[发明专利]基于嵌入式双芯PCF的MEMS多普勒测速方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于微流体速度测量技术领域，涉及一种基于双芯光子晶体光纤的多普勒测速方法和装置。

背景技术

目前，激光测速系统中有三种常见的检测模式，分别为参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。双光束-双散射模式的测量结果不受接收方向的影响，因为被广泛使用。通常，大多数双光束-双散射模式的测量装置均为利用分光镜分束和平面镜反射而形成两束光，满足干涉条件的两束光产生干涉现象。但干涉场形成的难度较大，并且所测量物体很难刚好通过干涉场，测量控制体的体积较小，测量区域受到一定的限制。根据多普勒测速原理可知                                               ，其中是待测速度在垂直于干涉条纹方向的分量，为激光器入射光波长，为多普勒频移量，为两束干涉光夹角的半角。因此通过测量两束干涉光束的夹角和分析采集并处理后的频谱信号便能确定速度。

由于采用分光镜分束和全反镜反射方式获得两束相干光，而且接收单元包括接收透镜、孔径光阑、针对光阑等调光器件，其光路调整相当复杂和繁琐。而且需要保证两束光在光电探测器上实现外差检测，因此，整个系统复杂、装置庞大、调试困难、难以获得良好的相干条件和外差条件，从而难以满足测量精度。

为了简化装置，后来提出了光纤多普勒测速系统。该系统采用光纤来传输激光束，还可以使用多束光纤形成多路光，可以获得更多的速度信息。但该系统仍然仅能用于宏观流动流速的测试，难以满足MEMS系统的测量要求。

发明内容

为了克服现在激光多普勒测速装置不易微型化、控制体较小及测量精度不高等缺点。本发明提出采用嵌入式双芯光子晶体光纤实现MEMS微通道内微粒速度的测量。利用双芯光子晶体光纤的两个导光纤芯实现传输光路，可以获得两路相干光，完全可以取代传统的两路分离光束方式，使得测量探头和装置实现微型化。并且把双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS芯片中，去掉装置不稳定和背景光的干扰。由于光纤出射端面光束的发散角较大，因此可以获得较大的干涉控制体的体积，使测量区域获得放大，提高测量空间范围。

本发明采用测量干涉条纹间距的方法，同时采集和分析频谱信号来获得多普勒频移量，再通过简单的计算，便能获得微粒运动速度。

本发明方法步骤如下：

（1）把双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS中，使双芯光子晶体光纤出射端面与MEMS中微通道的壁面平齐。

（2）调节双芯光子晶体光纤获得相干光，使得双芯光子晶体光纤的双芯出射光相干，形成清晰的等间距的干涉条纹。

（3）调节双芯光子晶体光纤使得形成的干涉条纹方向垂直于微通道轴线方向。

（4）通过对干涉条纹成像，分析干涉条纹图像获得随条纹间距变化的光强分布图。

（5）利用标尺对条纹间距进行标定，获得在接收位置处干涉条纹的间距。

（6）当运动微粒通过干涉条纹时而散射，使入射光发生多普勒频移，利用光电探测器接收散射光信号，并进行信号处理和傅里叶变换获得多普勒频移量。

（7）通过获得的在接收位置处干涉条纹间距和多普勒频移量计算出垂直于干涉条纹方向的速度，即微粒在微通道轴线方向的运动速度。

本发明装置包括激光光源、激光驱动器、精密光纤耦合器、第一传输光纤、第一光纤适配器、双芯光子晶体光纤、MEMS芯片、多模光纤、第二光纤适配器、第二传输光纤、光纤耦合器、透镜、CCD检测元件、光电探测器、图像采集卡、数据采集卡和计算机。

所述的激光光源在激光驱动器的作用下发出的光依次经过精密光纤耦合器、第一传输光纤、第一光纤适配器进入双芯光子晶体光纤；精密光纤耦合器把入射的激光耦合进入第一传输光纤，第一传输光纤的出射端面通过第一光纤适配器与双芯光子晶体光纤连接在一起。

所述的双芯光子晶体光纤嵌入到MEMS芯片中，双芯光子晶体光纤的出射端面与MEMS芯片中微通道壁面平齐；多模光纤布置在双芯光子晶体光纤的微通道同侧，用于接收微粒后向散射光；多模光纤与双芯光子晶体光纤固定在一起，多模光纤入射端面与双芯光子晶体光纤出射端面保持平齐。