阅读说明：本技术 一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置及方法 (Extremely-low flow velocity measuring device and method based on atomic force microscope ) 是由 刘志坚 于巽飞 吴天泽 孟美琳 隋卓航 潘新祥 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置和方法。本发明包括原子力显微镜、激光发射器、四象限光电探测器和流动装置,流动装置用于模拟极低流速液体的流动,原子力显微镜的长臂探针能够接触流体以测量流体速度,激光发射器用于发射激光,四象限光电探测器用于检测经悬臂梁反射后的激光。本发明利用原子力显微的长臂探针,将探针伸入到流体内部,从而受到流动的阻力,带动悬臂产生扭转变形,扭转变形被四象限光电探测器记录下,实现了对极低流速流体速度的测量。此方法能通过感受流体的微弱作用力来测量极低流速流体的流速,不会对被测流体的波动产生较大的影响,可以在几乎不影响流体流动的情况下达到非常高的灵敏度。(The invention provides an atomic force microscope-based extremely-low flow velocity measuring device and method. The invention comprises an atomic force microscope, a laser emitter, a four-quadrant photoelectric detector and a flow device, wherein the flow device is used for simulating the flow of liquid with extremely low flow rate, a long-arm probe of the atomic force microscope can be contacted with the fluid to measure the fluid speed, the laser emitter is used for emitting laser, and the four-quadrant photoelectric detector is used for detecting the laser reflected by a cantilever beam. The invention utilizes the long-arm probe of the atomic force microscope to extend the probe into the fluid, thereby the cantilever is driven to generate torsional deformation by the flowing resistance, the torsional deformation is recorded by the four-quadrant photoelectric detector, and the measurement of the speed of the fluid with extremely low flow velocity is realized. The method can measure the flow velocity of the fluid with extremely low flow velocity by sensing the weak acting force of the fluid, does not generate large influence on the fluctuation of the measured fluid, and can achieve very high sensitivity under the condition of hardly influencing the flow of the fluid.)

一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及原子力显微镜应用技术领域，尤其涉及一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置及方法。

背景技术

原子力显微镜(AFM)是一种可通过扫描样品表面获得材料表面微观三维形貌的光学仪器。在检测过程中，将探针悬臂一端固定，用饰有针尖的另一端接近样品，悬臂受针尖与样品间作用力的影响而发生形变或运动状态的变化，这些变化通过光学方法测量、记录下来。近年来，随着研究不断深入，原子力显微镜已从传统的表面三维形貌观测仪器发展成样品-探针间微弱作用力的测量设备。例如利用原子力显微镜监测液体表面水合力变化、检测溶液的粘度等。

传统的流速测量方法主要有流量法、浮标法、颜色示踪法等，这些方法能有效测量流体常规状态下的流速。但对于一些极低流速的流体的流速，例如人体血管内血液的流速、医院输液管内药液的流速，传统的测量方法很难精确且简便地测量，并且会对流体的流动产生较大的波动。而原子力显微镜长臂探针的长度有几十微米而针尖尖端的曲率半径却只有几十微米，不仅能通过感受流体的微弱作用力来测量极低流速流体的流速，而且不会对被测流体的波动产生较大的影响，同时由于针尖对于流体分子间微小的作用力十分敏感，可以在几乎不影响流体流动的情况下达到非常高的灵敏度。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置及方法。本发明采用的技术手段如下：

一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置，包括：原子力显微镜、激光发射器、四象限光电探测器和流动装置，所述流动装置用于模拟极低流速液体的流动，所述原子力显微镜的长臂探针能够接触流体以测量流体速度，所述激光发射器用于发射激光，所述激光发射器设置在测量悬梁臂上方，所述四象限光电探测器用于检测经悬臂梁反射后的激光。

本发明还公开上述基于原子力显微镜的极低流速测量装置的极低流速测量方法，包括如下步骤：

步骤1、插入长臂探针测扭转力：安装好激光发射器和四象限光电探测器后，将原子力显微镜的长臂探针伸入到流体内部，利用光学的方法将悬梁臂的形变程度转化为电信号，获取扭转力数据；

步骤2、标定力与速度的对应关系：在保持步骤1插入液体深度相同的情况下，不同扭转力对应不同的速度，通过调节流动装置的流速和测量得到的扭转力数据标定扭转力；

步骤3、进行速度测量：在保持步骤1插入液体深度相同的情况下，测量出扭转力的大小，通过步骤2所标定的力与速度的对应关系来确定速度。

进一步地，所述步骤2中，流体的流速通过调节流动装置水箱的高度来调节，扭转力通过光电传感器收集到的电压来测量，力与速度的关系即为电压与水箱高度的关系，实验测得电压与水箱高度的对应关系。

