CN109342508A - 一种多污染物油液检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多污染物油液检测传感器。包括微流控检测芯片和传感单元；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；芯片主体包括：设置在芯片主体上的一端设置有油液入口、另一端设置有油液出口的微通道；传感单元包括两个正对排布且结构相同的螺线圈和磁性纳米颗粒涂层，磁性纳米颗粒涂层设置在两个螺线圈内表面；传感器可以在电感检测和电容检测之间切换模式，同时设计的磁性纳米涂层能够有效的提高两种检测模式的检测精度。本发明装置用于检测污染油液中的铁磁性颗粒、非铁磁性颗粒、水和空气。本发明的技术方案解决了现有技术中的检测参数单一，不能对多污染物进行有效检测，检测精度较低的问题。

Description

一种多污染物油液检测传感器

技术领域

本发明涉及油液检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种多污染物油液检测传感器。

背景技术

磨损是导致各类机器设备工作异常和失效最常见的故障形式之一，设备内部摩擦和磨损的必然产物——悬浮于润滑系统油液中的磨损微粒，是反映设备内部磨损状况(程度、部位和类型)的重要信息载体。在油液系统正常工作时，污染颗粒粒径保持在20μm以下。机械发生异常磨损，产生的固体颗粒粒径迅速增大，甚至达到100μm以上，易产生危险工况，造成系统瘫痪。因此油液检测技术能检测大的微粒而且能判断其材质，以便迅速获知磨损的部位，及时更换油液。目前已经有一系列污染物快速检测方法，基于其原理不同，相应的有多种方法。例如声波检测法、光学检测法、电感检测法和电容检测法等。声波检测法和光学检测法检测精度高，前者易受到噪声和震动等条件影响，后者易受到温度和油液渗透性等环境影响。电感检测法可以区分铁磁性和非铁磁性颗粒，受环境影响因素小。

磁性纳米颗粒(四氧化三铁)在生物医学领域应用广泛，它是是一种黑色的铁的氧化物纳米粒子，在室温下表现出超顺磁性、具有很高的磁场强度。

发明内容

根据上述提出现有技术中检测参数单一，不能对多污染物进行有效检测，检测精度较低的技术问题，而提供一种多污染物油液检测传感器。本发明主要利用在两个正对排布且结构相同的螺线圈内表面设置磁性纳米颗粒涂层，从而提升了传感器的检测能力。

本发明采用的技术手段如下：

一种多污染物油液检测传感器，包括微流控检测芯片和传感单元；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油液入口、另一端设置有油液出口的微通道；

所述传感单元包括两个正对排布且结构相同的螺线圈和磁性纳米颗粒涂层，所述磁性纳米颗粒涂层通过PDMS胶与螺线圈内表面结合；

使用时，所述多污染物油液检测传感器有两种工作模式：并联电感检测模式和串联电容检测模式；当油液污染物为铁磁性金属颗粒和非铁磁性金属颗粒时，所述多污染物油液检测传感器处于电感检测模式；当油液污染物为水和空气时，所述多污染物油液检测传感器处于电容检测模式。

进一步地，所述微通道采用模型材料制成，所述微通道从传感单元内孔穿过。

进一步地，所述微通道直径为100-300微米；所述螺线圈由漆包线绕制而成，螺线圈内径为100-300微米，漆包线线径为40-80微米，匝数为20-40匝。

进一步地，所述磁性纳米颗粒涂层采用将磁性纳米颗粒和PDMS胶体混合后涂抹在所述螺线圈内表面，加热固化后形成。

本发明还提供了一种多污染物油液检测方法，所述检测方法利用所述多污染物油液检测传感器实现，且包括如下步骤：

步骤S1：将待检测油液通过油液入口输送至微通道；

步骤S2：流经传感单元的待检测油液，通过传感单元施加高频信号激励，多污染物油液检测传感器根据油液中污染物的不同，选择不同的模式对油液中的污染物进行区分检测；

步骤S3：经过检测后的油液从油液出口排出。

本发明还提供了一种多污染物油液检测传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：采用绕线机绕制两个螺线圈；

