基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统的制作方法

1.本发明涉及的是一种基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统，可用于液体粘滞度的精确快速测量，属于光学精密测量技术领域。


背景技术：

2.粘滞度及其测量与人们的生活、工农业生产和科学研究密切相关，在生物、医学、石油、化工、建材、国防等工业部门和科学研究领域具有广泛应用。例如在医学领域，测量生物体内液体(如血液)的粘滞度可以提供疾病诊断和健康监测所需的信息。药物的粘滞度测量能够揭示其纯度和品质，从而确保药物的有效性和安全性。在石油产业中，粘滞度是评估原油和润滑油品流动性的关键标志，直接关系到产品的质量和性能。然而，高粘滞度的液体有时会影响生产和运输，例如原油的高粘滞度会导致输送困难，增加能源消耗。因此，粘滞度具有非常重要的理论价值和应用价值，粘滞度的测量在有关流体的领域中是一项关键的工作。
3.旋转法、毛细管法、落体法和振动法是几种传统的测量粘滞度的方法。这几种粘滞度测量方法测量原理各不相同，也各有优缺点。由传统粘滞度测量方法制成的粘度计结构简单、操作方便，能基本满足工业生产的要求，但是也存在着难以克服的缺点，如测量所需样品量大、测量成本高、测量精度低、安全性差。
4.然而，随着工业水平的发展，在某些特殊场景下进行粘滞度测量时，传感器或测量装置不能接触液体内部，因此传统的测量方法便不再适用。近年来，伴随着光纤光栅技术、超声波技术、现代传感技术以及微电子技术的飞速发展一些新型的粘滞度测量方法展现了其在不同环境下测量的优越性。
5.近年来，基于光学原理的精密测量技术在科学研究和工业应用中得到了广泛关注。光辐射力测量技术是一种利用激光束对微小颗粒施加光辐射力，通过测量颗粒在光场中的运动来推断液体的粘滞度的方法。这种技术具有非侵入性、高灵敏度、快速测量等优点，逐渐成为了一种有潜力的粘滞度测量方法。
6.液体粘滞度测量在工业化进程中起着不可或缺的作用，因此，粘滞度测量方法的研究还在不断进步，粘滞度测量技术必会朝着更加精确、更加方便、更加高效和更加智能化的方向发展。
7.本发明公开了一种基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统。利用单光束光阱捕获悬浮于粘滞度未知的液体样品中的微纳颗粒，垂直于捕获光光轴方向施加周期性脉冲光推动微纳颗粒在光势阱范围内位移，通过四象限探测器采集微纳颗粒的背向散射光信号，精确测量出微纳颗粒在光势阱中的位移量。根据测量参数，基于郎之万动力学理论，实现液体粘滞度的精密测量。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种精度高、所需样品少、成本低、非接触等优点基于光辐
射力的液体粘滞度精密测量系统。
9.本发明的目的是这样实现的：
10.它由激光器1、13；透镜2、3、14、15；反射镜4、21；双色镜5；取样镜6；显微物镜7、17；载物台8；样品池9；微纳颗粒10；聚光镜11；照明光源12；斩波器16；四象限探测器18；滤光片19；ccd相机20；计算机22组成。所述系统中，中心波长为λ1连续激光器1输出的连续激光光束经透镜2和透镜3扩束准直，经反射镜4和双色镜5的反射后耦合进显微物镜7，捕获悬浮于样品池9中的微纳颗粒10。同时，中心波长为λ2连续激光器13输出稳定连续激光光束，经透镜14和透镜15扩束准直后，在斩波器16的作用下，输出周期为t的脉冲激光光束，后耦合进显微物镜17，产生的光辐射力推动被捕获的微纳颗粒10在光势阱范围内发生位移。被捕获的微纳颗粒10产生的背向散射光由显微物镜7收集，一部分被取样镜6吸收反射，再经滤光片19后，被四象限探测器18感应，四象限探测器18接收的光信号经计算机22分析处理得到微纳颗粒的位移量；另一部分光透过取样镜6和双色镜5后，再经反射镜21的反射被ccd相机20接收，实现对光势阱微纳颗粒运动状态的监测，检测画面在计算机22中显示，其中聚光镜11和照明光源12的作用是照明样品池9。
11.在基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统中，中心波长为λ1连续激光器1发出的连续激光光束，在样品池9中捕获微纳颗粒10；中心波长为λ2连续激光器13发出的连续激光光束在斩波器16的作用下，形成的脉冲激光光束与中心波长为λ1连续激光器1发出的连续激光光束互相垂直，并推动被捕获的微纳颗粒10在光势阱中发生位移，四象限探测器18用于测量微纳颗粒10在光势阱中运动的位移量x。基于郎之万动力学理论，该过程可以描述为：
12.式中，m为微纳颗粒的质量，κ为光阱刚度，x(t)为随机布朗力，fs(t)为脉冲光辐射力，γ＝6πrη是阻尼系数，r为微纳颗粒的半径，η为液体的粘滞度。
