本發(fā)明涉及光聲技術(shù)及其在液體粘度檢測(cè)中的應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種基于頻譜分辨的光聲原理，通過分析激光激發(fā)液體產(chǎn)生的光聲信號(hào)頻譜半峰全寬（fwhm）與液體粘度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體粘度（尤其生物液體）的實(shí)時(shí)、無創(chuàng)檢測(cè)的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、液體粘度是衡量其內(nèi)部摩擦與流動(dòng)行為的重要物理量，廣泛應(yīng)用于化學(xué)工程、制藥工藝、生物醫(yī)學(xué)、材料研究及臨床診斷中。例如，人體血液及其他生理液體的粘度變化常與疾病的發(fā)展密切相關(guān)，因此，準(zhǔn)確測(cè)量液體粘度對(duì)于疾病早期預(yù)警和治療策略制定具有重要意義。

2、目前廣泛使用的傳統(tǒng)粘度測(cè)量方法通常需較大樣品體積，例如轉(zhuǎn)子式粘度計(jì)、毛細(xì)管粘度計(jì)或落球法等。這類方法往往存在諸多局限性，如機(jī)械接觸帶來的誤差、溫度不穩(wěn)定導(dǎo)致的結(jié)果偏差，以及樣品在測(cè)量過程中的交叉污染問題，尤其在處理高價(jià)值或難以獲取的生物樣品時(shí)，應(yīng)用范圍受到明顯制約。

3、隨著微流控及微流變技術(shù)的發(fā)展，低體積粘度測(cè)量方法逐漸興起（樣品體積可降至納升級(jí)別），但其結(jié)果易受液體流速、微通道表面狀態(tài)及潤(rùn)濕性等因素影響，導(dǎo)致測(cè)量一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足；同時(shí)，復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)制造工藝也提高了系統(tǒng)成本，限制了其廣泛應(yīng)用。

4、光聲技術(shù)作為一種新興的非接觸式檢測(cè)手段，其信號(hào)頻譜中的半峰全寬（fwhm）與信號(hào)高頻成分分布密切相關(guān)。光聲效應(yīng)通常是指光輻射激發(fā)超聲場(chǎng)的過程，當(dāng)采用脈沖光源或調(diào)制光源時(shí)，物體內(nèi)局部溫度的起伏會(huì)引起其體積的漲縮，因此可以向外輻射聲波。而不同力學(xué)特性的組織或病理狀態(tài)在相同的激發(fā)條件下將會(huì)產(chǎn)生不同類型的信號(hào)。液體的粘度會(huì)影響聲波在介質(zhì)中傳播過程中的高頻衰減特性。理論分析表明，隨著液體粘度的升高，高頻信號(hào)分量受到更大程度的衰減，從而導(dǎo)致光聲信號(hào)的fwhm減小。此物理機(jī)制為光聲頻譜分析在液體粘度檢測(cè)中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

5、針對(duì)現(xiàn)有方法在樣品用量大、操作復(fù)雜、重復(fù)性差及無法實(shí)現(xiàn)非侵入檢測(cè)等問題，本發(fā)明提出一種基于頻譜分辨的光聲液體粘度檢測(cè)裝置及方法。該方案通過脈沖激光激發(fā)待測(cè)液體產(chǎn)生光聲響應(yīng)信號(hào)，結(jié)合快速傅里葉變換提取信號(hào)頻域特征。利用fwhm與液體粘度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)粘度的實(shí)時(shí)、高精度、無創(chuàng)檢測(cè)。本發(fā)明技術(shù)在降低樣品消耗、提高測(cè)量穩(wěn)定性及適配微量生物樣本檢測(cè)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，適用于生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于頻譜分辨的光聲液體粘度檢測(cè)裝置及方法，通過脈沖激光激發(fā)液體產(chǎn)生局部光聲效應(yīng)，利用光聲信號(hào)頻譜中半峰全寬（fwhm）與液體粘度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體粘度的實(shí)時(shí)、非接觸式測(cè)量，從而克服傳統(tǒng)方法樣本需求量大、機(jī)械接觸及環(huán)境干擾等方面的缺點(diǎn)。

2、根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種基于頻譜分辨的光聲液體粘度檢測(cè)裝置，包括：固態(tài)激光器，用于向待測(cè)液體發(fā)射脈沖激光，使其在預(yù)定區(qū)域產(chǎn)生光聲效應(yīng)；準(zhǔn)直透鏡，確保光束以平行態(tài)進(jìn)入后續(xù)光路；平面反射鏡，用于折轉(zhuǎn)光路；板型半透鏡，用于分光，為光電二極管提供參考光束；顯微鏡物鏡，將激光聚焦于樣品局部區(qū)域以獲得高能量密度的光聲激發(fā)；光電二極管，接收激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輔助進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊，歸一化激光強(qiáng)度；光聲耦合腔，為封閉結(jié)構(gòu)，為光聲信號(hào)的產(chǎn)生與接收提供穩(wěn)定環(huán)境，減少聲波干擾；直角棱鏡組，不影響去程激光沿原路傳播，同時(shí)用于實(shí)現(xiàn)回程聲波的轉(zhuǎn)向傳播；超聲換能器，用于接收由激發(fā)區(qū)域產(chǎn)生的光聲信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；前置信號(hào)放大器，放大接收的光聲信號(hào)；數(shù)字示波器，采樣所放大的光聲信號(hào)和光電二極管輸出的信號(hào)；計(jì)算機(jī)，通過快速傅里葉變換對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到光聲信號(hào)頻譜的fwhm，以此表征液體的粘度。

