CN101122610A - 一种微流道速度分布的测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流道速度分布的测量装置和测量方法。该装置包括:一显微镜;一双脉冲激光器,一光量子检测器;一同步控制器;一处理器。该方法包括如下步骤:1)将各仪器调整至准备工作状态;2)向微流道注入荧光粒子溶液,驱动管道内液体流动;3)调节物镜的垂直位置直到微流道的下底面成像最清晰的位置;4)双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的间距在20~50像素;5)在双脉冲激光照射下,连续拍摄多帧图像;6)调整物镜焦平面到新的位置再拍摄多帧图像;7)重复步骤6),拍摄不同位置的图像。本发明具有光学探测灵敏度高、流场速度探测空间分辨率高、垂直方向位移调节精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微流道速度分布的测量装置和测量方法。
背景技术
微尺度流动主要的流动特点:(1)在这种特征尺度范围内,表面积与体积之比增大到106m-1,与表面有关的传热、传质过程对流动有很大影响;(2)尺度缩小使得流场中某些梯度量变大,与速度梯度、温度梯度有关的物理参数的作用将增强:(3)界面力(液固、液气)对流动的作用将明显增强。为了深入认识这些新的流动问题,在理论研究的同时进行实验观测尤为重要。
微流动是MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,即微电子机械***)***研究中的一个重要内容,对微流动机理的研究成为MEMS领域发展的重要基础。MicroPIV(Micro Particle Image Velocimetry)技术逐渐发展成熟并已成功的被应用于微流动的实验测量中。
现有的微流道速度分布的测量技术(指目前MicroPIV技术),比如文献1:“王昊利等,Micro-PIV技术——粒子图像测速技术的新进展,力学进展,第35卷第1期,2005年2月25日”中公开的技术,其流场分辨率仅在小于5~10μm的水平,而微尺度流动特征长度为0.1μm~1mm,流场速度测量的空间分辨率要求达到0.5μm。又如文献2:“郝鹏飞,微细管道和微喷管的流动特征研究,清华大学博士论文,2006”中,在φ168μm圆管中的使用直径1μm的荧光粒子。而比如商业产品TSI公司和Dantc公司均推荐使用直径≥1μm的荧光粒子。
为了观测20μm以下微流道,必须使用直径≤200nm的荧光粒子。根据Rayleigh散射公式,粒子散射光强随粒子直径减小而成dp 6规律减弱。因此目前商用产品无法观测直径<1μm的荧光粒子,无法满足几十微米截面尺寸的微管道和近壁流动的观测。
鉴于现有技术的不足,就需要一种新的微流道速度分布的测量装置和测量方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,从而提供一种微流道速度分布的测量装置和测量方法。
为了达到上述目的,本发明采取如下技术方案:
一种微流道速度分布的测量装置,包括:
一显微镜10,该显微镜有一物镜20和一反射装置17;其特征在于,还包括:
一双脉冲激光器12,该双脉冲激光器发出的激光经过一光学***11进入所述显微镜10的反射装置17,激光反射进入所述物镜20并进入视场;
一光量子检测器13与所述显微镜10配合,用于记录物镜20所观测的微流道21的光强分布。
一同步控制器14分别与所述光量子检测器13和双脉冲激光器12连接;
一处理器15分别与所述同步控制器14、光量子检测器13连接。
在上述技术方案中,进一步地,还包括一位移控制器16安装在所述物镜上,位移控制器16调节物镜的位置,可以观测微流道中不同深度位置的流场。
进一步地,所述处理器15为一计算机。
进一步地,所述光学***11为聚焦透镜和准直透镜。
基于上述装置的一种微流道速度分布的测量方法,包括如下步骤:
1)将各仪器调整至准备工作状态;
2)向微流道注入荧光粒子溶液,驱动管道内液体流动,然后将微管道固定在显微镜工作台上;
