一种自动调节的精准微区定位光加热装置的制作方法

1.本发明属于光加热技术领域，特别涉及一种自动调节的精准微区定位光加热装置。


背景技术：

2.对微区域实施精准可控的定点加热一直是许多领域研究的重点，如医疗针灸、生物组织探测、材料相变测量等。在临床针灸过程中对诊疗针的加热方式常采用点燃施灸的方法对穴位进行加热，这种热传导的加热方式存在加热速度慢，温度不可控，患者皮肤灼热感强烈等问题。在生物组织探测中常采用电加热的方式，电加热通过电阻丝进行加热，加热面积不可控，不利于研究人员的拿取和微生物组织的检测。传统的材料相变研究主要通过加热炉对材料进行加热，由于不同材料的组成成分不同，熔点各不相同，加热面积过大会导致不同材料的组分相互干扰，对测量结果的准确性造成影响。
3.在对目标对象进行加热分析的过程中，加热温度的稳定性是保证实验结果准确的必要保障，任何微小的温度变化都会造成测量误差，影响测量结果的准确性。因此，在加热过程中需要对温度的变化进行实时监测，调节加热温度的大小来降低温度误差对检测结果的影响。
4.因此，提供一种结构简单、加热区域精准、加热温度可调节、使用方便的加热装置对各个领域研究微区域目标的状态变化具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明目的是为解决以上传统加热方式存在的加热面积过大、加热速度不可控、使用不方便、无法实时监测温度等缺陷，更好的满足不同研究领域的需求；为达到上述目的所采取的技术方案是：一种自动调节的精准微区定位光加热装置，包括光加热探针、光路模块和温度调节模块，所述光加热探针与光路模块进行光路连接；所述光加热探针包括探针本体，所述探针本体的前端为锥形加热区，在探针本体内封装有红外光纤，所述红外光纤的前端为红外辐射加热端，其中红外辐射加热端位于锥形加热区内，且在红外光纤前端的纤芯内刻有用于进行温度监测的光纤光栅，红外光纤的末端设有光纤连接器；所述光路模块包括红外光源、光纤环形器和光纤解调仪，其中光纤环形器设有光输入端口、光输出端口和光返回端口，所述红外光源与光输入端口连接，红外光纤末端通过光纤连接器与光输出端口连接，光纤解调仪与光返回端口连接；所述红外光源和光纤解调仪均与温度调节模块信号连接，温度调节模块通过监测光纤调节仪的温度信号对红外光源进行输出功率的调节进而实现对锥形加热区温度的闭环控制。
6.优选的，在红外光纤内设有两根纤芯，在其中一根纤芯的前端内刻有用于进行温度监测的光纤光栅。
7.优选的，在红外光纤内至少设有三根纤芯，在其中一根纤芯的前端内刻有用于进行温度监测的光纤光栅。
8.优选的，在探针本体内至少包裹有两根裸光纤，所述裸光纤的前端为红外辐射加热端，其中一根裸光纤用于红外光传输或者用于非红外光传输均可，且在该裸光纤前端的纤芯内刻有用于进行温度监测的光纤光栅；其余裸光纤均用于红外光传输，所述各个裸光纤末端通过光耦合器与光纤连接器进行光连接。
9.优选的，当裸光纤为三根以上时，刻有光纤光栅的裸光纤位于中心位置，其余裸光纤绕该裸光纤周向均布或与该裸光纤并排呈带状分布。
10.优选的，所述红外辐射加热端部分伸出锥形加热区。
11.优选的，所述红外光源为激光器，光纤解调仪带有一个波长范围在c波段的光源。
12.优选的，所述红外光源为宽带红外光源，光纤光栅的波带位于宽带红外光源的范围之内。
13.优选的，在探针本体外设有金属套管，金属套管的前端为尖端且与红外光纤的类型相匹配。
14.优选的，所述温度调节模块包括比较电路、反馈单元和驱动电路，光纤解调仪的输出端与比较电路、反馈单元、驱动电路依次相连，驱动电路的输出端口与红外光源的控制输入端相连，从而通过监测光纤解调仪的温度信号对红外光源进行输出功率的调节进而实现对锥形加热区温度的闭环控制。
15.本发明所具有的有益效果为：（1）首先本装置属于红外光加热和光纤传感的综合技术应用，具有红外光加热和光纤传感的双重优点，对于红外光加热来说：红外光加热的速度快，具有一定的穿透性，红外加热还有选择性，即电磁波谱的红外谱段用来加热的范围可以被分为短波，中波和长波；不同的材料的红外吸收的波段不同，加热效率也不同；不同波长的红外线的穿透能力也有区别，所以可以根据待加热的生物组织特性进行更加细化地选择红外线的参数，以达到最优化的加热效果。对于光纤光栅温度传感来说：光加热探针整体质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰，安全可靠，而且无需电源驱动，具有良好的长期稳定性和耐久性；因此非常适合对生物组织进行精准微区定位的加热。
