CN109115844A - 一种高灵敏度液压油液检测装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高灵敏度液压油液检测装置及其制作方法，用于区分检测油液中的铁磁性金属颗粒、非铁磁性金属颗粒、水滴和气泡等颗粒污染物。装置制作方法基于微流控芯片技术，首次将两个平面线圈，两个螺线管线圈组合嵌入微流控芯片中，两个平面线圈贴合放置，两侧分别对称放置螺线管线圈，并分别在两个螺线管线圈中加入两个硅钢片，显著提高了装置的检测灵敏度。该芯片利用同一个传感器单元进行电压检测，从而实现对滑油、液压油中多种颗粒污染物的区分检测，对机器设备进行油液在线监测提供了行之有效的方法，并且可以对机器设备进行故障诊断。

Description

一种高灵敏度液压油液检测装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及船舶设备液压系统故障检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种高灵敏度液压油液检测装置及其制作方法。

背景技术

船舶液压系统在工业领域应用十分广泛。其中液压油被视为液压系统的“血液”，除作为重要工质传递动力外，还具有冷却液压系统、液压器件防腐蚀、减小摩擦副之间磨损、系统减震等作用。

然而导致重要的液压系统的出现故障的最主要原因在于系统使用过程中出现的颗粒污染物。颗粒污染物主要来源有系统残留杂质、运行磨损、外界进入杂质等。目前针对油液颗粒污染物进行检测的方法主要包括光学检测法、声学检测法、电感检测法以及电容检测法等。

其中光学检测法检测精度高，但会受到油液杂质及透光性的影响，且不能区分颗粒污染物属性。声学检测法原理简单精度较低，且由于声波具有能量，可能会使油液中颗粒分散成为更小的颗粒，使油液造成二次污染。因此通常使用电感检测法与电容检测法。

电感检测法灵敏度与电感线圈参数相关，精度较高，可区分检测液压油中铁磁性金属颗粒和非铁磁性金属颗粒，以防造成液压系统进一步损坏，使系统运行不稳定。但仅仅使用电感法无法检测水和气泡等其他杂质。

液压油中存在的水以乳化液的形式存在，会阻塞液压单元，加速油液变质，使油液对液压系统的腐蚀程度加剧。液压油中存在的气泡则会在系统内产生气穴，破坏油腔，使液压泵工作效率降低，致使系统耗能增加，并会产生振动和噪声，影响工作环境，给液压系统的正常使用带来诸多困难。

因而需要同时使用电容检测法检测油液中的水和气泡。电容检测法根据两极板间介质的介电常数不同，空气的相对介电常数为1，油液的相对介电常数为2.6，水的相对介电常数为80，金属材料的相对介电常数可认为无穷大，当不同颗粒通过检测区域时，电容参数值会发生变化，从而实现区分。

Li Du团队制作电感式微传感器，采用LC谐振、增加通道数量等方法提高传感器精度及流量，但是受检测微流道和传感器线圈类型的限制，检测精度达到50-75微米铁颗粒和50-150微米区分检测实验。并不能检测油液中的水滴和气泡，且精度有待提高。

目前电感法检测灵敏度有限。此外，现有检测精度要求使用极其微小的流道以达到检测效果，致使微流体芯片检测通量有限。

发明内容

根据上述提出电感法检测灵敏度有限的技术问题，而提供一种高灵敏度液压油液检测装置及其制作方法。本发明主要利用同一个传感器单元进行电压检测，从而实现对滑油、液压油中多种颗粒污染物的区分检测。

本发明采用的技术手段如下：

一种高灵敏度液压油液检测装置，包括微流控检测芯片以及测量单元；所述微流控检测芯片包括玻璃基底和设置在玻璃基底上的芯片主体；所述芯片主体包括：

设置在芯片主体上的一端设置有微流道入口、另一端设置有微流道出口的微流道以及传感模块和激励模块；

所述传感模块包括两个结构相同的单层平面线圈；两个所述单层平面线圈正对排布，所述微流道从两个单层平面线圈的内孔穿过，所述微流道紧贴两个单层平面线圈的内孔边缘；

所述激励模块包括两个螺线管线圈以及四个硅钢片，所述两个螺线管线圈对称排布在两个单层平面线圈的两侧，每个螺线管线圈均放置两个硅钢片，硅钢片靠近平面线圈的一端紧贴微流道，另一端贴近螺线管线圈内壁，通过与所述平面线圈串联增强感应电流强度进而形成激励作用；

