本發(fā)明屬于光纖傳感領(lǐng)域和微流速測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及到一種基于光纖F-P腔的微流速光學(xué)測(cè)量裝置。該測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)組織液、生命體等微流體流速進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的測(cè)量。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著生物、化學(xué)、材料等學(xué)科的飛速發(fā)展，經(jīng)常需要對(duì)微流體的流速進(jìn)行控制，微流體流速檢測(cè)技術(shù)作為科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵支撐技術(shù)得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。
常見(jiàn)微流速的測(cè)量方法包括稱(chēng)重法和移液管體積法，該類(lèi)方法是在微流體每流經(jīng)一個(gè)刻度體積時(shí)計(jì)時(shí)一次，一次實(shí)驗(yàn)取若干個(gè)刻度點(diǎn)，平行測(cè)量若干次，取其平均流速。上述測(cè)量方法應(yīng)用范圍廣，但系統(tǒng)測(cè)量誤差較大、靈敏度較低，且易受外界環(huán)境(如風(fēng)速、濕度等)的影響，特別的，該類(lèi)方法對(duì)組織液、生命體等微流體方面的微流速測(cè)量精度差，因而在實(shí)際微流速測(cè)量應(yīng)用中受到較大的限制。
為了解決傳統(tǒng)微流速測(cè)量的誤差較大、靈敏度較低等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種基于光纖F-P腔的微流速光學(xué)測(cè)量裝置，采用空芯光纖結(jié)合被測(cè)液體構(gòu)成的光纖F-P腔，利用光纖F-P腔的長(zhǎng)度隨微流體流速的不同而變化的特征，通過(guò)監(jiān)控輸出光譜的變化來(lái)達(dá)到微流體流速的測(cè)量。該裝置精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可長(zhǎng)期重復(fù)使用，非常適合對(duì)組織液、微生物和生命體等微流速方面的測(cè)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便的基于光纖F-P腔微流速光學(xué)測(cè)量裝置。
本發(fā)明的采用的技術(shù)方案為：
一種基于光纖F-P腔的微流速光學(xué)測(cè)量裝置，其特征是包括寬帶光源，光纖環(huán)形器，傳感光纖，傳感探頭，光譜儀；寬帶光源的輸出端與光纖環(huán)形器的輸入端相連，光纖環(huán)形器的第一輸出端與傳輸光纖相連，傳輸光纖與傳感探頭相連，光纖環(huán)形器的第二輸出端與光譜儀的輸入端相連。
本發(fā)明所述的寬帶光源的工作波長(zhǎng)為1520nm-1570nm，空芯光纖的內(nèi)徑為10um，長(zhǎng)度為1～10mm。
本發(fā)明的工作原理是：寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器后進(jìn)入到傳輸光纖，再經(jīng)由空芯光纖構(gòu)成的微流速傳感探頭進(jìn)行多次干涉，干涉后的光譜通過(guò)傳輸光纖和光纖環(huán)形器后進(jìn)入光譜儀顯示。上述的傳感探頭，其特征是傳輸光纖的末端連接一截空芯光纖，當(dāng)微流體流經(jīng)空芯光纖時(shí)，空芯光纖的毛細(xì)效應(yīng)和微流體壓力的共同作用，使得空芯光纖中的空氣受到擠壓，形成光纖F-P腔。光纖F-P腔的長(zhǎng)度會(huì)隨著微流體流速的不同而變化，最終導(dǎo)致輸出光譜的變化，通過(guò)光譜的變化可以測(cè)量出微流體的流速。
本發(fā)明的有益效果在于：
本發(fā)明僅僅通過(guò)普通的單模光纖和空芯光纖組成的傳感頭就可以實(shí)現(xiàn)微流體流速的測(cè)量，避免了傳統(tǒng)測(cè)量中由于數(shù)據(jù)處理帶來(lái)的誤差積累等缺點(diǎn)。
與傳統(tǒng)微流速測(cè)量方法相比，本發(fā)明更適用于組織液、生命體等微流體流速的測(cè)量，且測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低。
附圖說(shuō)明
圖1是一種基于光纖F-P腔的微流速光學(xué)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：
參見(jiàn)圖1所示，一種基于光纖F-P腔的微流體流速光學(xué)測(cè)量裝置，包括寬帶光源1，光纖環(huán)形器2，傳感光纖3，一截空芯光纖形成的傳感探頭4和光譜儀5。寬帶光源1的輸出端與光纖環(huán)形器2的輸入端相連，光纖環(huán)形器2的第一輸出端與傳輸光纖3相連，傳輸光纖3與傳感探頭4相連，光纖環(huán)形器2的第二輸出端與光譜儀5的輸入端相連。
上述的傳感探頭4，其特征是單模光纖末端連接一截空芯光纖，當(dāng)微流體通過(guò)空芯光纖，擠壓空芯光纖中的空氣，形成一個(gè)光纖F-P腔。當(dāng)微流體的流速不同時(shí)，空芯光纖內(nèi)部空氣所受壓力不同，光纖F-P腔的長(zhǎng)度也會(huì)隨之變化，即通過(guò)對(duì)輸出干涉譜的檢測(cè)，可得微流速的變化。
本發(fā)明基于以下原理：
由理想氣體狀態(tài)方程可知，光纖F-P腔中的空氣壓強(qiáng)P空氣可表示為：
其中，V＝πr2L為光纖F-P腔中空氣的體積，L為光纖F-P腔的長(zhǎng)度，n為空氣物質(zhì)的量，T為理想空氣的熱力學(xué)溫度，R為理想氣體常數(shù)。
當(dāng)微流體以一定微流速通過(guò)空芯光纖時(shí)，其產(chǎn)生的壓強(qiáng)P微流體遵循流體機(jī)械能守恒定律，公式表示如下：
其中，W為微流體的速度，ρ為微流體密度，g為重力加速度，C為常數(shù)。
當(dāng)光纖F-P腔內(nèi)的空氣達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，即P空氣＝P微流體，可計(jì)算出光纖F-P腔長(zhǎng)度與微流體速度的關(guān)系如下：
由光纖F-P腔的干涉原理可知，輸出光譜的干涉條紋間距為：
將(3)帶入(4)，并對(duì)公式(4)進(jìn)行微分，可以得到微流速變化與光纖F-P腔干涉譜的關(guān)系如下：
通過(guò)公式(5)可知，監(jiān)控干涉譜的變化可以反推出被測(cè)微流體的流速。