13.光阱刚度κ是光镊力学特征的重要参数，定义为粒子受到的光阱捕获力与粒子偏离光阱中心的距离之比。通过对上式进行傅里叶变换，得到微纳颗粒的功率谱密度表达式，采用功率谱密度法可对光阱刚度进行准确标定。通过胡克定律f＝κ
·
δx，κ为光阱刚度，δx为微纳颗粒在光势阱中的位移量。
14.式中为加速度，为速度。结合f＝ma，可以精确测量在已知光阱刚度下的液体粘滞度。
15.本发明实验过程中将利用具有不同直径的微纳颗粒进行标定实验，运用功率谱法对微纳颗粒的布朗运动功率谱进行分析，以推断光场力的刚度。通过这一方法，能够精准地标定微纳颗粒所受光场力的特性。
16.实现本发明需要精确测量样品池中微纳颗粒受到的合外力。根据四象限探测器收集到的位移图像建立微纳颗粒的三维多物理场耦合模型，并设立麦克斯韦边界条件，用有限元方法分析光场力对微纳颗粒运动的影响，这有助于理解光场力如何影响颗粒并计算其受力情况。
附图说明
17.图1是一种基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统的结构示意图。
18.图2是微纳颗粒在捕获光势阱中受光辐射力作用的运动状态示意图。
19.图3是推动光和捕获光的光强度随时间变化示意图。
20.附图标记说明：1-激光器；2-透镜；3-透镜；4-反射镜；5-双色镜；6-取样镜；7-显微物镜；8-载物台；9-样品池；10-微纳颗粒；11-聚光镜；12-照明光源；13-激光器；14-透镜；15-透镜；16斩波器；17-显微物镜；18-四象限探测器；19-滤光片；20-ccd相机；21-反射镜；22-计算机。
具体实施方式
21.下面结合实例对本发明进行进一步的详细说明，以令本领域的技术人员参照说明书文字能够据以实施。
22.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
23.本发明提供的是一种基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统。其特征是：所述系统由激光器1、13；透镜2、3、14、15；反射镜4、21；双色镜5；取样镜6；显微物镜7、17；载物台8；样品池9；微纳颗粒10；聚光镜11；照明光源12；斩波器16；四象限探测器18；滤光片19；ccd相机20；计算机22组成。所述系统中，中心波长为λ1连续激光器1输出的连续激光光束经透镜2和透镜3扩束准直，经反射镜4和双色镜5的反射后耦合进显微物镜7，捕获悬浮于样品池9中的微纳颗粒10。同时，中心波长为λ2连续激光器13输出稳定连续激光光束，经透镜14和透镜15扩束准直后，在斩波器16的作用下，输出周期为t的脉冲激光光束，后耦合进显微物镜17，产生的光辐射力推动被捕获的微纳颗粒10在光势阱范围内发生位移。被捕获的微纳颗粒10产生的背向散射光由显微物镜7收集，一部分被取样镜6吸收反射，再经滤光片19后，被四象限探测器18感应，四象限探测器18接收的光信号经计算机22分析处理得到微纳颗粒10的位移量；另一部分光透过取样镜6和双色镜5后，再经反射镜21的反射被ccd相机20接收，实现对光势阱微纳颗粒运动状态的监测，检测画面在计算机22中显示，其中聚光镜11和照明光源12的作用是照明样品池9。
24.所述系统中，光捕获系统主要由中心波长为λ1连续激光器1、透镜2、透镜3、反射镜4、双色镜5、显微物镜7、载物台8、样品池9和微纳颗粒10组成。中心波长为λ1连续激光器1输出的稳定连续激光光束经透镜2和透镜3扩束准直，再经反射镜4和双色镜5的反射后，激光光束耦合进显微物镜7，实现捕获悬浮于样品池9中的微纳颗粒10。在光捕获微纳颗粒的过程中会形成一个三维光学势阱，微纳颗粒在光辐射力的作用下被困于光势阱的底部。
25.所述系统中，周期性脉冲光推动系统主要由中心波长为λ2连续激光器13、透镜14、透镜15、斩波器16、显微物镜17、样品池9、微纳颗粒10和计算机22组成。中心波长为λ2连续激光器13输出稳定连续激光光束，经透镜14和透镜15扩束准直后，在斩波器16的作用下，输出周期为t的脉冲激光光束，最后耦合进显微物镜17，产生的光辐射力实现推动被捕获的微纳颗粒10在光势阱中运动，脉冲激光光束的频率可通过计算机22控制斩波器16的频率进行调节。
26.所述系统中，微纳颗粒位移精密测量系统主要由取样镜6、显微物镜7、载物台8、样
品池9、微纳颗粒10、四象限探测器18、滤光片19和计算机22组成。样品池9中被捕获的微纳颗粒10产生的背向散射光由显微物镜7收集，一部分光被取样镜6吸收反射，再经滤光片19后被四象限探测器18感应，四象限探测器18接收到的背向散射光信号经计算机22分析处理得到微纳颗粒10的位移量。
27.提供以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改均应涵盖在本发明的范围内。