16.（2）光加热探针只利用了一根红外光纤即可实现加热和温度传感的集成一体化设计，大大降低了装置结构的复杂性，提高了工作性能的同时还降低了成本。
17.（3）光路模块和温度调节模块的相互配合作用，实现了锥形加热区加热温度和温度实时监测的动态平衡自动化快速调整，具有良好的工作稳定性。
18.（4）光加热探针内的红外光纤进一步采用为双芯、多芯结构的光纤，让其中一根纤芯集中进行温度传感的同时另外纤芯进行增强热辐射加热，从而能够进一步有效实现对生物组织微区的快速加热并提高加热效率。
19.（5）在探针本体内包裹有两根或者多根裸光纤，本该结构的各个裸光纤互相独立工作，无相互干扰影响，红外加热和温度传感相互影响较小，光纤光栅温度传感精度更高，从而进一步提高加热控制的精确化控制。
20.（6）当探针本体内为多根裸光纤时，可以根据加热面积特点以及特殊加热需要，对多根裸光纤进行不同的布局，例如将其余裸光纤绕刻有光纤光栅的裸光纤周向均布而形成面域集中加热，或者多根裸光纤呈三角形分布而形成三角形集中加热，亦或者与刻有光纤
光栅的裸光纤并排呈带状分布而形成线性集中加热。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图；图2为具体实施例1中光加热探针的结构示意图；图3为图2中沿a-a剖视图；图4为具体实施例2中光加热探针的结构示意图之一；图5为图4中沿b-b剖视图；图6为具体实施例2中光加热探针的结构示意图之二；图7为图6中沿c-c剖视图；图8为具体实施例3中光加热探针的横截面结构示意图之一；图9为具体实施例3中光加热探针的横截面结构示意图之二。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明进一步描述。
23.所谓的裸光纤一般分为三层：纤芯、包层和涂覆层。纤芯和包层是由不同折射率的玻璃组成，中心为高折射率玻璃纤芯(掺锗二氧化硅)，中间为低折射率硅玻璃包层(纯二氧化硅)。光以一特定的入射角度射入光纤，在光纤和包层间发生全发射（由于包层的折射率稍低于纤芯），从而可以在光纤中传播。涂覆层的主要作用是保护光纤不受外界的损伤，同时又增加光纤的柔韧性。正如前面所述，纤芯和包层都是玻璃材质，不能弯曲易碎，涂覆层的使用则起到保护并延长光纤寿命的作用。
24.通常所说的光纤是指在裸光纤的外面加一保护层和外护套，除了起到保护作用，不同颜色的外护套还可以用来区别各种光纤。
25.具体实施例1：如图1、图2和图3所示，本发明包括光加热探针1、光路模块2和温度调节模块3，所述光加热探针1与光路模块2进行光路连接；所述光加热探针1包括探针本体11，所述探针本体11的前端为锥形加热区14，在探针本体11内封装有红外光纤15，所述红外光纤15的前端为红外辐射加热端，其中红外辐射加热端位于锥形加热区14内，且在红外光纤15前端的纤芯12内刻有用于进行温度监测的光纤光栅13，红外光纤15的末端设有光纤连接器23；所述光路模块2包括红外光源21、光纤环形器22和光纤解调仪24，其中光纤环形器22设有光输入端口、光输出端口和光返回端口，所述红外光源21与光输入端口连接，红外光纤15末端通过光纤连接器23与光输出端口连接，光纤解调仪24与光返回端口连接。
26.所述红外光源21和光纤解调仪24均与温度调节模块3信号连接，温度调节模块3通过监测光纤调节仪24的温度信号对红外光源21进行输出功率的调节进而实现对锥形加热区14温度的闭环控制。
27.具体的，所述温度调节模块3包括比较电路33、反馈单元32和驱动电路31，光纤解调仪24的输出端与比较电路33、反馈单元32、驱动电路31依次相连，驱动电路31的输出端口与红外光源21的控制输入端相连，从而通过监测光纤解调仪24的温度信号对红外光源21进行输出功率的调节进而实现对锥形加热区14温度的闭环控制。
28.在工作时，红外光源21发出的近红外光束，从光纤环形器22的光输入端口射入，从光输出端口传输到红外光纤15内从而在锥形加热区14以热辐射方式放出热量，在对生物组织样本进行精准加热的同时，光纤解调仪24通过实时解调光纤光栅13中心反射波长的变化来监测锥形加热区14的温度变化，然后温度调节模块3的比较电路33将光纤解调仪24解调的加热温度与预设的温度t进行比较，将计算得的温度差传送到反馈单元32中，反馈单元32通过对温度差电信号进行逻辑判断，大于0表示实时加热温度大于预设温度t，需要降低驱动电路31的驱动电流；小于0表示实时加热温度小于预设温度t，需要增大驱动电路31的驱动电流；等于0则表示实时加热温度与预设温度t相符，驱动电路31的驱动电流大小保持不变，这样利用一根红外光纤15即可实现加热和温度传感的集成一体化，最终实现了一种自动调节的精准微区定位光加热装置。