3、所述的固態(tài)激光器發(fā)射激光的波長(zhǎng)范圍為500nm至900nm。

4、所述的固態(tài)激光器、準(zhǔn)直透鏡、平面反射鏡、板型半透鏡、顯微鏡物鏡依次放置。平面反射鏡傾斜45度放置，其鏡面與水平方向夾角為135度，板型半透鏡傾斜45度放置，入射面與水平方向夾角為45度。

5、所述的光電二極管放置在激光束的分光路上，用于接收激光脈沖信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出端接入數(shù)字示波器。

6、所述的顯微鏡物鏡安裝在三維電動(dòng)平移臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)x/y/z軸，可調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置。

7、所述的光聲耦合腔為一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，殼體材料為聚甲基丙烯酸甲酯，其頂部設(shè)有激光入射口，入射口覆有一層透光保護(hù)膜；底部設(shè)有檢測(cè)界面，覆有一層透光保護(hù)膜，透光保護(hù)膜外側(cè)緊貼待測(cè)樣品。透光保護(hù)膜可透射激光并允許光聲信號(hào)透出，兩層膜均選用具有良好透光性和柔韌性的聚苯乙烯薄膜材料制成。聚氨酯基吸波材料貼在腔體的內(nèi)壁，降低聲波多次反射帶來的信號(hào)干擾。

8、所述的直角棱鏡組緊靠底部的透光保護(hù)膜內(nèi)側(cè)，包括兩塊斜反射截面相互貼合的直角棱鏡，貼合面與聲波的傳播方向呈45度、與超聲換能器軸向呈135度，貼合面涂覆可透光的聲反射層，聲反射層的材料為硅油。

9、所述的超聲換能器放置于直角棱鏡組一側(cè)，其體積適配耦合腔設(shè)計(jì)，其接收口涂一層耦合凝膠緊靠直角棱鏡組，耦合凝膠可保持聲學(xué)傳輸路徑。超聲換能器與激光在樣品中的聚焦點(diǎn)之間的距離固定為“l(fā)”（l?為換能器與激光聚焦點(diǎn)的位置距離），超聲換能器輸出端電連接前置信號(hào)放大器，激發(fā)的聲波被超聲換能器接收后被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，超聲換能器輸出電信號(hào)至前置信號(hào)放大器。

10、所述數(shù)字示波器電連接前置信號(hào)放大器輸出端和光電二極管輸出端，并且其輸出端電連接計(jì)算機(jī)。

11、本發(fā)明還提供了上述基于頻譜分辨的光聲液體粘度檢測(cè)裝置的方法，包括以下步驟：

12、步驟s1：固態(tài)激光器發(fā)出脈沖激光，激光依次通過準(zhǔn)直透鏡、平面反射鏡、板型半透鏡。

13、步驟s2：光電二極管在分光路接收經(jīng)過板型半透鏡的部分激光，主光路的激光通過顯微鏡物鏡，依次穿過光聲耦合腔的上層透光保護(hù)膜、直角棱鏡組和下層透光保護(hù)膜，聚焦于樣品并激發(fā)超聲場(chǎng)。

14、步驟s3：激發(fā)的聲波經(jīng)直角棱鏡組反射后，被光聲耦合腔中的超聲換能器接收，電連接的前置信號(hào)放大器對(duì)超聲換能器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大，數(shù)字示波器采樣放大的信號(hào)和光電二極管輸出的信號(hào)。

15、步驟s4：數(shù)字示波器將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)再通過快速傅里葉變換對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

16、步驟s5：從獲得的信號(hào)頻譜中提取半峰全寬（fwhm）參數(shù)，用以表征液體粘度。

17、所述的固態(tài)激光器發(fā)射激光，脈沖激光首先通過準(zhǔn)直透鏡，確保光束以平行態(tài)進(jìn)入后續(xù)光路。接著在平面反射鏡處折轉(zhuǎn)光路90度，激光經(jīng)過板型半透鏡時(shí)，透射部分激光為主光束，反射部分光束為參考光束。

18、所述光電二極管輸出的信號(hào)與超聲換能器采集到的光聲信號(hào)一并接入數(shù)字示波器進(jìn)行同步采樣，數(shù)字示波器設(shè)置為自由采樣模式，對(duì)包括激光基準(zhǔn)信號(hào)與光聲信號(hào)在內(nèi)的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)記錄，輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)。

19、所述的計(jì)算機(jī)接收并處理所述示波器輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)，通過提取光電二極管信號(hào)的上升沿確定每次激發(fā)的起始時(shí)刻，并以該起始時(shí)刻為參考對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)一對(duì)齊。計(jì)算機(jī)還通過檢測(cè)光電二極管信號(hào)的幅值，對(duì)每次采集到的光聲信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度歸一化處理。通過光電二極管信號(hào)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一參考時(shí)刻與激光強(qiáng)度歸一化，這一過程顯著提高了光聲信號(hào)的采集穩(wěn)定性及頻譜分析的準(zhǔn)確性。

