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1、(10)申请公布号 CN 103675333 A (43)申请公布日 2014.03.26 CN 103675333 A (21)申请号 201310659457.9 (22)申请日 2013.12.08 G01P 5/20(2006.01) (71)申请人 中国科学院过程工程研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村北二条 1 号 (72)发明人 杨超 王曦 冯鑫 程荡 张伟鹏 汪洋 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 成金玉 孟卜娟 (54) 发明名称 一种实时测量微流体速度场的装置及方法 (57) 摘要 本发明公开了一种实时测量微流体速度场的 。
2、装置及方法， 包括照明光源、 自制的光路处理器、 感光元件、 同步控制器、 数据采集和分析系统。测 量方法为将待测微流控元件固定于支架上， 根据 CCD 相机中的实时图像调整待测元件位置， 通过 微量注射泵驱动含有示踪粒子的样品进入待测 微流控元件中， 在流动稳定后， 开启双脉冲激光 器和 CCD 相机进行拍摄， 经光路处理器对光源进 行过滤以保证特定波长光源进入感光元件 ； CCD 相机通过同步器与脉冲激光器保持同步， 将捕捉 到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统 中。本发明采用自制的光路处理器替代了现有 Micro-PIV 技术中的显微镜， 降低了测量装置的 成本， 同时提高了整套测量。
3、装置的灵活性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103675333 A CN 103675333 A 1/1 页 2 1. 一种实时测量微流体速度场的装置， 其特征在于包括 ： 照明光源、 自制的光路处理 器、 感光元件、 同步控制器、 数据采集和分析系统 ； 所述照明光源为双脉冲激光器 ； 同步控 制器同步控制光源及感光元件保持同步 ； 采用 CCD 相机作为感光元件 ； 双脉冲激光器发出 的激光直接照射在微流控测量元件表面， 。
4、微流控测量元件固定于支架上 ； 所述自制的光路 处理器对透过微流控测量元件且进入 CCD 相机前的光路进行处理， 经处理后的光路由所述 CCD 相机所捕捉， CCD 相机通过同步控制器与双脉冲激光器保持同步， 触发一次瞬间捕捉 两帧图像， 同时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统中 ； 所述自制的光路 处理器包括图像放大装置和滤光片 ： 图像放大装置由显微镜头和接管构成， 选用图像放大 4 倍 -100 倍的显微镜头， 显微镜头与接管之间采用螺纹连接 ； 接管的一端与显微镜头相连 接， 另一端与CCD相机相连接 ； 滤光片采用560nm以上高通滤光片， 滤光片内置于接管中， 且 滤光。
5、片直径与接管内径相等。 2. 根据权利要求 1 所述的实时测量微流体速度场的装置， 其特征在于 ： 所述接管长度 为 50-150mm， 外径为 25mm， 内径为 20mm。 3. 根据权利要求 1 所述的实时测量微流体速度场的装置， 其特征在于 ： 所述微流控测 量元件的材质为透光性较好的聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA） 、 聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 或玻璃。 4. 一种实时测量微流体速度场的方法， 其特征在于实现步骤为 ： 首先将微流控测量元 件固定于支架上， 根据CCD相机中的实时图像调整微流控测量元件位置 ； 设定CCD相机的跨 帧时间， 使其大于双脉冲激光器脉冲间隔时间 ； 通过。
