專利名稱：微流體溫度場測量裝置及用該裝置測微流體溫度場的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流體溫度場測量裝置，還涉及利用這種測量裝置測量微流體溫度場的 方法。
背景技術(shù)：
采用光學(xué)方法解決與折射率相關(guān)的流場的溫度場參數(shù)測量問題，在流場溫度場分布的測 量中使用廣泛。使用最為廣泛的有邁克耳遜干涉儀和Mach-Zehnder干涉儀。
參照?qǐng)Dl,文獻(xiàn)l "利用邁克耳遜干涉儀研究溫度場及其誤差分析，《物理實(shí)驗(yàn)》Vot.26 No.4.溫學(xué)達(dá)等"公開了一種利用邁克耳遜干涉儀進(jìn)行溫度場測量的裝置和方法，其干涉儀光 路圖光線首先在分光板1處分成兩束光分別為物光、參考光；物光束經(jīng)過被測物體2后， 在反射鏡3處按照原方向發(fā)生反射；參考光束經(jīng)過補(bǔ)償鏡4后，在反射鏡3處按照原方向發(fā) 生反射；兩束光同時(shí)匯聚到投影屏5處，產(chǎn)生干涉圖像。
參照?qǐng)D2，文獻(xiàn)2 "Application of holographic interferometry and 2D PIV for HSC convective flow diagnostics. Meas. Sci. Technol. 2004, 15: 664-672"公開了一種利用Mach-Zehnder干涉儀
進(jìn)行溫度場測量的裝置和方法，其干涉儀光路圖為光線從光源6發(fā)出，在反射鏡3處發(fā)生 反射；經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直之后，在半透半反射棱鏡7處一半光線直接透射出去成為物光， 一半光 線反射成為參考光。物光經(jīng)過被測物體2，再經(jīng)過反射鏡3反射到半透半反射棱鏡7上；同 時(shí)，參考光也經(jīng)過反射鏡3反射到半透半反射棱鏡7上；物光與參考光在半透半反射棱鏡7 匯聚，產(chǎn)生干涉圖像。
邁克耳遜干涉儀和Mach-Zehnder干涉儀都屬于分光路系統(tǒng)，很容易受外界影響，當(dāng)參考 光臂與物光臂的溫度、空氣密度或臂長不一樣時(shí)，都會(huì)引起測量不確定度誤差；上述干涉測 量方法對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求比較高，引起的溫度測量誤差一般為3'C，同時(shí)，空間分辨率在毫米 級(jí)別，所以，這兩種干涉儀只適合宏觀流場測量，不適合微流場的測量。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)分的分光路光學(xué)系統(tǒng)存在測量誤差的不足，本發(fā)明提供一種微流體溫 度場測量裝置，采用共光路光學(xué)系統(tǒng)，可以消除外界因素對(duì)光路的干擾，減少測量誤差。
本發(fā)明還提供利用上述測量裝置測量微流體溫度場的方法，采用相移干涉測量方法，可 以滿足微流體芯片中微管道尺寸在微米數(shù)量級(jí)的要求。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 一種微流體溫度場測量裝置，包括光源，其 特點(diǎn)是，還包括起偏器、聚光鏡、半透半反射棱鏡、偏振分光棱鏡、物鏡、四分之一波片、
檢偏器、CCD,光源射出的光束通過起偏器起偏，變成偏振光，再經(jīng)過聚光鏡，會(huì)聚成平行光 同時(shí)消除光線中的雜散光；該光線經(jīng)過半透半反射棱鏡，反射至偏振分光棱鏡，偏振分光棱 鏡將該光束剪切成振動(dòng)方向正交的兩束光；這兩束光通過物鏡，匯聚成兩束平行光，該平行 光分別射到微流體芯片的不同位置，再按照原方向反射出去，通過物鏡、偏振分光棱鏡合成 為一束光線；該光線穿過半透半反射棱鏡、四分之一波片、檢偏器，最終成像在CCD革E面上。 一種上述微流體溫度場測量裝置的測量方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟
