基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置及方法，包括:沿光路方向依次设置的激光发生模块，光束准直模块，线偏振片，圆偏振片，鲍威尔棱镜，柱面镜，原子气室，探测器阵列，以及在原子气室上方设置有液体流道以及设置在所述液体流道内的磁性粒子。这种多通道原子磁力仪能够探测液体中磁性粒子的位置变化，从而达到精密测量液体流速的目的。SERF原子磁力仪具有很高的灵敏度，可以有效探测微弱的磁场变化，有利于探测到液体流速的缓慢变化。流速的缓慢变化。流速的缓慢变化。

【技术实现步骤摘要】
基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及液体流速精密测量领域，具体涉及一种基于多通道无自旋交换(SERF)原子磁力仪的液体流速精密测量装置及方法。

技术介绍

[0002]原子磁力仪是磁场测量的高灵敏度的量子精密测量仪器。高灵敏度磁场测量在生物医学、地球物理、空间技术等领域都有十分广泛的应用。
[0003]生物兼容磁性粒子的最新研究提供了灵活弱磁应用的标记物作用，可以进行磁场检测、捕获、分离和操纵生物分子与细胞。磁性粒子的主要作用是被合适的生物相容性材料包覆，并作为生物传感器引入生物系统。在生物标记后，磁性粒子可以被外部磁场操纵，用于治疗药物、基因和放射性核素的传递和磁共振成像。传统检测磁性纳米粒子的技术是超导量子干涉磁力仪(Superconducting quantuminterference device，SQUID)，然而SQUID需要液氦冷却实现超导方可正常工作，因而价格昂贵。
[0004]无自旋交换弛豫(Spin exchange relaxation free，SERF)原子磁强计，是一种运行在碱金属无自旋交互弛豫态下的高灵敏度磁力传感器。由于其具有超高的空间分辨率，易于小型化，常温即可正常工作等优点，近年来发展迅猛。SERF原子磁力仪灵敏度已达到fT/Hz
1/2
量级，适合应用于心磁、脑磁、生物兼容性磁性粒子等研究领域。
[0005]最近原子磁力仪在磁性粒子的定量测量研究中表现优秀，如使用Mx原子磁力仪可以测量磁性粒子直径，SERF磁力仪测量磁性纳米粒子分散液浓度等。然而使用原子磁力仪测量磁性粒子运动的报道较少。标记了磁性纳米粒子的药物等通过血液或其他转运的模型与磁性粒子运动模型类似。研究基于SERF磁力仪的测量磁性纳米粒子在液体中的流动可为上述问题的研究奠定基础。
[0006]由于目前液体流速大多采用机械式灵敏部件的测量，这种方式往往会受到液体浓度，环境温度等多因素影响，测量精度有一定的限制；并且在一些生物、化工领域不适合用机械式的部件进行测量。基于原子自旋测量的流速计，直接测量目标粒子激发的磁场，测量结果不受外部诸多因素干扰。