3)关闭环境光源,使用连续光观察粒子运动,并通过光量子检测器采集图像;调节物镜的垂直位置直到微流道的下底面成像最清晰的位置;此处的连续光是指显微镜的汞灯光源发出的荧光;
4)设定光量子探测器曝光时间T,激光双脉冲间隔时间t,且t<T;调整t值,使得光量子检测器捕捉的图像中,双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的间距在20~50像素;
5)在双脉冲激光照射下,连续拍摄多帧图像;
6)调整物镜焦平面到新的位置,调整激光双脉冲时间间隔t,使用光量子检测器再拍摄多帧图像;
7)重复步骤6),拍摄不同位置的图像。
在上述技术方案中,进一步地,所述步骤2)中,通过气源驱动管道内液体流动。
进一步地,所述步骤4)中曝光时间为0ms~100ms。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1)光学探测灵敏度高;
2)流场速度探测空间分辨率高;
3)垂直方向位移调节精度高。
附图说明
图1是本发明的微流道速度分布的测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述:
参照图1制作本发明的微流道速度分布的测量装置示意图。其中,显微镜10采用Olympus IX71倒置荧光显微镜,具有白光和UV光双光源,有10X、40X、60X和100X物镜20,其中100X为油镜,数值孔径NA=1.35,镜头油折射率n=1.516,光学分辨率δ=0.35μm,工作距离为100μm。反射装置17采用直角反射棱镜。
光学***11采用市场所售常规聚焦透镜和准直透镜产品。
双脉冲激光器12采用NewWave Solo PIV120,Nd:YAG双脉冲激光器,发射光波长λ=532nm,脉冲频率1-15Hz可调,光斑直径5mm,脉宽3~5ns,最大激光能量120mJ,实际测量时使用范围可以为5~15mJ。
光量子检测器13采用Andor iXon DV885单光子检测器,拍摄图像1004×1002像素,单个像素宽度为8μm,配合荧光显微镜在1×1bining下图像分辨率可达到80nm。具有电子增益功能,冷却至-70℃暗电流仅为0.007e-/pix/sec,量子效率达65%。读出速度35MHz,图像传输31.5帧/秒,帧转模式下最短曝光时间10μs。
同步控制器14采用市场所售常规产品,如北京立方天地MicroPulse 710产品。
处理器15采用市场所售常规计算机。
位移控制器16采用市场所售常规产品,如PI-721.LLQ产品,位移调节范围100μm,位移调节精度10nm。
本发明优点如下:
1.采用高光灵敏度的单光子检测器,使***具有高的光学探测灵敏度
为了检测直径≤500nm粒子的图像,选用在荧光波长范围内(≈620nm),量子效率高达70%的单光子检测器。在5ns脉宽的激光照射下,可以捕捉到直径≤200nm的荧光粒子的图像,这是目前商业***所无法达到的。
2.采用100x物镜和上述单光子探测器配合,提高了速度空间分辨率
采用100x物镜时,观测流场为80μm。单光子检测器拍摄像素为1004×1002,单个像素尺寸为8μm,因此该***的速度空间分辨率达到80nm。
3.采用纳米位移控制器,提高了纳米垂直位移调节精度
本***将PI物镜纳米位移控制器引入,使物镜在100μm范围内的垂直移动精度达到10nm。
基于上述装置的微流道速度分布的测量方法,包括如下步骤:
1)打开显微镜白光、UV光光源、激光器、单光子探测器、PI纳米位移控制器和电脑(包括电脑中的激光器、单光子检测器同步控制软件以及PI纳米位移控制软件),将各仪器都调整至准备工作状态。
2)向微流道注入荧光粒子溶液,通过气源等方式驱动管道内液体流动,然后将微管道固定在显微镜工作台上。如果使用100x/1.35的油镜,需要在固定之前滴加镜头油。在白光下(使用第1档滤镜)通过显微镜观测并调节工作平台方位,将管道置于显微镜视野内。