(a) 讀取由CCD拍攝的干涉圖像的光強(qiáng)信息S;
(b) 根據(jù)關(guān)系式>S' = /。+4sin(2 —Ap)，通過旋轉(zhuǎn)檢偏器(14)，引入已知a,、 a2 、
3、…a"值("^3)，聯(lián)立成方程組
& = Z。 + 4 sin(2q - Ap); & /0 + ; sin(2a2 - Ap); & = /。
+乙sin(2a^ — A的，
其中/。是直流背景光強(qiáng)；A.是交流背景光強(qiáng)；《是檢偏器與偏振分光棱鏡的夾角；A爐是微 流場相位差；
(c) 求解方程組得到相位差A(yù)^A"…&);
(d) 根據(jù)光程差A(yù)S與相位差A(yù)p的關(guān)系A(chǔ)p-^A5計(jì)算出光程差A(yù)5;其中，；i是光 源的波長；
(e) 根據(jù)關(guān)系式A^-^^/a^g計(jì)算得到折射率沿剪切方向的斜率^^;其中， Lo^是兩倍微流體溝道深度，g是兩束振動(dòng)方向垂直的偏振光之間的剪切值；
(f) 根據(jù)折射率沿剪切方向的斜率^^,對(duì)其積分，得到n二J^血，再根據(jù)流
體溫度T和折射率n之間的關(guān)系n = /(r)得到微流體絕對(duì)溫度T。
本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明微流體溫度場測量裝置，采用共光路光學(xué)系統(tǒng)，消除 了外界因素對(duì)光路的干擾，減少了測量誤差。本發(fā)明微流體溫度場測量裝置的測量方法，采 用相移干涉測量方法，使得測量參數(shù)分辨率可達(dá)到1度，引起的溫度測量誤差由現(xiàn)有技術(shù)的
3'c提高到o.rc;空間分辨率由現(xiàn)有技術(shù)的毫米級(jí)提高到微米級(jí)，滿足了微流體芯片中微管
道尺寸在微米數(shù)量級(jí)的要求。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)1中邁克耳遜干涉儀光路圖。 圖2是現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)2中Mach-Zehnder干涉儀光路圖。 圖3是本發(fā)明微流體溫度場測量裝置的光路圖。 圖4是本發(fā)明微流體溫度場測量方法的原理圖。 圖5是本發(fā)明微流體溫度場測量方法的流程圖。
圖中，l-分光板，2-被測物體，3-反射鏡，4-補(bǔ)償鏡，5-投影屏，6-光源，7-半透半反射 棱鏡，8-起偏器，9-聚光鏡，10-偏振分光棱鏡，11-物鏡，12-微流體芯片，13-四分之一波片， 14-檢偏器，15-CCD。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l:參照?qǐng)D3，本發(fā)明微流體溫度場測量裝置包括光源6、起偏器8、聚光鏡9、 半透半反射棱鏡7、偏振分光棱鏡IO、物鏡ll、四分之一波片13、檢偏器14和CCD15。光 源6選擇波長為632.8nm的氦氖激光，射出的光束通過起偏器8起偏，變成偏振光，再經(jīng)過 聚光鏡9，會(huì)聚成平行光同時(shí)消除光線中的雜散光。該光線經(jīng)過半透半反射棱鏡7， 一部分直 接射出光路系統(tǒng)， 一部分反射至偏振分光棱鏡10。本實(shí)施例的偏振分光棱鏡10為諾曼斯基 棱鏡，也可以用沃拉斯頓棱鏡。偏振分光棱鏡IO將該光束剪切成振動(dòng)方向正交的兩束光，剪 切量為g。這兩束光通過物鏡ll，匯聚成兩束平行光，該平行光分別射到微流體芯片12的不 同位置，再按照原方向反射出去，通過物鏡11、偏振分光棱鏡10合成為一束光線。該光線 穿過半透半反射棱鏡7、四分之一波片13、檢偏器14，最終成像在CCD15靶面上。
