CN109470606A - 一种微流体电感式油液检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微流体电感式油液检测装置，包括微流控检测芯片、传感单元以及激励检测单元；利用电感式检测方式，使用时激励检测单元施加高频交流电激励，同时还对传感单元的电感信号进行检测，根据铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒在电感检测的方式下作用机理不同实现对油液中颗粒污染物的区分。电感信号向上为铁磁性颗粒，电感信号向下为非铁磁性颗粒。本发明专利首次将磁性纳米颗粒(四氧化三铁)与电感线圈结合，通过线圈外表面磁性纳米颗粒自身的磁性和吸磁作用，提升了检测区域磁场强度，提高了电感式油液检测的精度。

Description

一种微流体电感式油液检测装置

技术领域

本发明涉及油液检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种微流体电感式油液检测装置。

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。润滑系统和液压系统中出现较大的磨损微粒，会在短时间内造成设备的严重损坏，特别是对于高速、大负荷、振动大和高温工作环境的机械设备。当设备正常工作时，油液中的磨粒浓度稳定在较低的水平，并且磨粒的粒径较小，一般维持在10-20微米之间；当设备发生异常磨损时，油液中磨粒的浓度会显著增加，粒径会骤增至50-100微米之间，如不及时更换液压油，粒径和浓度都会逐渐增大，当达到一定程度时便会发生故障，导致设备停止工作。

油液检测技术能对系统中的磨损物质做出准确的区分和检测，不仅可以诊断出系统的故障部位，并且能够对机械设备进行寿命预测，及时更换油液。近些年，针对颗粒计数方法的研究可以根据测量方法的不同分为声波检测法、光学检测法、电容检测法和电感检测法等。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。电容检测法不能区分金属磨粒的性质。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，检测精度较低。

磁性纳米颗粒(四氧化三铁)在生物医学领域应用广泛，它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

为了克服电感式油液检测传感器检测精度的不足，而提供一种微流体电感式油液检测装置。本发明主要设计了一种检测线圈，该线圈具有较高的检测精度，同时在线圈外表面紧密分布磁性纳米颗粒，进一步的提升传感器的检测精度。

本发明采用的技术手段如下：

一种微流体电感式油液检测装置，包括微流控检测芯片、传感单元以及激励检测单元；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注油口、另一端设置有出油口的微通道；

所述传感单元包括螺线圈和磁性纳米颗粒涂层，所述磁性纳米颗粒涂层设置在螺线圈外表面，通过PDMS胶与磁性纳米颗粒涂层结合；

所述装置的正负极连接激励检测单元正负极，使用时，所述激励检测单元施加高频交流电激励，同时还对所述传感单元的电感信号进行检测，根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分。

进一步地，所述微通道从传感单元内孔穿过，与所述螺线圈紧密贴合。

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，线圈内径为100-300微米，漆包线线径为40-80微米，匝数为200-400匝。

本发明还提供了一种微流体电感式油液检测方法，所述检测方法利用所述微流体电感式油液检测装置实现，且包括如下步骤：

步骤S1：将待检测油液通过注油口注入检测装置并输送至微通道；

步骤S2：流经传感单元的待检测油液，通过激励检测单元施加高频信号激励，根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分检测；

步骤S3：经过检测后的油液从出油口排出。

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。

本发明还提供了一种微流体电感式油液检测装置的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：采用机密绕线机将漆包线绕制在制作微通道的模具上，绕制螺线圈；

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外表面，加热固化后形成磁性纳米颗粒涂层；

步骤3：将上述制作好的模具固定在玻璃基底上，再将螺线圈接口与绝缘导线连接，最后整体浇注PDMS并以80℃恒温加热固化1小时，形成PDMS基体；

步骤4：抽出微通道模具，用打孔器在微通道两端打孔，形成微通道注油口和出油口。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的微流体电感式油液检测装置在电感检测基础上，能够区分油液中的铁磁性金属颗粒与非铁磁性金属颗粒。

2、本发明提供的微流体电感式油液检测装置在电感检测的基础上，首次将磁性纳米颗粒与微流控油液检测技术结合，极大的提高了电感检测金属颗粒的能力。

3、本发明提供的微流体电感式油液检测装置，能够检测到10微米的铁磁性金属颗粒，满足油液中产生非正常磨损的所有铁磁性颗粒检测。

4、本发明提供的微流体电感式油液检测装置，能够检测到油液中40微米以及40微米以上的非铁磁性金属颗粒。

综上，应用本发明的技术方案设计了一种检测线圈，该线圈具有较高的检测精度，同时在线圈外表面紧密分布磁性纳米颗粒，进一步的提升传感器的检测精度。

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为本发明的传感器结构图。

图2为本发明传感器的纵剖图。

图3为本发明传感器的传感单元截面图。

图4是电感检测10微米铁颗粒图。

图5是电感检测40微米铜颗粒图。

图中：1、注油口；2、出油口；3、PDMS基体；4、玻璃基底；5、螺线圈；6、磁性纳米颗粒涂层；7、微通道；8、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，一种微流体电感式油液检测装置，包括微流控检测芯片传感单元以及激励检测单元；微流控检测芯片包括玻璃基底4和设置在玻璃基底4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注油口1、另一端设置有出油口2的微通道7；微通道7从传感单元内孔穿过，与螺线圈5紧密贴合，微通道7直径为100-300微米，螺线圈5由漆包线绕制而成，线圈内径为100-300微米，漆包线线径为40-80微米，匝数为200-400匝。