6、微量注射泵驱动含有示踪粒子的样品 进入微流控测量元件中， 待流动稳定后， 开启双脉冲激光器和 CCD 相机进行拍摄， 经光路处 理器对光源进行过滤以保证特定波长光源进入 CCD 相机 ； 图像的放大倍率通过显微镜头与 接管长度共同调节 ； CCD 相机通过同步控制器与双脉冲激光器保持同步， 触发一次瞬间捕 捉两帧图像， 同时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统中。 5. 根据权利要求 4 所述的一种实时测量微流体速度场的方法， 其特征在于 ： 所述测量 过程所采用的示踪粒子粒径尺寸为 1m-3m。 6. 根据权利要求 4 所述的一种实时测量微流体速度场的方法， 其特征在于所述微流控 。
7、测量元件的材质为透光性较好的聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA） 、 聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 或玻 璃， 微流控测量元件内微通道的特征尺寸为 100m-1000m。 权 利 要 求 书 CN 103675333 A 2 1/4 页 3 一种实时测量微流体速度场的装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种微流体混合过程的测量装置及方法， 尤其是针对特征尺寸在 100m-1000m 的微流控元件内流体速度场的实时测量。 背景技术 0002 随着微电子机械制造技术的发展 , 近年来反应器的微小化已经成为化学化工等 领域的一个研究热点。微尺度流动在精细化工、 制药、 生命科学等领域中有着广泛的应用。
8、。 按照国际流体动力学界的习惯划分， 将特征尺度在1m到lmm之间的流动界定为微尺度流 动。 对如此小尺度的流动进行速度场的定量测量， 传统的皮托管、 热线风速仪等已经无能为 力。 0003 20 世纪 90 年代末， 国际上在传统的 PIV（Particle Image Velocimetry） 技术基 础上发展了一种对微尺度流动进行全场测量的实验方法， 即 Micro-PIV 技术。目前， 此技 术仍是微流体领域速度场测量最为有效且使用较为广泛的测量方法。与传统 PIV 测速的 原理一样， 目前采用的 Micro-PIV 也是在流场中播撒流动跟随性很好的示踪粒子， 对粒子 进行激光照明， 。
9、由 CCD（Charge Coupled Device） 相机记录连续两次曝光时间间隔粒子的 位移情况， 最后通过计算机图像分析技术给出瞬时速度场。但由于所研究问题的特殊性， Micro-PIV 技术与传统的 PIV 存在较大差别， 主要表现在如下几个方面 ：（1） 获取图像的方 式不同。由于流动尺度在数十微米到亚毫米量级， 普通 CCD 相机没有办法获取如此小尺度 下的粒子图像， 因此必须采用显微观测技术才能够得以实现。 （2） 光照方式不同。传统 PIV 测量流场的照明方式采用片光源技术仅对测量平面进行照明， 为了获得较高的测量精度， 光片厚度要求小于照相系统的景深。对 Micro-PIV。
10、 技术而言， 由于待测流场尺度微小， 无论 采用何种方式对流场进行照明， 光照区域都可能超出流动通道截面的尺度。 此外， 由于加工 条件的限制， 流体元件往往仅有一个开窗面能够通过光路， 作为进光与采集图像共同的窗 口。因此， 对于 Micro-PIV 测量流场是被通体照亮， 称为体照明方式。 （3） 播撒粒子的要求 高。在微尺度条件下， 粒子的选择更为严格。示踪粒子应不对流场产生干扰， 也不能够对流 道造成堵塞， 所以粒径大小一般控制在数百纳米， 这样容易受到布朗运动的影响， 造成较大 的随机误差， 需要采用有效方法减小这种误差 ； 另外， 由于普通粒子的散射光强度无法满足 成像要求， 必须。
11、采用荧光粒子作为示踪粒子， 选择的荧光物质激发光波长应和照明光波长 匹配。 0004 正是基于上述差别， 现有对微流体速度场的测量装置均是以显微镜为测量平 台附加 PIV 测量元件而构成的。中国发明专利申请 CN101122610A 公开了一种基于显 微镜测量平台的微流道速度分布测量装置。中国发明专利申请 CN101710131A 公开了 一种基于倒置荧光显微镜的离焦数字三维微流场荧光测试仪。Lindken 等 (Lab on chip,2009,9:2551-2567) 综述了基于倒置荧光显微镜的 Micro-PIV 测量技术的应用和研 究进展。然而， 对于现有 Micro-PIV 技术而言。
