出端口焊接耦合，探测器数据采集端口与光纤环形器的反射端口焊接耦合，光纤探针的粘球一端深入到待测流速区域的去离子水中，完成图1所示的光纤光路图，光纤探针局部图如图5所示。

4.按照案例一步骤3的方法，利用粘球的出射类Bessel光束的光纤探针捕获并旋转椭球型微粒

5.按照案例一步骤4的方法，记录微粒旋转速度，达到流速计测量流速的目的。

Claims (4)

1.一种基于光纤光镊技术的流速计，包括激光器(1)、光纤环形器(2)、光纤探针(3)、待测流速区(4)、椭球形微粒(5)、探测器(6)，其特征在于：所述激光器(1)发出的光经过光纤环形器(2)的端口(2-1)通入端口(2-2)中，再入射到深入到待测流速区(4)内部的尖端圆滑的光纤探针(3)，光纤探针(3)是尖端圆滑能够形成流体绕流的光纤尖端，并且探针尖端捕获的椭球形微粒(5)表面的反射光与光纤探针(3)的反射光发生干涉，干涉光信号返回到光纤中，经过光纤环形器(2)的传输被探测器(6)检测，有垂直椭球形微粒(5)长轴方向分量的流体流过光纤探针(3)和被捕获的椭球形微粒(5)，在绕流和光阱力的共同作用下椭球形微粒(5)定轴旋转，旋转速度与流体流速的垂直分量有关，探测器(6)探测的干涉信号周期性变化反映椭球形微粒(5)的旋转速度，实现流速计测量流速的功能。

2.根据权利要求1所述的流速计，其特征在于：所述待测流速区(4)内通入待测流速的流体，其流速方向和椭球形微粒(5)的长轴要有相互垂直的分量。

3.根据权利要求1或2所述的流速计，其特征在于：所述椭球形微粒(5)存在于待测流体中，在待测流速区(4)内捕获和旋转椭球形微粒(5)。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光镊技术的流速计，其特征在于：所述光纤探针(3)用于捕获椭球形微粒，光场势阱为微粒旋转提供转轴，且其是尖端圆滑能够形成流体绕流的光纤尖端。

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