20、所述的計(jì)算機(jī)利用matlab軟件，對(duì)數(shù)字示波器輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換分析，獲得對(duì)應(yīng)的頻譜，提取其頻譜中的半峰全寬（fwhm），表征液體粘度。

21、優(yōu)選地，為建立光聲信號(hào)頻譜參數(shù)與液體粘度之間的關(guān)系，本發(fā)明對(duì)其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)，各步驟具體說明如下：

22、步驟a1，構(gòu)建基本方程并進(jìn)行線性化處理：

23、首先，考慮液體在脈沖激光激發(fā)下發(fā)生局部熱膨脹并產(chǎn)生壓力擾動(dòng),與此相關(guān)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)就成為了聲波的源。液體中速度場(chǎng)滿足傳統(tǒng)navier-stokes方程：

24、

25、其中，為液體密度，為壓力，和為剪切粘度和體積粘度。

26、同時(shí)，假設(shè)入射到介質(zhì)上的光是由脈沖光源產(chǎn)生的，并且與熱擴(kuò)散的時(shí)間尺度相比，脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短。此外，質(zhì)量密度滿足連續(xù)性方程：

27、

28、其中是每單位質(zhì)量的恒壓熱容，是體積熱膨脹系數(shù)，是吸收系數(shù)，是激光器的瞬時(shí)輻射強(qiáng)度。

29、光源功率足夠小，則密度和壓力的波動(dòng)將為δρ<<ρ和δp<<p，因此對(duì)上述?navier-stokes方程和連續(xù)性方程進(jìn)行線性化處理可得：

30、

31、

32、步驟a2，建立聲壓波動(dòng)方程：

33、使用以上結(jié)果，可以消除速度場(chǎng)并獲得僅包含和的單個(gè)方程式：

34、

35、使用關(guān)系式δp?=?cs2δρ，其中cs是聲速，可以得到光聲（pa）壓力的波動(dòng)方程：

36、

37、引入了格魯內(nèi)森常數(shù)和粘度系數(shù)：

38、

39、

40、為了簡(jiǎn)單起見，我們目前的分析僅限于平面波模型。在這種情況下，聲波隨笛卡爾坐標(biāo)之一即??隨時(shí)間變化，然后利用拉普拉斯算子的形式，將波動(dòng)方程表示為：

41、

42、設(shè)定在均勻介質(zhì)中位置處生成了形式的pa壓力，其中是傳播相位常數(shù)，可以消除的變量并得到了變量的二階微分方程。使用短激光脈沖獲得pa波，因此可以將光強(qiáng)度假定為增量函數(shù)。考慮到由比爾定律近似描述的光衰減，激光器的時(shí)間輻照強(qiáng)度可表示為：

43、

44、是激光脈沖之間的時(shí)間間隔，是有效衰減系數(shù)，ω是激光的角頻率。

45、因此波動(dòng)方程最終為：

46、

47、步驟a3，從時(shí)域到頻域——解析fwhm與粘度關(guān)系：

48、其中，則得到上述方程的解：

49、

50、其中a和?b是由初始條件確定的常數(shù)，是系統(tǒng)的阻抗。第一項(xiàng)是瞬態(tài)振動(dòng)，第二項(xiàng)是與外部驅(qū)動(dòng)力同步的響應(yīng)。同步表明振動(dòng)頻率與激光角頻率ω一致。由于受激的光聲信號(hào)具有較寬的頻率范圍，因此光聲頻譜的半峰全寬（fwhm）可以與光聲信號(hào)的頻率成比例：

51、，fwhm與液體粘度呈負(fù)相關(guān)。

52、我們可以得出，液體粘度會(huì)導(dǎo)致高頻成分的損失比低頻成分更大。因此，我們最終得到光聲頻譜的fwhm與粘度系數(shù)之間的關(guān)系，光聲信號(hào)頻譜的半峰全寬（fwhm）與液體粘滯系數(shù)之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

53、本發(fā)明的有益效果在于：

54、采用非接觸式激光激發(fā)和超聲檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)液體內(nèi)部局部光聲信號(hào)的產(chǎn)生與采集，有效降低樣本需求且消除了機(jī)械接觸對(duì)測(cè)量精度的影響；

55、利用快速傅里葉變換獲取光聲信號(hào)的頻譜參數(shù)，尤其是主峰處的fwhm，使檢測(cè)結(jié)果具有較高的魯棒性和重復(fù)性；

56、結(jié)合詳細(xì)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，能夠?qū)崟r(shí)、高精度地反演液體粘度，適用于生物醫(yī)學(xué)液體、工業(yè)樣本及新型藥物的粘度監(jiān)測(cè)；

57、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便，易于集成至微流控平臺(tái)或在線檢測(cè)系統(tǒng)，在醫(yī)學(xué)診斷、材料科學(xué)及精密化工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；