本发明利用原子力显微的长臂探针，将探针伸入到流体内部，从而受到流动的阻力，带动悬臂产生扭转变形，扭转变形被四象限光电探测器记录下，从而实现了对极低流速流体速度的测量。此方法不仅能通过感受流体的微弱作用力来测量极低流速流体的流速，而且不会对被测流体的波动产生较大的影响，同时由于针尖对于流体分子间微小的作用力十分敏感，可以在几乎不影响流体流动的情况下达到非常高的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于原子力显微镜的极低流速测量方法的实验装置图。

图2为本发明一种基于原子力显微镜的极低流速测量方法的实验原理图。

图3为本发明一种基于原子力显微镜的极低流速测量方法的实验总览图。

图4为本发明一种基于原子力显微镜的极低流速测量方法的实验电压与水箱高度的对应关系图。

图5为本发明一种基于原子力显微镜的极低流速测量方法的实验电压测量数据变化图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示，本发明实施例公开了一种基于原子力显微镜的极低流速测量装置，包括：原子力显微镜、激光发射器、四象限光电探测器(PSD)和流动装置，所述流动装置用于模拟极低流速液体的流动，所述原子力显微镜的长臂探针能够接触流体以测量流体速度，所述激光发射器用于发射激光，所述激光发射器设置在测量悬梁臂上方，所述四象限光电探测器用于检测经悬臂梁反射后的激光，四象限的信号由系统直接获取。

针尖伸入液体时，会受到液体流动产生的作用力使悬臂梁发生形变，形变的大小通过光学的方法进行测量；如果作用在针尖上的是一个沿水平方向上的作用力，悬臂梁在水平方向上将会有变形；如果作用在针尖上的是一个沿垂直方向上的作用力，悬臂梁在高度方向上将会有变形。而本测量方法仅针对液体在管内流速的测量，故只需考虑悬梁臂在水平方向的形变。

激光发射器将一束激光打在悬臂梁上，经悬臂梁反射后被四象限光电探测器(PSD)接收。假设悬臂梁未变形时，光斑打在PSD上的中心点。当悬臂梁受力发生形变时，打在PSD上的光斑位置较中心点会有一个偏移，PSD将光斑的偏移量转化为电信号，从而实现力信号向电信号的转变。

除此之外测量插入的深度不同，测量的灵敏度也会变化，插入越深，灵敏度越大，可通过调整探针插入液体的深度来调整测量的灵敏度。实验时为了保证测得实验数据精确，在同一次实验中需保证探针插入液体的深度相同。

基于此，本发明具体极低流速测量方法，包括如下步骤：

步骤1、插入长臂探针测扭转力：安装好激光发射器和四象限光电探测器后，将原子力显微镜的长臂探针伸入到流体内部，探针会受到液体流动产生的作用力，从而使悬臂梁发生形变，利用光学的方法将悬梁臂的形变程度转化为电信号，获取扭转力数据；流动的阻力使悬臂产生扭转变形，扭转变形通过四象限激光探测器记录，从而实现了对极低流速流体速度的测量。在此过程中，可通过调整探针插入液体的深度来调整测量的灵敏度，插入越深，灵敏度越大。

步骤2、标定力与速度的对应关系：在保持步骤1插入液体深度相同的情况下，不同扭转力对应不同的速度，通过调节流动装置的流速和测量得到的扭转力数据标定扭转力；流体的流速通过调节流动装置水箱的高度来调节，扭转力通过光电传感器收集到的电压来测量，力与速度的关系即为电压与水箱高度的关系，如图4所示，实验测得电压与水箱高度的对应关系。本实施例中，在测量过程中，垂直方向的信号反馈系统关闭，所以AFM不会发出改变探针高度的指令，从而可以保证插入液体深度相同；另一方面，从测量过程中获取的高度图(垂直方向)也能看出，在整个测量过程中，针尖的高度变化范围非常小(几个纳米之内)

步骤3、进行速度测量：在保持步骤1插入液体深度相同的情况下，测量出扭转力的大小，在插入液体深度相同的情况下，不同扭转力对应不同的速度，于是可以通过步骤2所标定的力与速度的对应关系来确定速度。实验测量了高度差由0mm到2mm过程电压的变化情况(如附图5所示)，事实证明，该方法不仅能够测量出极低流速流体的速度，并且灵敏非常高，可以精确的反应速度变化过程中流体流速的变化情况。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。