步骤2：将磁性纳米颗粒与PDMS混合，用金属棒蘸取混合后的PDMS胶体并均匀涂抹螺线圈内表面，加热固化后形成磁性纳米颗粒涂层；

步骤3：将制作微通道模具穿过由两个正对排布的螺线圈和磁性纳米颗粒涂层组成的传感单元，并将其固定在玻璃基底上，最后浇注PDMS，恒温加热固化1小时后，形成PDMS基体；

步骤4：抽出制作微通道的模具，打孔制作油液入口和油液出口。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的多污染物油液检测传感器，可以区分4种不同性质的液压油污染物。

2、本发明提供的多污染物油液检测传感器，通过将两个结构相同的螺线圈对称放置，使其检测模式随时切换，并且容易制作，成本低。

3、本发明提供的多污染物油液检测传感器，通过将磁性纳米颗粒(四氧化三铁)与油液检测技术相结合，提升了电感式检测法和电容式检测法检测精度。

综上，应用本发明的技术方案利用在两个正对排布且结构相同的螺线圈内表面设置磁性纳米颗粒涂层，提升了传感器的检测能力。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中检测参数单一，不能对多污染物进行有效检测，检测精度较低的问题。

基于上述理由本发明可在油液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为本发明传感器结构图。

图2为本发明传感单元纵剖图。

图3为本发明传感单元纵剖图。

图4是电感检测铁颗粒信号图。

图5是电感检测铜颗粒信号图。

图6是电容检测水信号图。

图7是电容检测空气信号图。

图中：1、油液入口；2、油液出口；3、微通道；4、传感单元；5、PDMS基体；6、玻璃基底；7、螺线圈；8、磁性纳米颗粒涂层；9、磁性纳米颗粒。

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、2、3所示，本发明提供了一种多污染物油液检测传感器，包括微流控检测芯片和传感单元4；微流控检测芯片包括玻璃基底7和设置在玻璃基底7上的芯片主体；芯片主体包括：

设置在芯片主体上的一端设置有油液入口1、另一端设置有油液出口2的微通道3；微通道3采用模型材料制成，微通道3从传感单元4内孔穿过，微通道3直径为100-300微米.

传感单元4包括两个正对排布且结构相同的螺线圈7和磁性纳米颗粒涂层8，磁性纳米颗粒涂层8通过PDMS胶与螺线圈7内表面结合；螺线圈7由漆包线绕制而成，螺线圈7内径为100-300微米，漆包线线径为40-80微米，匝数为20-40匝。磁性纳米颗粒涂层8采用将磁性纳米颗粒9和PDMS胶体混合后涂抹在螺线圈7内表面，加热固化后形成。

使用时，多污染物油液检测传感器有两种工作模式：并联电感检测模式和串联电容检测模式；当油液污染物为铁磁性金属颗粒和非铁磁性金属颗粒时，多污染物油液检测传感器处于电感检测模式；当油液污染物为水和空气时，所述多污染物油液检测传感器处于电容检测模式。

本发明还提供了一种多污染物油液检测传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：采用绕线机绕制两个螺线圈；

步骤2：将磁性纳米颗粒与PDMS混合，用金属棒蘸取混合后的PDMS胶并均匀涂抹螺线圈内表面，加热固化后形成磁性纳米颗粒涂层；

步骤3：将制作微通道模具穿过由两个正对排布的螺线圈和磁性纳米颗粒涂层组成的传感单元，并将其固定在玻璃基底上，最后浇注PDMS，恒温加热固化1小时后，形成PDMS基体；