29.本实施例中，红外光源21采用高功率的激光器，激光器的功率为300 mw，中心波长为1060 nm；光纤光栅13的中心波长为1553 nm；光纤解调仪24的光源波长范围为1535 nm-1565 nm。锥形加热区14能够有效深入生物组织样本内部进行加热；加热深度为1 cm，直径为150 μm，预设温度t设为80 ℃。模拟显示加热到预设温度的时间为30 s，能够有效实现对生物组织样本的微区快速加热；在加热过程中，比较电路33计算光纤解调仪24与预设温度t的温差信号并送到反馈单元32进行逻辑判断，驱动电路31通过接收到的反馈信号33对加热温度进行自动调节，消除温度波动，在30 min内保持加热温度为80 ℃，与预设温度t相同，具有良好的稳定性。
30.具体实施例2：如图4和图5所示，本具体实施例与具体实施例1的区别主要在于光加热探针1的结构，具体的，在红外光纤15内设有两根纤芯16,17，在其中一根纤芯16的前端内刻有用于进行温度监测的光纤光栅13。采用双芯的红外光纤15，其中一根纤芯17用来红外加热，另一根纤芯16用来温度传感，当然纤芯16也可以同时进行红外加热和温度传感，从而进一步提高加热效率和温度传感的实时性。
31.如图6和图7所示，红外光纤15内还可以至少设置三根纤芯18,19，在其中一根纤芯18的前端内刻有用于进行温度监测的光纤光栅13。在上述基础上，采用多芯的红外光纤15，其中纤芯18用来温度传感，其余所有纤芯19用来红外加热，当然纤芯18也可以同时进行红外加热和温度传感，从而进一步提高加热效率和温度传感的实时性。
32.本具体实施例的工作过程与具体实施例1相比区别在于光加热探针1内两根纤芯16,17或者多根纤芯18,19的光加热和温度监测工作方式的不同，其余部分工作过程相同。
33.本实施例中，红外光源21采用高功率的激光器，激光器的功率为300 mw，中心波长为1060 nm；光纤光栅13的中心波长为1553 nm；光纤解调仪24的光源波长范围为1535 nm-1565 nm。锥形加热区14能够有效深入生物组织样本内部进行加热；加热深度为1 cm，直径为150 μm，预设温度t设为200 ℃。模拟显示加热到预设温度t的时间为40 s，能够有效实现对生物组织样本的微区快速加热并提高了加热效率。
34.具体实施例3：如图8和图9所示，本具体实施例与具体实施例1的区别主要在于光加热探针1的结构，具体的，在探针本体11内至少包裹有两根裸光纤，所述裸光纤的前端为红外辐射加热端，本实施例中为三根裸光纤110,111，其中一根裸光纤111用于红外光传输或者用于非红
外光传输均可，且在该裸光纤111前端的纤芯112内刻有用于进行温度监测的光纤光栅；其余裸光纤110均用于红外光传输即为红外裸光纤，所述各个裸光纤110,111末端通过光耦合器与光纤连接器23进行光连接。
35.本具体实施例的工作过程与具体实施例1相比区别在于光加热探针1内各个裸光纤110,111的光加热和温度监测工作方式的不同，其余部分工作过程相同。本结构的各个裸光纤110,111互相独立工作，无相互干扰影响。
36.如图8和图9所示，当探针本体11内为多根裸光纤110,111时，可以根据加热面积特点以及特殊加热需要，对多根裸光纤110,111进行不同的布局，例如将其余裸光纤110绕刻有光纤光栅的裸光纤111周向均布而形成面域集中加热，或者多根裸光纤110,111呈三角形分布而形成三角形集中加热，亦或者与刻有光纤光栅的裸光纤111并排呈带状分布而形成线性集中加热。
37.在以上三个具体实施例中，为了进一步增强红外光纤15端部热辐射面积及辐射效率，所述红外辐射加热端部分伸出锥形加热区14。
38.还可以将红外光源21采用宽带红外光源，光纤光栅13的波带位于宽带红外光源21的范围之内，这样光纤解调仪24就不需要额外的光源，降低成本。同时红外光源21也可以采用激光器，光纤解调仪24带有一个波长范围在c波段的光源实现了对光纤光栅随温度变化后反射波长漂移的监测，即为光纤光栅温度实时监测提供监测光源。
39.还可以在探针本体11外设有金属套管，金属套管的前端为尖端且与红外光纤15的类型相匹配，同时也有利于有效深入生物组织内部进行加热。
40.最后应说明的是：以上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，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，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精神和范围。