所述测量单元通过绝缘导线与所述传感模块中两个单层平面线圈两端的四个引脚连接；

使用时，所述测量单元对所述传感模块施加高频信号激励，同时还对所述传感模块的电压信号进行检测，根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分。

进一步地，所述微流道横切面呈环形，将玻璃管放入固定物的孔中，置于微流道内，使微流道内部形成环形流道，所述微流道外层直径为1000微米，所述玻璃管的直径为400微米。

进一步地，所述单层平面线圈和螺线管线圈均由漆包线绕制而成，所述漆包线内径为50-200微米，匝数为20-100匝；所述单层平面线圈内径为900-2000微米，两个所述单层平面线圈紧密贴合，所述螺线管线圈内径为1200-2500微米。

本发明还提供了一种高灵敏度液压油液检测方法，所述检测方法利用所述高灵敏度液压油液检测装置实现，且包括如下步骤：

步骤1：将含有颗粒污染物的油液通过微流道入口输送至微流道；

步骤2：流经激励模块和传感模块的颗粒污染物通过测量单元对所述传感模块施加高频信号激励，同时还对所述传感模块的电压和电容信号进行检测；

步骤3：根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分检测。

进一步地，所述颗粒污染物为铁磁性金属颗粒、非铁磁性金属颗粒、水滴和气泡。

本发明还提供了一种微流控检测芯片的制作方法，所述制作方法基于高灵敏度液压油液检测装置中的微流控检测芯片，且包括以下步骤：

S1：将微流道模具与两个单层平面线圈及两个螺线管线圈按既定的位置固定在玻璃基底上，再将四个硅钢片按指定方式固定在螺线管线圈内侧；

S2：向玻璃基底灌注模型材料，其中线圈外接的漆包引线布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S3：将浇注好模型材料的微流控检测芯片放置在烘箱中用80℃的温度烘烤1小时，使模型材料固化；

S4：将微流道模具从固化后的模型材料中抽出，用打孔器在微流道一端打孔，形成微流道入口；再在微流道另一端中间部分切去截面为矩形的一块，作为微流道出口；

S5：将玻璃管放入固定物的孔中，置于微流道内，使微流道内部形成环形流道。

进一步地，所述模型材料选用聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本专利可以实现一个传感单元对待测样品中颗粒污染物种类(铁磁性金属颗粒、非铁磁性金属颗粒、水滴或气泡)的区分检测。

2、本专利设计的检测装置及其制作方法在保证传感单元灵敏性的基础上，大大提高了微流道的通量。

3、本专利能实现能对10微米的铁颗粒和30微米的铜颗粒的检测。

综上，应用本发明的技术方案主要利用同一个传感器单元进行电压检测，从而实现对滑油、液压油中多种颗粒污染物的区分检测。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中的电感法检测灵敏度有限；检测精度要求使用极其微小的流道以达到检测效果，致使微流体芯片检测通量有限的问题。

基于上述理由本发明可在船舶设备液压系统故障检测等领域广泛推广。

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为本发明检测装置整体结构图。

图2为本发明检测装置微流道结构图。

图3为本发明检测装置传感模块结构图。

图4为本发明检测装置激励模块结构图。

图5为本发明检测装置传感模块俯视图。

图6为本发明检测装置传感模块侧视图。

图7为本发明检测装置电压测量模式原理图。

图8为本发明检测装置电容测量模式原理图。

图9为本发明检测方法的流程图。

图10为本发明微流控芯片制作方法的流程图。

图中：1、微流道入口；2、玻璃基底；3、微流道；4、单层平面线圈；5、硅钢片；6、玻璃管；7、固定物；8、螺线管线圈；9、芯片主体；10、微流道出口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种高灵敏度液压油液检测装置，包括微流控检测芯片以及测量单元；所述微流控检测芯片包括玻璃基底2和设置在玻璃基底2上的芯片主体9；所述芯片主体9包括：

