一种基于光操控的双模式微量液体流量计制造技术

本发明专利技术属于传感器技术领域，具体涉及一种基于光操控的双模式微量液体流量计。该微量液体流量计包括微流芯片、光纤、微球、泵浦激光器、显微镜和计算机平台及其配套软件。微流芯片内置微流通道充当液体流通通道；光纤插入微流通道与其共轴，端面正对于来液方向；泵浦激光器的输出光经光纤输出，操控微球；显微镜用于微球观测，计算机及其配套软件接收CCD图像信号，实时识别微球的位置，然后依据不同测量模式设定相应阈值。本发明专利技术提供的微量液体流量计测量灵敏度高，动态范围大，自动化程度高，实时性好，具有极高的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器
，具体涉及一种基于光操控的双模式微量液体流量计。
技术介绍
光操控是指用光的各种物理特性，例如光热效应、倏逝场，以及光传播具有动量等，对微纳尺寸的粒子或细胞实现束缚和操控。光操控技术具有很多优良的特性，它能非接触地操控微粒，这种操控方式可以在不损伤对象的前提下完成操控任务。微流控芯片技术已经广泛应用于生物医学、高通量药物合成筛选、食品卫生和环境监测等诸多领域。为了满足不断增长的微量液体流速测量需求，已经有各种流速测量方案提出并实现，如悬臂梁法，其检测范围在10μm/min到1000μm/min之间，但是检测极限往往是几个μm/min或更高，且最小检测变化也在几个到几十个μm/min之间，这只适合对检测精度要求低但是需要较大的测量范围的环境中。此外，基于热传导的流速检测尽管简单和敏感，但它容易受到环境温度变化的影响。总之，当前的测量技术，普遍存在在传感与测量领域的一个关键的科学问题：参数动态范围大时，往往灵敏度低；反之，灵敏度高时，测量范围小。
技术实现思路
针对
技术介绍
中提到的缺陷，本专利技术提供了一种基于光操控的双模式微量液体流量计，该微量液体流量计具有测量灵敏度高，动态范围大，自动化程度高，实时性好等特点。本专利技术具体采用如下技术方案：一种基于光操控的双模式微量液体流量计，其结构如图1所示，包括微流芯片、微球、光纤、泵浦激光器、带CCD显微镜、计算机、USB信号线和串口通信线，其特征在于：微流芯片集成有微流通道；光纤的一端伸入微流通道中且与其共轴，光纤的另一端与泵浦激光器相连；正对于光纤端面的微流通道口为待测流体输入端；USB信号线连接显微镜的CCD输出端和计算机；串口通信线连接计算机和泵浦激光器；微球在使用时加入待测流体，再与待测流体一起通入微流通道，微球在待测流体的浓度小于100个/mL，直径7-20um，与待测流体的密度比为0.75-1.25；泵浦激光器发出的激光能量经光纤端面输出；待测流体经微流通道入口进入；计算机及相关配套软件通过USB信号线接收显微镜的CCD采集的微球图像信息，实时监测微球位置信息，或将位置信息通过串口通信线反馈控制泵浦激光器，实现双模式的流速传感技术，即开环传感模式和闭环传感模式。所述开环传感模式具体为：泵浦激光器输出功率一定，微球距光纤端面的距离与当前流体流速存在一一对应关系，通过实时检测微球的位置，实现开环流体流速传感；在该模式下，流体流速越小，微球距光纤端面的距离越大，灵敏度越高。所述闭环传感模式具体为：通过实时监测微球距光纤端面的位置，串口通信线反馈控制泵浦激光器的输出功率，使得微球稳定在某一设定位置，即微球的操控距离固定，此时泵浦激光器输出功率将与流体流速存在一一对应关系，即通过串口通信线读取当前激光器的输出功率，可实现流速传感。设定开环和闭环切换的流速阈值，低于阈值时采用开环模式进行测量，高于阈值后自动切换到闭环模式进行测量。所述基于光操控的双闭环微量液体流量计，其工作流程如下：泵浦激光器发出的激光能量经光纤端面输出，待测流体加入微球经微流通道入口进入，微球在微流通道内将受到待测微量液体给予的流体力Fv、激光能量经光纤端面输出的光散射力Fao和梯度力Ftg的作用，横向梯度力Ftg使得微球被束缚在光纤轴线，光散射力Fao的方向与微球所受的流体力Fv相反，进而微球在流体力Fv和可调光力Fao的作用下，将达到受力平衡，稳定在微流通道的腔体里面；计算机通过USB信号线接收显微镜的CCD采集的图像信息，进行处理，实时监测微球的位置信息，或将位置信息通过串口通信线反馈控制泵浦激光器的输出功率，实现双模式的流速传感技术，即开环传感模式和闭环传感模式。所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其使用方法具体包括以下步骤：步骤1、打开泵浦激光器，显微镜及计算机的配套软件平台，使得微流通道和光纤端面在计算机软件平台上显示；步骤2、在微流通道入口通入加入微球的待测流体，在光力和流体力的作用下，微球受到捕获，然后操作计算机软件，实时显示和记录微球的位置；微球在待测流体的浓度小于100个/mL，直径7-20um，与待测流体的密度比为0.75-1.25；步骤3、此为流速测量标定阶段，分为两个部分，一是开环传感模式下的标定，二是闭环传感模式标定：开环传感模式下，固定泵浦激光器输出功率，通过进样泵设定一系列标准流速，记录操控距离即光纤端面与微球的距离，进而得到开环传感模式下流速与操控距离相关的标定曲线；闭环传感模式下，通过进样泵设定一系列标准流速，流速变化时，通过闭环反馈控制激光功率，使得微球的操控距离保持不变，记录泵浦激光器对应的输出功率，进而得到闭环传感模式下流速与功率相关的标定曲线；步骤4、将步骤3的标定结果，设定开环和闭环切换的流速阈值，低于阈值时采用开环模式进行测量，高于阈值后自动切换到闭环模式进行测量。