技术特征：
1.本发明提供的是一种基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统。其特征是：所述系统由激光器1、13；透镜2、3、14、15；反射镜4、21；双色镜5；取样镜6；显微物镜7、17；载物台8；样品池9；微纳颗粒10；聚光镜11；照明光源12；斩波器16；四象限探测器18；滤光片19；ccd相机20；计算机22组成。所述系统中，中心波长为λ1连续激光器1输出的连续激光光束经透镜2和透镜3扩束准直，经反射镜4和双色镜5的反射后耦合进显微物镜7，捕获悬浮于样品池9中的微纳颗粒10。同时，中心波长为λ2连续激光器13输出稳定连续激光光束，经透镜14和透镜15扩束准直后，在斩波器16的作用下，输出周期为t的脉冲激光光束，然后耦合进显微物镜17，产生的光辐射力推动被捕获的微纳颗粒10在光势阱范围内发生位移。被捕获的微纳颗粒10产生的背向散射光由显微物镜7收集，一部分被取样镜6吸收反射，再经滤光片19后，被四象限探测器18感应，四象限探测器18接收的光信号经计算机22分析处理得到微纳颗粒10的位移量；另一部分光透过取样镜6和双色镜5后，再经反射镜21的反射被ccd相机20接收，实现对光势阱中微纳颗粒运动状态的监测，检测画面在计算机22中显示，其中聚光镜11和照明光源12的作用是照明样品池9。2.根据权利要求1所述的一种基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统。光捕获系统主要由中心波长为λ1连续激光器1、透镜2、透镜3、反射镜4、双色镜5、显微物镜7、载物台8、样品池9和微纳颗粒10组成。中心波长为λ1连续激光器1输出的连续激光光束经透镜2和透镜3扩束准直，再经反射镜4和双色镜5的反射后，激光光束耦合进显微物镜7，捕获样品池9中的悬浮微纳颗粒10。在光捕获微纳颗粒的过程中会形成一个三维光学势阱，微纳颗粒在光辐射力的作用下被困于光势阱的底部。3.根据权利要求1所述的一种基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统。周期性脉冲光推动系统主要由中心波长为λ2连续激光器13、透镜14、透镜15、斩波器16、显微物镜17、样品池9、微纳颗粒10和计算机22组成。中心波长为λ2连续激光器13输出稳定连续激光光束，经透镜14和透镜15扩束准直后，在斩波器16的作用下，输出为周期为t的脉冲激光光束，最后耦合进显微物镜17，产生的光辐射力实现推动被捕获的微纳颗粒10在光势阱中运动，脉冲激光光束的频率可通过计算机22控制斩波器16的频率进行调节。4.根据权利要求1所述的一种基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统。微纳颗粒位移精密测量系统主要由取样镜6、显微物镜7、载物台8、样品池9、微纳颗粒10、四象限探测器18、滤光片19和计算机22组成。样品池9中被捕获的微纳颗粒10产生的背向散射光由显微物镜7收集，一部分光被取样镜6吸收反射，再经滤光片19后被四象限探测器18感应，四象限探测器18接收到的背向散射光信号经计算机22分析处理得到微纳颗粒的位移量。

技术总结
本发明提供的是一种基于光辐射力的液体粘滞度精密测量系统。其特征是：该系统由光捕获、光推动和位移精密测量三部分组成。激光器输出的连续激光经显微物镜聚焦后，稳定捕获悬浮在溶液中的单个微纳颗粒。另一束与其光轴垂直的激光经斩波器产生具有一定周期的脉冲光，周期性推动被捕获的微纳颗粒在光阱范围内发生位移。使用四象限探测器接收微纳颗粒的背向散射光，实现微纳颗粒在光势阱中位移量的精密测量。根据测量参数，基于郎之万动力学理论，实现液体粘滞度的精密测量。本发明构建的系统具有精度高、所需样品少、成本低和非接触等特点，在生物学、医学、化工、国防等工业和科研领域具有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。


技术研发人员：尹君 陈科 于凌尧 侯浩一 闫克松 卢海欣 苑立波
受保护的技术使用者：南宁桂电电子科技研究院有限公司
技术研发日：2023.08.25
技术公布日：2023/10/11