设置在芯片主体9上的一端设置有微流道入口1、另一端设置有微流道出口10的微流道3以及传感模块和激励模块；微流道3横切面呈环形，将玻璃管6放入固定物7的孔中，置于微流道3内，使微流道3内部形成环形流道，微流道3外层直径为1000微米，玻璃管的直径为400微米。传感模块包括两个结构相同的单层平面线圈4；两个单层平面线圈4正对排布，微流道3从两个单层平面线圈4的内孔穿过，微流道3紧贴两个单层平面线圈4的内孔边缘；激励模块包括两个螺线管线圈8以及四个硅钢片5，两个螺线管线圈8对称排布在两个单层平面线圈4的两侧，每个螺线管线圈均放置两个硅钢片5，硅钢片5靠近单层平面线圈4的一端紧贴微流道3，另一端贴近螺线管线圈8内壁，通过与单层平面线圈8串联增强感应电流强度进而形成激励作用；

测量单元通过绝缘导线与传感模块中两个单层平面线圈4两端的四个引脚连接；使用时，测量单元对传感模块施加高频信号激励，同时还对传感模块的电压信号进行检测，根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分。

如图3、5、6所示，传感模块包括两个结构相同的单层平面线圈4；两个单层平面线圈4正对排布，微流道3从两个单层平面线圈4的内孔穿过，微流道3紧贴两个单层平面线圈4的内孔边缘；单层平面线圈4内径为900-2000微米，由漆包线绕制而成，漆包线线径为50-200微米，匝数为20-100匝；

如图4所示，激励模块包括两个螺线管线圈8以及四个硅钢片5，两个螺线管线圈8对称排布在两个单层平面线圈4的两侧，每个螺线管线圈均放置两个硅钢片5，硅钢片5靠近单层平面线圈4的一端紧贴微流道3，另一端贴近螺线管线圈8内壁，通过与单层平面线圈8串联增强感应电流强度进而形成激励作用；螺线管线圈8内径为1200-2500微米，由漆包线绕制而成，漆包线线径为50-200微米，匝数为20-100匝；

实施例1

如图7所示，本发明提供了一种高灵敏度液压油液检测装置在电感测量模式下的原理图。装置内部四个线圈之间相互串联。检测过程中通过测量单元给四个串联线圈以高频交流电(1-2V，0.1-2MHz)激励，致使内部添加硅钢片5的螺线管线圈8对中间部分的两个单层平面线圈4产生激励磁场，使单层平面线圈4检测灵敏度提高。通过检测中间两个单层平面线圈4的电压值(Vout)从而实现对油液中铁磁性金属颗粒、非铁磁性金属颗粒污染物的区分检测。

实施例2

如图8所示，本发明提供了一种高灵敏度液压油液检测装置在电容测量模式下的原理图。装置两侧的螺线管线圈8分别和邻近的单层平面线圈4串联，通过测量单元分别给两组线圈以高频交流电(1-2V，0.1-2MHz)激励，利用电容极板的边缘效应可以测量中间单层平面线圈4的电容信号，当油液中的水滴或气泡经过传感模块时，由于介电常数不同，产生正向或负向的电容信号脉冲，通过电容信号的变化(Cp)从而实现对油液中水滴和气泡的区分检测。

如图9所示，本发明还提供了一种高灵敏度液压油液检测方法，所述检测方法利用高灵敏度液压油液检测装置实现，且包括如下步骤：

步骤1：将含有颗粒污染物的油液通过微流道入口输送至微流道；

步骤2：流经激励模块和传感模块的颗粒污染物通过测量单元对所述传感模块施加高频信号激励，同时还对所述传感模块的电压和电容信号进行检测；

步骤3：根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分检测。

如图10所示，本发明还提供了一种微流控检测芯片的制作方法，所述制作方法基于高灵敏度液压油液检测装置中的微流控检测芯片，且包括以下步骤：

S1：将微流道模具与两个单层平面线圈4及两个螺线管线圈8按既定的位置固定在玻璃基底2上，再将四个硅钢片5按指定方式固定在螺线管线圈8内侧；

S2：向玻璃基底2灌注模型材料，其中线圈外接的漆包引线布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S3：将浇注好模型材料的微流控检测芯片放置在烘箱中用80℃的温度烘烤1小时，使模型材料固化；