步骤4：抽出制作微通道的模具，打孔制作油液入口和油液出口。

本发明还提供了一种多污染物油液检测方法，所述检测方法利用所述多污染物油液检测传感器实现，且包括如下步骤：

步骤S1：将待检测油液通过油液入口输送至微通道；

步骤S2：流经传感单元的待检测油液，通过传感单元施加高频信号激励，多污染物油液检测传感器根据油液中污染物的不同，选择不同的模式对油液中的污染物进行区分检测；

步骤S3：经过检测后的油液从油液出口排出。

实施例

本发明还提供了一种多污染物油液检测传感器，使用时，多污染物油液检测传感器有两种工作模式：并联电感检测模式和串联电容检测模式；

当传感器的工作模式为并联电感检测模式检测时，两螺线圈并联连接，如图4所示，当铁磁性颗粒经过传感单元时，传感单元提供高频交流电(1-2V，1-2MHz)激励，由于磁化作用将产生正向的电感信号脉冲，如图5所示，当非铁磁性颗粒经过传感单元时，由于涡流作用将产生负向的电感信号脉冲，从而实现对油液中的铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒的区分检测。油液通过传感单元时，磁性纳米颗粒自身带有磁场，并且由于其相对导磁率较高，具有吸磁的作用，有效的提高了传感器电感检测的能力；

当传感器的工作模式为串联电容检测模式检测时，把两个螺线圈等效成两个电容极板，磁性纳米颗粒涂层等效成两个更厚的环形电容极板，可以提升电容检测的能力。两个螺线圈采用串联连接，通过传感单元提供高频交流电(1-2V，0.1-2MHz)激励，圆形电容极板之间存在边缘效应，可以检测出电容信号，由于油液中的水和空气的相对介电常数不同，通过电容极板时会产生不同的电容信号，如图6所示，水经过时会产生向上的信号，如图7所示，空气经过时会产生向下的信号，因此电容检测可以区分油液中的水和空气。

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 (6)

1.一种多污染物油液检测传感器，其特征在于，包括微流控检测芯片和传感单元；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油液入口、另一端设置有油液出口的微通道；

所述传感单元包括两个正对排布且结构相同的螺线圈和磁性纳米颗粒涂层，所述磁性纳米颗粒涂层通过PDMS胶与螺线圈内表面结合；

使用时，所述多污染物油液检测传感器有两种工作模式：并联电感检测模式和串联电容检测模式；当油液污染物为铁磁性金属颗粒和非铁磁性金属颗粒时，所述多污染物油液检测传感器处于电感检测模式；当油液污染物为水和空气时，所述多污染物油液检测传感器处于电容检测模式。

2.根据权利要求1所述的一种多污染物油液检测传感器，其特征在于，所述微通道采用模型材料制成，所述微通道从传感单元内孔穿过。

3.根据权利要求1或2所述的一种多污染物油液检测传感器，其特征在于，所述微通道直径为100-300微米；所述螺线圈由漆包线绕制而成，螺线圈内径为100-300微米，漆包线线径为40-80微米，匝数为20-40匝。

4.根据权利要求1所述的一种多污染物油液检测传感器，其特征在于，所述磁性纳米颗粒涂层采用将磁性纳米颗粒和PDMS胶体混合后涂抹在所述螺线圈内表面，加热固化后形成。

5.一种多污染物油液检测方法，其特征在于，所述检测方法利用权利要求1所述的多污染物油液检测传感器实现，且包括如下步骤：

步骤S1：将待检测油液通过油液入口输送至微通道；

步骤S2：流经传感单元的待检测油液，通过传感单元施加高频信号激励，多污染物油液检测传感器根据油液中污染物的不同，选择不同的模式对油液中的污染物进行区分检测；

步骤S3：经过检测后的油液从油液出口排出。

6.一种多污染物油液检测传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用绕线机绕制两个螺线圈；

步骤2：将磁性纳米颗粒与PDMS混合，用金属棒蘸取混合后的PDMS胶并均匀涂抹螺线圈内表面，加热固化后形成磁性纳米颗粒涂层；

步骤3：将制作微通道模具穿过螺线圈和磁性纳米颗粒涂层组成的传感单元，并将其固定在玻璃基底上面，最后浇注PDMS，恒温加热固化1小时后，形成PDMS基体；

步骤4：抽出制作微通道的模具，打孔制作油液入口和油液出口。