[發(fā)明專利]基于嵌入式雙芯PCF的MEMS多普勒測(cè)速方法和裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310025600.9
• 申請(qǐng)日: 2013-01-23
• 公開（公告）號(hào): CN103116035A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃雪峰;李盛姬;王關(guān)晴;劉彥;羅丹;溫正城;丁寧;徐江榮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P5/26
• 分類號(hào): G01P5/26
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微流體速度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于雙芯光子晶體光纖的多普勒測(cè)速方法和裝置。

背景技術(shù)

目前，激光測(cè)速系統(tǒng)中有三種常見的檢測(cè)模式，分別為參考光模式、單光束-雙散射模式和雙光束-雙散射模式。雙光束-雙散射模式的測(cè)量結(jié)果不受接收方向的影響，因?yàn)楸粡V泛使用。通常，大多數(shù)雙光束-雙散射模式的測(cè)量裝置均為利用分光鏡分束和平面鏡反射而形成兩束光，滿足干涉條件的兩束光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。但干涉場(chǎng)形成的難度較大，并且所測(cè)量物體很難剛好通過(guò)干涉場(chǎng)，測(cè)量控制體的體積較小，測(cè)量區(qū)域受到一定的限制。根據(jù)多普勒測(cè)速原理可知???????????????????????????????????????????????，其中是待測(cè)速度在垂直于干涉條紋方向的分量，為激光器入射光波長(zhǎng)，為多普勒頻移量，為兩束干涉光夾角的半角。因此通過(guò)測(cè)量?jī)墒缮婀馐膴A角和分析采集并處理后的頻譜信號(hào)便能確定速度。

由于采用分光鏡分束和全反鏡反射方式獲得兩束相干光，而且接收單元包括接收透鏡、孔徑光闌、針對(duì)光闌等調(diào)光器件，其光路調(diào)整相當(dāng)復(fù)雜和繁瑣。而且需要保證兩束光在光電探測(cè)器上實(shí)現(xiàn)外差檢測(cè)，因此，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜、裝置龐大、調(diào)試?yán)щy、難以獲得良好的相干條件和外差條件，從而難以滿足測(cè)量精度。

為了簡(jiǎn)化裝置，后來(lái)提出了光纖多普勒測(cè)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光纖來(lái)傳輸激光束，還可以使用多束光纖形成多路光，可以獲得更多的速度信息。但該系統(tǒng)仍然僅能用于宏觀流動(dòng)流速的測(cè)試，難以滿足MEMS系統(tǒng)的測(cè)量要求。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)在激光多普勒測(cè)速裝置不易微型化、控制體較小及測(cè)量精度不高等缺點(diǎn)。本發(fā)明提出采用嵌入式雙芯光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)MEMS微通道內(nèi)微粒速度的測(cè)量。利用雙芯光子晶體光纖的兩個(gè)導(dǎo)光纖芯實(shí)現(xiàn)傳輸光路，可以獲得兩路相干光，完全可以取代傳統(tǒng)的兩路分離光束方式，使得測(cè)量探頭和裝置實(shí)現(xiàn)微型化。并且把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS芯片中，去掉裝置不穩(wěn)定和背景光的干擾。由于光纖出射端面光束的發(fā)散角較大，因此可以獲得較大的干涉控制體的體積，使測(cè)量區(qū)域獲得放大，提高測(cè)量空間范圍。

本發(fā)明采用測(cè)量干涉條紋間距的方法，同時(shí)采集和分析頻譜信號(hào)來(lái)獲得多普勒頻移量，再通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，便能獲得微粒運(yùn)動(dòng)速度。

本發(fā)明方法步驟如下：

（1）把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS中，使雙芯光子晶體光纖出射端面與MEMS中微通道的壁面平齊。

（2）調(diào)節(jié)雙芯光子晶體光纖獲得相干光，使得雙芯光子晶體光纖的雙芯出射光相干，形成清晰的等間距的干涉條紋。

（3）調(diào)節(jié)雙芯光子晶體光纖使得形成的干涉條紋方向垂直于微通道軸線方向。

（4）通過(guò)對(duì)干涉條紋成像，分析干涉條紋圖像獲得隨條紋間距變化的光強(qiáng)分布圖。

（5）利用標(biāo)尺對(duì)條紋間距進(jìn)行標(biāo)定，獲得在接收位置處干涉條紋的間距。

（6）當(dāng)運(yùn)動(dòng)微粒通過(guò)干涉條紋時(shí)而散射，使入射光發(fā)生多普勒頻移，利用光電探測(cè)器接收散射光信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)處理和傅里葉變換獲得多普勒頻移量。

（7）通過(guò)獲得的在接收位置處干涉條紋間距和多普勒頻移量計(jì)算出垂直于干涉條紋方向的速度，即微粒在微通道軸線方向的運(yùn)動(dòng)速度。

本發(fā)明裝置包括激光光源、激光驅(qū)動(dòng)器、精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器、雙芯光子晶體光纖、MEMS芯片、多模光纖、第二光纖適配器、第二傳輸光纖、光纖耦合器、透鏡、CCD檢測(cè)元件、光電探測(cè)器、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。

所述的激光光源在激光驅(qū)動(dòng)器的作用下發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器進(jìn)入雙芯光子晶體光纖；精密光纖耦合器把入射的激光耦合進(jìn)入第一傳輸光纖，第一傳輸光纖的出射端面通過(guò)第一光纖適配器與雙芯光子晶體光纖連接在一起。

所述的雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS芯片中，雙芯光子晶體光纖的出射端面與MEMS芯片中微通道壁面平齊；多模光纖布置在雙芯光子晶體光纖的微通道同側(cè)，用于接收微粒后向散射光；多模光纖與雙芯光子晶體光纖固定在一起，多模光纖入射端面與雙芯光子晶體光纖出射端面保持平齊。