综上所述，本专利技术的有益效果是：利用双模式对流速进行测量，可获得动态范围大的流速测量和高的测量灵敏度；利用软件控制和实时图像处理技术，可提供高度自动化的实时性测量；本专利技术提供的流量测量方法精度高，灵活，简便，具有很高的工程应用价值。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术工作时，微球的受力分析示意图；图3为开环工作模式下，功率为23mW，微球3操控距离与流速关系的标定图；图4为闭环工作模式下，操控距离为15μm，泵浦激光器4输出功率与流速关系的标定图；图5为基于图3，4的标定结果，测得流速和标准流速的对比图；附图标记：1-微流芯片，2-光纤，3-微球，4-泵浦激光器，5-带CCD的显微镜，6-计算机，7-USB信号线，8-串口通信线。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术做进一步的详细说明。本实施例以测量微量去离子水的流量为例，结构如图1所示，包括微流芯片1、光纤2、微球3、泵浦激光器4、带CCD显微镜5、计算机6、USB信号线7、串口通信线8。微流芯片1内含微流通道，光纤2一端连接泵浦激光器4，另一端在微流通道轴向正中央。带CCD显微镜5用于监控微流通道内的实时场景，并输出图像信号。计算机5及配套软件平台通过USB信号线7接收CCD输出的图像信号并显示，以及实时识别微球3。当微球3被稳定捕获时，就开始实时显示微球3的位置信息。串口通信线8用于计算机与泵浦激光器4之间的通信。微球选用聚丙乙烯，7um直径。其使用方法具体包括以下步骤：步骤1、打开泵浦激光器4，显微镜5及计算机6的配套软件平台，使得微流通道和光纤2端面在计算机软件平台上显示。步骤2、在微流通道入口通入加入微球3的待测流体(微球在待测流体中浓度为80个/mL)，在光力和流体力的作用下，微球3被稳定捕获。然后操作计算机软件，实时显示和记录微球3的位置。步骤3、此步骤为示例测量标定过程。具体分为开环传感模式标定和闭环传感模式标定，开环传感模式下输入功率为23.5mW，闭环传感模式下操控距离为15μm，开环与闭环传感模式的切换阈值设为5000nl/min。1)、开环传感模式标定：此时泵浦激光器4输出功率固定在23.5mW，输入流速已知且可调。将输入流速提高至5000nl/min，记录微粒3距光纤端面的距离；然后5000-1000nl/min间隔为1000nl/min，1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光操控的双模式微量液体流量计，包括微流芯片、微球、光纤、泵浦激光器、带CCD显微镜、计算机、USB信号线和串口通信线，其特征在于：微流芯片集成有微流通道；光纤的一端伸入微流通道中且与其共轴，光纤的另一端与泵浦激光器相连；正对于光纤端面的微流通道口为待测流体输入端；USB信号线连接显微镜的CCD输出端和计算机；串口通信线连接计算机和泵浦激光器；微球在使用时加入待测流体，再与待测流体一起通入微流通道，微球在待测流体的浓度小于100个/mL，直径7‑20um，与待测流体的密度比为0.75‑1.25；泵浦激光器发出的激光能量经光纤端面输出；待测流体经微流通道入口进入；计算机及相关配套软件通过USB信号线接收显微镜的CCD采集的微球图像信息，实时监测微球位置信息，或将位置信息通过串口通信线反馈控制泵浦激光器，实现双模式的流速传感技术，即开环传感模式和闭环传感模式。

【技术特征摘要】
1.一种基于光操控的双模式微量液体流量计，包括微流芯片、微球、光纤、泵浦激光器、带CCD显微镜、计算机、USB信号线和串口通信线，其特征在于：微流芯片集成有微流通道；光纤的一端伸入微流通道中且与其共轴，光纤的另一端与泵浦激光器相连；正对于光纤端面的微流通道口为待测流体输入端；USB信号线连接显微镜的CCD输出端和计算机；串口通信线连接计算机和泵浦激光器；微球在使用时加入待测流体，再与待测流体一起通入微流通道，微球在待测流体的浓度小于100个/mL，直径7-20um，与待测流体的密度比为0.75-1.25；泵浦激光器发出的激光能量经光纤端面输出；待测流体经微流通道入口进入；计算机及相关配套软件通过USB信号线接收显微镜的CCD采集的微球图像信息，实时监测微球位置信息，或将位置信息通过串口通信线反馈控制泵浦激光器，实现双模式的流速传感技术，即开环传感模式和闭环传感模式。2.如权利要求1所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其特征在于：所述开环传感模式具体为：泵浦激光器输出功率一定，微球距光纤端面的距离与当前流体流速存在一一对应关系，通过实时检测微球的位置，实现开环流体流速传感；在该模式下，流体流速越小，微球距光纤端面的距离越大，灵敏度越高。3.如权利要求1所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其特征在于：所述闭环传感模式具体为：通过实时监测微球距光纤端面的位置，串口通信线反馈控制泵浦激光器的输出功率，使得微球稳定在某一设定位置，即微球的操控距离固定，此时泵浦激光器输出功率将与流体流速存在一一对应关系，即通过串口通信线读取当前激光器的输出功率，可实现流速传感。4.如权利要求1所述基于光操控的双模式微量液体流量计，其特征在于：设定开环和闭环切换的流速阈值，低于阈值时采用开环模式进行测量，高于阈值后自动切换到闭环模式进行测量。5.根据权利要求1所述基于光操控的双闭...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚元，邱黎明，张晨琳，饶云江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51