[发明专利]一种微流道速度分布的测量装置和测量方法

说明书

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，即微电子机械系统)系统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d_p⁶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系统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，所述光学系统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