參照?qǐng)D4，利用本發(fā)明微流體溫度場測量裝置測量微流場溫度，在實(shí)際情況中，微流場 溫度的變化引起折射率的變化，折射率的變化又使得穿過該區(qū)域的光線的光程差A(yù)3發(fā)生變 化，從而引起相位差的變化，微分干涉顯微鏡把這種相位差A(yù)伊的變化轉(zhuǎn)化成光強(qiáng)信息S的 變化，通過CCD15進(jìn)行記錄。對(duì)微流場溫度場測量的處理步驟與實(shí)際變化關(guān)系順序相反，是 從結(jié)果反方向分析直到得出引起變化的源頭。正反兩組箭頭分別反映了實(shí)際情況和測量順序。
實(shí)施例2:參照?qǐng)D3、 5,本發(fā)明微流體溫度場測量裝置的測量方法如下
一、 得到干涉圖像的光強(qiáng)信息S。
光強(qiáng)信息S是通過Matlab軟件直接讀取由CCD15拍攝的干涉圖像得到，它是需要進(jìn)行 信息提取的原始數(shù)據(jù)。
二、 通過相移法，解調(diào)出微流體折射率變化引起的相位差A(yù)p。 光強(qiáng)信息S與相位差A(yù)p，有如下關(guān)系式
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中/。直流背景光強(qiáng)； A:交流背景光強(qiáng)；
a:檢偏器14與偏振分光棱鏡10的夾角； △p:微流場相位差。
干涉圖的光強(qiáng)信息S包括/。、 /e、 "、 A^四個(gè)參數(shù)的信息，通過旋轉(zhuǎn)檢偏器14，引入
己知a,、 a2、 a3、 ..." 值("^3),聯(lián)立成方程組求解。
以五歩法為例，旋轉(zhuǎn)檢偏器14，使"為—工，_丘，0
<formula>formula see original document page 6</formula> -求解方程組得到相位差A(yù)^: =S
5 二，則對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)信息S為
.)
三、 計(jì)算出光程差A(yù)5。 根據(jù)光程差A(yù)3與相位差A(yù)p的關(guān)系
<formula>formula see original document page 6</formula>
計(jì)算出光程差A(yù)5。 其中義光源的波長。
四、 計(jì)算折射率沿剪切方向的斜率^^。
」ABCDEF禾卩丄布W肝'
一束偏振光經(jīng)過偏振分光棱鏡10，分成兩束振動(dòng)方向垂直的偏振光Z^
根據(jù)該棱鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)，這兩束偏振光會(huì)形成一個(gè)微小的剪切值g，經(jīng)過物鏡ll，這兩束偏
振光成為平行光線，再穿過微流體芯片12的不同區(qū)域，由于這些區(qū)域的折射率有差異，所以 光線反射后再按照原光路返回，會(huì)產(chǎn)生光程差A(yù)5:<formula>formula see original document page 6</formula> IeD￡為微流體溝道深度的兩倍，
在0 + g,力到(X,力的微小區(qū)域之間，
所以，光程差A(yù)5又可以表示成為 折射率沿剪切方向的斜率
Zc加g
五、通過對(duì)折射率沿剪切方向的斜率^^積分得到微流體絕對(duì)溫度T。
針對(duì)x-y平面二維溫度場，即溫度分布沿測試光束的傳播方向不變，則引起的折射率變 化分布是一個(gè)二維的變化場。
本實(shí)施例中，微流體中待測的流體為純水，其折射率與溫度的關(guān)系式為
= 1.341-2.262x10，
根據(jù)折射率沿剪切方向的斜率^^,對(duì)其積分可以得到