3)关闭环境光源,使用连续光(使用第5档滤镜)观察粒子运动,并通过单光子检测器采集图像(曝光时间20~30ms)显示于电脑中。调节物镜的垂直位置(可使用PI纳米位移控制器精确调节),一般调整到流道的下底面成像最清晰,并以此作为实验开始的位置。
4)切换光路到激光照射模式(并使用第4档滤镜),将单光子检测器和激光器都设为外触发模式,通过同步器的控制软件设置好同步控制器的时序。设定单光子探测器曝光时间T,激光双脉冲间隔时间t,且保证t<T。调整t值,使得单光子检测器捕捉的图像中,双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的间距适合(一般在20~50像素)。调整好后,在双脉冲激光照射下,一次连续拍摄50~100帧图像。
5)调整物镜焦平面到新的位置(使用PI纳米位移控制器数控模式精确调节),调整激光双脉冲时间间隔t,使用单光子检测器再拍摄一组图像。重复4-5的步骤,即可拍摄不同位置的图像。
6)将拍摄的图像以tif序列图像格式导出,使用图像分析软件进行处理。
利用本实施例的上述装置和方法,结合下述三个测量实验来说明本发明的优越性:
(1)微流道实验:
对截面50×20μm的方管微流道,驱动压力P=30kPa,示踪粒子φ200nm,激光脉冲脉宽5ns,脉冲间隔1ms,激光强度约10mJ条件下观测流动。对10个垂向位置纪录了流场图像,并用PIV方法分析速度场,最大速度达到0.22m/s。
(2)磁性液体在Y型微流道混合实验:
观测磁性液体在Y型微流道(宽101.6μm、深67.1μm、长1cm)中的混合过程,流场观测范围在10×时达到800μm。
(3)φ50nm荧光粒子溶液静态观测:
利用PI物镜纳米定位仪,调节物镜焦平面位置,静态观测溶液中φ50nm荧光粒子的灰度变化,在垂直方向0~300nm范围调节,精度为10nm。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种微流道速度分布的测量装置,包括:
一显微镜(10),该显微镜有一物镜(20)和一反射装置(17);其特征在于,还包括:
一双脉冲激光器(12),该双脉冲激光器发出的激光经过一光学***(11)进入所述显微镜(10)的反射装置(17),激光反射进入所述物镜(20)并进入视场;
一用于记录物镜(20)所观测的微流道(21)中荧光粒子的光强分布的光量子检测器(13)与所述显微镜(10)配合;
一同步控制器(14)分别与所述光量子检测器(13)和双脉冲激光器(12)连接;
一处理器(15)分别与所述同步控制器(14)、光量子检测器(13)连接。
2.根据权利要求1所述微流道速度分布的测量装置,其特征在于,还包括一用于调节所述物镜(20)位置的位移控制器(16)安装在所述物镜(20)上。
3.根据权利要求1所述微流道速度分布的测量装置,其特征在于,所述处理器(15)为一计算机。
4.根据权利要求1、2或3任一项所述微流道速度分布的测量装置,其特征在于,所述光学***(11)为聚焦透镜和准直透镜。
5.一种根据权利要求1的微流道速度分布的测量方法,包括如下步骤:
1)将各仪器调整至准备工作状态;
2)向微流道注入荧光粒子溶液,驱动管道内液体流动,然后将微管道固定在显微镜工作台上;
3)关闭环境光源,使用连续光观察粒子运动,并通过光量子检测器采集图像;调节物镜的垂直位置直到微流道的下底面成像最清晰的位置;
4)设定光量子探测器曝光时间T,激光双脉冲间隔时间t,且t<T;调整t值,使得光量子检测器捕捉的图像中,双脉冲激光照射得到的同一个粒子的两个光斑的间距在20~50像素;
5)在双脉冲激光照射下,连续拍摄多帧图像;
6)调整物镜焦平面到新的位置,调整激光双脉冲时间间隔t,使用光量子检测器再拍摄多帧图像;
7)重复步骤6),拍摄不同位置的图像。
6.根据权利要求5所述微流道速度分布的测量方法,其特征在于,所述步骤2)中是通过气源驱动管道内液体流动。
7.根据权利要求5或6所述微流道速度分布的测量方法,其特征在于,所述步骤4)中曝光时间为0ms~100ms。
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