传感单元包括螺线圈5和磁性纳米颗粒涂层6，磁性纳米颗粒涂层6设置在螺线圈5外表面，通过PDMS胶与磁性纳米颗粒涂层6结合；其自身带有磁场，相对导磁率较高，能将螺线圈5的磁场聚集在检测区域。磁性纳米颗粒(四氧化三铁)本身具有顺磁性，由于其在线圈外表面分布是不连续的，不会产生磁屏蔽，相反的，其相对导磁率较高，能将磁场聚集在微通道上，增加检测区域的磁场强度以提高检测能力。

微流体电感式油液检测装置的正负极连接激励检测单元正负极，使用时，该装置采用电感检测方式，激励检测单元提供高频交流电(1-2V，1-2MHz)激励，当铁磁性颗粒经过传感单元时，铁磁性颗粒由于自身的磁化作用大于产生的电涡流效应，会产生与检测脉冲相同方向的电感信号。非铁磁性磨粒通过时，其产生的电涡流磁场抵消部分原有的磁场，会产生相反的信号，根据产生信号的方向判断颗粒铁磁性和非铁磁性，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。

本发明还提供了一种微流体电感式油液检测装置的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：采用机密绕线机将漆包线绕制在制作微通道的模具上，绕制螺线圈；

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外表面，加热固化后形成磁性纳米颗粒涂层；

步骤3：将上述制作好的模具固定在玻璃基底上，再将螺线圈接口与绝缘导线连接，最后整体浇注PDMS并以80℃恒温加热固化1小时，形成PDMS基体；

步骤4：抽出微通道模具，用打孔器在微通道两端打孔，形成微通道注油口和出油口。

实施例

本发明还提供了一种微流体电感式油液检测方法，所述检测方法利用微流体电感式油液检测装置实现，且包括如下步骤：

步骤S1：将待检测油液通过注油口注入检测装置并输送至微通道；

步骤S2：流经传感单元的待检测油液，通过激励检测单元施加高频信号激励，根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分检测；如图4所示，当铁磁性颗粒经过传感单元时，铁磁性颗粒由于自身的磁化作用大于产生的电涡流效应，会产生与检测脉冲相同方向的电感信号，检测的电感信号显示向上增大；如图5所示，非铁磁性颗粒通过时，其产生的电涡流磁场抵消部分原有的磁场，会产生相反的信号，在检测时电感信号显示向下增大；以此区别区分铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒。

步骤S3：经过检测后的油液从油液出口排出。

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)

1.一种微流体电感式油液检测装置，其特征在于，包括微流控检测芯片、传感单元以及激励检测单元；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注油口、另一端设置有出油口的微通道；

所述传感单元包括螺线圈和磁性纳米颗粒涂层，所述磁性纳米颗粒涂层设置在螺线圈外表面，通过PDMS胶与磁性纳米颗粒涂层结合；

所述装置的正负极连接激励检测单元正负极，使用时，所述激励检测单元施加高频交流电激励，同时还对所述传感单元的电感信号进行检测，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所述的微流体电感式油液检测装置，其特征在于，所述微通道从传感单元内孔穿过，与所述螺线圈紧密贴合。

3.根据权利要求1或2所述的微流体电感式油液检测装置，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，线圈内径为100-300微米，漆包线线径为40-80微米，匝数为200-400匝。

4.一种微流体电感式油液检测方法，其特征在于所述检测方法利用权利要求1所述的微流体电感式油液检测装置实现，且包括如下步骤：

步骤S1：将待检测油液通过注油口注入检测装置并输送至微通道；

步骤S2：流经传感单元的待检测油液，通过激励检测单元施加高频信号激励，根据检测结果实现对油液中颗粒污染物的区分检测；

步骤S3：经过检测后的油液从出油口排出。

5.根据权利要求4所述的微流体电感式油液检测方法，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。

6.一种微流体电感式油液检测装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用机密绕线机将漆包线绕制在制作微通道的模具上，绕制螺线圈；

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外表面，加热固化后形成磁性纳米颗粒涂层；

步骤3：将上述制作好的模具固定在玻璃基底上，再将螺线圈接口与绝缘导线连接，最后整体浇注PDMS并以80℃恒温加热固化1小时，形成PDMS基体；

步骤4：抽出微通道模具，用打孔器在微通道两端打孔，形成微通道注油口和出油口。