12、， 围绕倒置显微镜构造测量平台尽管解决了光 源和图像获取的问题， 但是整套装置成本较高， 且整个测量装置的灵活性受到显微镜光源 说 明 书 CN 103675333 A 3 2/4 页 4 以及载物台的限制， 对于较复杂形状的立体微流控芯片无法实现多角度测量。 发明内容 0005 本发明技术解决问题 ： 克服对现有 Micro-PIV 测量技术存在不足的分析， 提供 了一种微流体速度场的实时测量装置及方法， 本发明采用自制的光路处理器替代了现有 Micro-PIV 技术中的显微镜， 降低了测量装置的成本， 同时提高了整套测量装置的灵活性。 0006 本发明技术解决方案 ： 一种实时测量微流体速。
13、度场的装置， 包括 ： 照明光源、 自制 的光路处理器、 CCD 相机、 同步控制器、 数据采集和分析系统 ； 所述照明光源为双脉冲激光 器 ； 同步控制器同步控制光源及感光元件保持同步 ； 采用CCD相机作为感光元件 ； 双脉冲激 光器发出的激光直接照射在微流控测量元件表面， 微流控测量元件固定于支架上 ； 所述自 制的光路处理器对透过微流控测量元件且进入 CCD 相机前的光路进行处理， 经处理后的光 路由所述 CCD 相机所捕捉， CCD 相机通过同步控制器与双脉冲激光器保持同步， 触发一次瞬 间捕捉两帧图像， 同时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统中 ； 所述自制 的光路处理。
14、器包括图像放大装置和滤光片 ： 图像放大装置由显微镜头和接管构成， 选用图 像放大 4 倍 -100 倍的显微镜头， 显微镜头与接管之间采用螺纹连接 ； 接管的一端与显微镜 头相连接， 另一端与 CCD 相机相连接 ； 滤光片采用 560nm 以上高通滤光片， 滤光片内置于接 管中， 且直径与接管内径相等。 0007 所述接管长度为 50-150mm， 外径为 25mm， 内径为 20mm。 0008 一种实时测量微流体速度场的方法， 步骤为 ： 首先将微流控测量元件固定于支架 上， 根据 CCD 相机中的实时图像调整微流控测量元件位置 ； 设定 CCD 相机的跨帧时间， 使其 大于双脉冲激光。
15、器脉冲间隔时间 ； 通过微量注射泵驱动含有示踪粒子的样品进入微流控测 量元件中， 待流动稳定后， 开启双脉冲激光器和 CCD 相机进行拍摄， 经光路处理器对光源进 行过滤以保证特定波长光源进入 CCD 相机 ； 图像的放大倍率通过显微镜头与接管长度共同 调节 ； CCD 相机通过同步控制器与双脉冲激光器保持同步， 触发一次瞬间捕捉两帧图像， 同 时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统中。 0009 所述测量过程所采用的示踪粒子粒径尺寸为 1m-3m。 0010 所述微流控测量元件的材质为透光性较好的聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA） 、 聚二甲基 硅氧烷 （PDMS） 或玻璃， 微流控测。
16、量元件内微通道的特征尺寸为 100m-1000m。 0011 本发明的有益效果为 ： 采用自制的光路处理器替代了现有 Micro-PIV 技术中的显 微镜， 使整套测量装置得以简化， 并大幅降低了整套测量装置的成本。此外， 本发明克服了 基于显微镜平台的 Micro-PIV 技术中光路以及感光元件的拍摄角度受制于显微镜的缺点， 提高了测量的灵活性， 可实现多角度、 多方位测量。 附图说明 0012 图 1 为本发明测量装置示意图 ； 0013 图 2 为本发明中光路处理器示意图 ； 0014 图 3 为螺旋通道内速度场测量结果矢量图 0015 图 4 为 T 型通道入口处流体混合过程速度场测量。
17、结果矢量图 ； 0016 图 5 为 Y 型通道入口处流体混合过程速度场测量结果矢量图。 说 明 书 CN 103675333 A 4 3/4 页 5 0017 其中 ： 1- 照明光源 ； 2- 微流控测量元件 ； 3- 支架 ； 4- 自制的光路处理器 ； 5- 感光 元件 ； 6- 数据采集和处理系统 ； 7- 同步控制器 ； 8- 显微镜头 ； 9- 滤光片 ； 10- 接管。 具体实施方式 0018 如图 1 所示， 本发明一种实时测量微流体速度场的装置， 包括 ： 照明光源 1、 自制 的光路处理器 4、 感光元件 5、 同步控制器 7、 数据采集和分析系统 6。采用 Nd:YAG。