S4：将微流道模具从固化后的模型材料中抽出，用打孔器在微流道3一端打孔，形成微流道入口1；再在微流道3另一端中间部分切去截面为矩形的一块，作为微流道出口10，

S5：将玻璃管放入固定物的孔中，置于微流道3内，使微流道3内部形成环形流道。

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。

Claims (7)

1.一种高灵敏度液压油液检测装置，其特征在于，包括微流控检测芯片以及测量单元；所述微流控检测芯片包括玻璃基底和设置在玻璃基底上的芯片主体；所述芯片主体包括：

设置在芯片主体上的一端设置有微流道入口、另一端设置有微流道出口的微流道以及传感模块和激励模块；

所述传感模块包括两个结构相同的单层平面线圈；两个所述单层平面线圈正对排布，所述微流道从两个单层平面线圈的内孔穿过，所述微流道紧贴两个单层平面线圈的内孔边缘；

所述激励模块包括两个螺线管线圈以及四个硅钢片，所述两个螺线管线圈对称排布在两个单层平面线圈的两侧每个螺线管线圈均放置两个硅钢片，硅钢片靠近平面线圈的一端紧贴微流道，另一端贴近螺线管线圈内壁，通过与所述平面线圈串联增强感应电流强度进而形成激励作用；

所述测量单元通过绝缘导线与所述传感模块中两个单层平面线圈两端的四个引脚连接；

使用时，所述测量单元对所述传感模块施加高频信号激励，同时还对所述传感模块的电压信号进行检测，根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度液压油液检测装置，其特征在于，所述微流道横切面呈环形，将玻璃管放入固定物的孔中，置于微流道内，使微流道内部形成环形流道，所述微流道外层直径为1000微米，所述玻璃管的直径为400微米。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度液压油液检测装置，其特征在于，所述单层平面线圈和螺线管线圈均由漆包线绕制而成，所述漆包线内径为50-200微米，匝数为20-100匝；所述单层平面线圈内径为900-2000微米，两个所述单层平面线圈紧密贴合，所述螺线管线圈内径为1200-2500微米。

4.一种高灵敏度液压油液检测方法，其特征在于所述检测方法利用权利要求1所述的高灵敏度液压油液检测装置实现，且包括如下步骤：

步骤1：将含有颗粒污染物的油液通过微流道入口输送至微流道；

步骤2：流经激励模块和传感模块的颗粒污染物通过测量单元对所述传感模块施加高频信号激励，同时还对所述传感模块的电压和电容信号进行检测；

步骤3：根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分检测。

5.根据权利要求4所述的高灵敏度液压油液检测方法，其特征在于，所述颗粒污染物为铁磁性金属颗粒、非铁磁性金属颗粒、水滴和气泡。

6.一种微流控检测芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法基于权利要求1所述的微流控检测芯片，且包括以下步骤：

S1：将微流道模具与两个单层平面线圈及两个螺线管线圈按既定的位置固定在玻璃基底上，再将四个硅钢片按指定方式固定在螺线管线圈内侧；

S2：向玻璃基底灌注模型材料，其中线圈外接的漆包引线布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S3：将浇注好模型材料的微流控检测芯片放置在烘箱中用80℃的温度烘烤1小时，使模型材料固化；

S4：将微流道模具从固化后的模型材料中抽出，用打孔器在微流道一端打孔，形成微流道入口；再在微流道另一端中间部分切去截面为矩形的一块，作为微流道出口；

S5：将玻璃管放入固定物的孔中，置于微流道内，使微流道内部形成环形流道。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述模型材料选用聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。