根據(jù)折射率n和溫度T之間的關(guān)系n = 1.341-2.262x 10—5T得到微流體絕對(duì)溫度T。
權(quán)利要求
1、一種微流體溫度場測量裝置，包括光源，其特征在于還包括起偏器、聚光鏡、半透半反射棱鏡、偏振分光棱鏡、物鏡、四分之一波片、檢偏器、CCD，光源射出的光束通過起偏器起偏，變成偏振光，再經(jīng)過聚光鏡，會(huì)聚成平行光同時(shí)消除光線中的雜散光；該光線經(jīng)過半透半反射棱鏡，反射至偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡將該光束剪切成振動(dòng)方向正交的兩束光；這兩束光通過物鏡，匯聚成兩束平行光，該平行光分別射到微流體芯片的不同位置，再按照原方向反射出去，通過物鏡、偏振分光棱鏡合成為一束光線；該光線穿過半透半反射棱鏡、四分之一波片、檢偏器，最終成像在CCD靶面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流體溫度場測量裝置，其特征在于所述的偏振分光棱鏡是
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流體溫度場測量裝置，其特征在于所述的偏振分光棱鏡是 沃拉斯頓棱鏡。
4、 一種利用權(quán)利要求l所述裝置測量微流體溫度場的方法，其特征在于包括以下步驟(a) 讀取由CCD拍攝的干涉圖像的光強(qiáng)信息S ;(b) 根據(jù)關(guān)系式S = /。 + /tsin(2a-Ap)，通過旋轉(zhuǎn)檢偏器(14)，引入已知a, 、 a2 、 "3、 ...《 值(">3)，聯(lián)立成方程組S2 = /0 + ; sin(2a2 - Ap)' & = /0 + : sin(2^ - A沐sin(2 -維其中/。是直流背景光強(qiáng)；4是交流背景光強(qiáng)；"是檢偏器與偏振分光棱鏡的夾角；Ap是微流場相位差；(c) 求解方程組得到相位差A(yù)^ A^^/(S'&'&…&);(d) 根據(jù)光程差A(yù)^與相位差A(yù)伊的關(guān)系A(chǔ)p二^ 計(jì)算出光程差A(yù)^;其中，義是光 源的波長；(e) 根據(jù)關(guān)系式A5-^^/c^g計(jì)算得到折射率沿剪切方向的斜率^^;其中， 丄a^是兩倍微流體溝道深度，g是兩束振動(dòng)方向垂直的偏振光之間的剪切值；(f) 根據(jù)折射率沿剪切方向的斜率^%^，對(duì)其積分，得到"-J"A血，再根據(jù)流& /涯g體溫度T和折射率n之間的關(guān)系"=/("得到微流體絕對(duì)溫度T。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微流體溫度場測量裝置，包括光源，其特點(diǎn)是還包括起偏器、聚光鏡、半透半反射棱鏡、偏振分光棱鏡、物鏡、四分之一波片、檢偏器和CCD，光源射出的光束通過起偏器變成偏振光，再經(jīng)過聚光鏡會(huì)聚成平行光，該光線經(jīng)過半透半反射棱鏡，反射至偏振分光棱鏡后被剪切成兩束光；這兩束光通過物鏡射到微流體芯片上，再按照原方向反射，通過物鏡、偏振分光棱鏡、半透半反射棱鏡、四分之一波片、檢偏器，最終成像在CCD靶面上。由于采用共光路光學(xué)系統(tǒng)，消除了外界因素對(duì)光路的干擾，減少了測量誤差。本發(fā)明方法采用相移干涉測量方法，使得溫度測量誤差由現(xiàn)有技術(shù)的3℃提高到0.1℃；空間分辨率由現(xiàn)有技術(shù)的毫米級(jí)提高到微米級(jí)。
文檔編號(hào)G01J5/08GK101183027SQ20071019922
公開日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者呂湘連, 虹 唐, 維 張, 黎永前 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)