18、 双脉冲 激光器作为照明光源 1， 照明光源 1 发射波长为 532nm， 光斑直径可为 1-5mm， 该光源发出 的激光直接照射在微流控测量元件 2 表面 ； 采用自制的光路处理器 4 对透过微流控测量元 件 2 且进入感光元件 5 前的光路进行处理 ； 采用 CCD 相机作为感光元件， 采用同步控制器 （MicroPulse725， 北京立方天地科技） 同步控制照明光源 1 以及感光元件 5。 0019 本发明中自制的光路处理器 4 包括图像放大装置和滤光片 9 ； 图像放大装置由显 微镜头 8 和接管 10 构成， 可选用图像放大 4 倍 （4 镜头） -100 倍 （100 油镜） 的。
19、显微镜 头 8， 显微镜头 8 与接管 10 之间采用螺纹连接 ； 接管 10 一端与显微镜头 8 相连接， 另一端 与感光元件 5 相连接， 接管 10 的长度为 50-150mm， 外径为 25mm， 内径为 20mm ； 光路中滤光 片 9 采用 560nm 以上高通滤光片， 滤光片 9 内置于接管 10 中， 且滤光片 9 的直径与接管 10 的内径相等。 0020 本发明中的一种实时测量微流体速度场的方法， 步骤为 ： 首先将待测微流控元件 2 固定于支架 3 上， 根据 CCD 相机中的实时图像调整微流控测量元件 2 位置 ； 设定 CCD 相机 的跨帧时间， 使其小于激光器双脉冲。
20、间隔时间 ； 通过微量注射泵驱动含有示踪粒子的样品 进入待测微流控元件 2 中， 待流动稳定后， 开启双脉冲激光器和 CCD 相机进行拍摄， 经光路 处理器对照明光源进行过滤以保证特定波长光源进入 CCD 相机 ； 图像的放大倍率通过显微 镜头 8 与接管 10 长度共同调节。CCD 相机通过同步控制器 7 与脉冲激光器保持同步， 触发 一次瞬间捕捉两帧图像， 同时将捕捉到的图像数据实时传输到数据采集和分析系统 6 中， 数据采集和分析系统 6 采用商业软件 , 得出的结果就是所测量的速度场信息。 0021 测量过程所采用的示踪粒子尺寸为 1m-3m。 0022 微流控测量元件 2 选择透光性。
21、较好的聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA） 、 聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 或玻璃加工而成， 微流控测量元件内微通道的特征尺寸可为 200m-1000m。 0023 实施例 1 ： 螺旋式微通道内单液相流动速度场测量。 0024 测量元件采用内置挡板的螺旋式微通道， 通道的矩形截面宽 1000m， 深 300m。 示踪粒子为罗丹明 B， 粒子尺寸为 3m， 激光脉冲宽度为 50m， 激光强度为 30mJ, 液相进 口表观流速均为 0.1m/s， 挡板处最高流速为 0.14m/s。螺旋通道挡板附近流场矢量图如图 3 所示。 0025 实施例 2 ： T 型通道入口处流体混合过程速度场测量 0026 。
22、测量元件采用错流 T 型微通道， 通道的矩形截面宽 200m， 深 100m。示踪粒子 为罗丹明B， 粒子尺寸为1m， 激光脉冲宽度为50m， 激光强度为30mJ， 液相进样表观流速 均为 0.15m/s， 通道入口混合区流体最高流速达 0.24m/s。错流 T 型通道入口处流场矢量图 如图 4 所示。 0027 实施例 3 ： Y 型通道入口处流体混合过程速度场测量 0028 测量元件采用夹角为 60 度的 Y 型微通道， 通道的矩形截面宽 200m， 深 100m。 说 明 书 CN 103675333 A 5 4/4 页 6 示踪粒子为罗丹明B， 粒子尺寸为1m， 激光脉冲宽度为50m， 激光强度为30mJ， 液相进样 表观流速均为0.2m/s， 通道入口混合区流体最高流速达0.32m/s。 Y型通道入口处流场矢量 图如图 5 所示。 说 明 书 CN 103675333 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103675333 A 7 2/2 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103675333 A 8 。