技术实现思路

[0007]本专利技术为解决现有技术的问题，提供一种基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置及方法，这种多通道原子磁力仪能够探测液体中磁性粒子的位置变化，从而达到精密测量液体流速的目的。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0009]一种基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，所述原子磁力仪装置包括:沿光路方向依次设置的激光发生模块，光束准直模块，线偏振片，圆偏振片，鲍威尔棱镜，柱面镜，原子气室，探测器阵列，以及在原子气室上方设置有液体流道以及设置在所述液体流道内的磁性粒子。
[0010]激光发生模块用以产生795nm的初始线偏振光。
[0011]光束准直模块用以调整光斑形状，产生不发散的准直光斑。
[0012]线偏振片与圆偏振片角度固定，用以实现稳定的圆偏振激光。
[0013]鲍威尔棱镜用以将圆形光斑整形为均匀分布的线条状光斑。
[0014]柱面镜用以将扩散的线条光斑整形为不发散的均匀线条状光斑，且在一定范围内可看做平行光源。
[0015]所述原子气室为长方体形，位于探测光路中实现原子与光的相互作用。
[0016]所述光电探测器阵列包括呈阵列排布的多个光电探测器，用于接收穿过原子气室的探测光，随后将光信号转化为电信号。
[0017]所述流通管道，位于原子气室的正上方。
[0018]所述磁性粒子是铁磁性易磁化粒子，测试前通过永磁体极化并嵌入泡沫小球，泡沫小球的作用是携带粒子流动。
[0019]所述磁性粒子通过原子气室上方时，由于与原子气室的距离时刻改变，磁场随距离增大而快速衰减，原子气室感受的磁场随之变化。磁性粒子包裹在泡沫小球上，由于小球在流道中随机旋转，原子气室本身感受到的磁场也时刻改变，观测到的结果为一个震荡波形。当磁性粒子经过某段气室正上方时，该段气室对应通道磁力仪测得的信号强度最大；当粒子距离气室很远时，粒子对磁力仪的影响可忽略。因而粒子通过气室过程，磁力仪感受到的磁场先增大后减小。考虑每个独立通道，磁力仪感受到的磁场变化类似一个包络。通过比对不同光电探测器的信号包络峰值出现的时间，以求得时间间隔，再结合各通道原子气室的相对位置，即可计算磁性粒子的运动速度，进而得到液体的流速。
[0020]一种基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量方法，采用基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，包括以下步骤：
[0021]1)将各个光电探测器采集得到的电信号原始数据进行拟合，得到各个光电探测器不同时刻的数据波形图；
[0022]2)将各个光电探测器不同时刻的数据波形图进行归一化处理，并利用带通滤波得到图像包络图，图像包络图包括各个光电探测器的图像包络，利用寻峰算法求得各个光电探测器的图像包络的包络峰值所对应的时刻，经过多次测量，得到各个光电探测器平均时刻；
[0023]3)通过各个光电探测器平均时刻计算液体流道内液体的流速。
[0024]步骤3)中，通过各个光电探测器平均时刻计算液体流道内液体的流速，具体包括：
[0025]各个光电探测器平均时刻分别为T1,T2,
…
,T
n
(其中T1＜T2＜
…
＜T
n
)，光电探测器的个数为n，光电探测器之间的摆放间隔为X，则流速V可以通过以下表达式预测计算:
[0026]V＝[X/(T2‑
T1)+X/(T3‑
T2)+
…
+X/(T
n
‑
T
n
‑1)]/(n
‑
1)。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0028]1.SERF原子磁力仪具有很高的灵敏度，可以有效探测极微弱的磁场变化，有利于探测到液体流速的缓慢变化。
[0029]2.多通道光电探测器阵列，可实现磁性粒子的运动位置和速度实时监测，单个光电检测可实现光信号垂直两方向的偏振强度检测，具有较高效率，双方向的检测可以相互校准，进一步提高了液体流速测量的灵敏度并且得到更全面的流速变化数据。
[0030]3.测量中探测器与测量目标完全无接触，非常适合用于临床医学，生物学中血液流速等研究领域。
附图说明
[0031]图1为专利技术装置光路设计示意图。
[0032]图2为液体流速精密测量装置示意图。
[0033]图3为专利技术实例中某通道x方向测量的原始信号(实线)与包络拟合结果(虚线)。
具体实施方式
[0034]本专利技术设计四通道阵列式SERF原子磁力仪实例，可用于测量磁性粒子在流道中的速度。该专利技术为测量药物在血液中的转运、代谢等研究提供了新研究的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，其特征在于，包括：沿光路方向依次设置的激光发生模块、光束准直模块、线偏振片、圆偏振片、鲍威尔棱镜、柱面镜、原子气室以及探测器阵列。2.根据权利要求1所述的基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，其特征在于，所述原子气室上方设置有液体流道以及设置在所述液体流道内的磁性粒子。3.根据权利要求1所述的基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，其特征在于，所述激光发生模块产生初始线偏振光。4.根据权利要求1所述的基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，其特征在于，所述光束准直模块用以调整光斑形状，产生不发散的准直光斑。5.根据权利要求1所述的基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，其特征在于，所述线偏振片与圆偏振片角度固定，用于输出偏振态稳定的圆偏振激光。6.根据权利要求1所述的基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，其特征在于，所述鲍威尔棱镜用以将圆形光斑整形为均匀分布的线条状光斑。7.根据权利要求1所述的基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，其特征在于，所述柱面镜用以将线条光斑整形为不发散的均匀线条状光斑。8.根据权利要求1所述的基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，其特征在于，所述原子气室为长方体形。9.根据权利要求1所述的基于多通道SERF原子磁力仪的液体流速精密测量装置，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何祥，徐卓艺，柯旺旺，何喆昊，陈玉海，阮乂，傅学智，雷团，刘雨琪，王思涵，苟宇琪，李衎，林强，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：