CN110108623A - 一种基于微流控芯片的油污颗粒检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微流控芯片的油污颗粒检测装置，包括微流控芯片和图像检测装置，微流控芯片包括盖片和基片，盖片位于基片的正上方，盖片和基片密封连接，盖片的下表面上开设有高度呈梯度变化的捕获沟道，捕获沟道和基片上表面构成捕获腔，盖片上设有试剂进口和试剂出口，试剂进口和试剂出口分别与捕获腔的两端连接，捕获腔的高度自试剂进口到试剂出口的方向依次减少，捕获腔包括自试剂进口到试剂出口的方向依次排列的第一捕获区……第N捕获区，N为不小于1的正整数。该装置结构简单，操作方便，高度整合，适用于常规尺寸的油污颗粒检测。
Description
技术领域
本发明涉及流体测量技术领域，具体涉及一种基于微流控芯片的油污颗粒检测装置和方法。
背景技术
随着工业化进程的加速，越来越多的机械设备进入到能源、冶金、石油、化工、铁路、航空、机械制造等重要工业行业与交通部门，从飞机发动机、机器人，到各种电机、变压器，以及各种风电风机、液压设备。机械设备的长时间正常运行都离不开高性能的润滑油，机械设备在使用过程中，环境的清洁程度和内部产生的各种磨粒都会导致润滑油污染变质，从而加速机械零部件摩擦副表面的磨损，使得设备性能下降、寿命缩短。实践表明控制润滑油的清洁度，及时处理润滑油中的污染物，合理地补油换油，是机械设备润滑系统油液监测的主要内容之一。润滑油清洁度检测，即油污颗粒检测的目的就是控制和保持机械零件摩擦副表面对污染度的承受能力。
目前，很多工业用润滑油国家或行业标准中都有了清洁度的指标，在中国，比较有代表性的有DL/T 432-2007《电力用油中颗粒污染度测量方法》、GB/T 14039-2002《液压传动油液固体颗粒污染等级代号》、GB/T 7595-2008《运行中变压器油质量》等等标准；由于军队有大量装备和设备需要用到润滑油，各国军方也都有相应的润滑油清洁度标准。
润滑油中颗粒物分析的传统方法有重量法、显微镜颗粒计数法和自动颗粒计数法。随着颗粒计数法的发展，颗粒计数器以测试速度快、粒径动态分布范围宽、分析数据不受人为影响、重复性好、操作方便的优点得到越来越多的应用，各行各业都广泛采用这项技术作为油品清洁度分级以及测定和表示的方法，并且已经建立了相应的分析方法标准。但上述方法均存在部分问题，如试剂需借助大型仪器进行检测、设备需周期性定标、试剂消耗量较多等。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于微流控芯片的油污颗粒检测装置和方法，该装置结构简单，操作方便，高度整合，适用于常规尺寸的油污颗粒检测。
该方法简单，操作方便，能快速地检测出润滑油样品的清洁度。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种基于微流控芯片的油污颗粒检测装置，包括微流控芯片，微流控芯片包括盖片和基片，盖片位于基片的正上方，盖片和基片密封连接，还包括图像检测机构，盖片的下表面上开设有高度呈梯度变化的捕获沟道，捕获沟道和基片上表面构成捕获腔，盖片上设有试剂进口和试剂出口，试剂进口和试剂出口分别与捕获腔的两端连接，捕获腔的高度自试剂进口到试剂出口的方向依次减少，捕获腔包括自试剂进口到试剂出口的方向依次排列的第一捕获区、第二捕获区……第M捕获区，M为不小于2的正整数。
所述的N为五，第一捕获区的高度为100-200μm，第二捕获区的高度为50-100μm，第三捕获区的高度为25-50μm，第四捕获区的高度为15-25μm，第五捕获区的高度为 5-15μm。
第一捕获区、第二捕获区、第三捕获区、第四捕获区和第五捕获区在竖直方向的投影为长方形，第一捕获区和第二捕获区在试剂进口到试剂出口的方向上的长度相等，第二捕获区、第三捕获区、第四捕获区和第五捕获区在试剂进口到试剂出口的方向上的长度依次增加。
捕获腔还包括位于捕获腔两端部的入口缓冲区和出口缓冲区，试剂进口与入口缓冲区连通，入口缓冲区与第一捕获区连通，出口缓冲区与第N捕获区连通，出口缓冲区与试剂出口连通。
入口缓冲区的高度为200-500μm，入口缓冲区的宽度自试剂进口到试剂出口的方向逐渐减小，入口缓冲区的宽度为500-5000μm，入口缓冲区宽度最窄的端口连通与试剂进口连通，入口缓冲区宽度最宽的端口与第一捕获区连通，出缓冲区的高度为4-5μm，出口缓冲区的宽度自试剂进口到试剂出口的方向逐渐增加，出口缓冲区的宽度为 500-5000μm，出口缓冲区的宽度最宽的端口与第N捕获区连通，出口缓冲区的宽度最窄的端口与试剂出口连通。
所述图像检测机构包括显微镜和图像分析处理模块，显微镜与图像分析处理模块电连接。
基片和盖片的材质为透明防水材料，透明防水材料为玻璃或亚克力。
一种基于微流控芯片的油污颗粒检测方法，包括如下步骤：
1、将微流控芯片置于显微镜镜头的正下方；
2、将待测润滑油试剂从试剂进口注入捕获腔内，待测润滑油试剂中不同尺寸的颗粒物会分别被卡在第一捕获区、第二捕获区……第M捕获区中；
3、待测润滑油试剂注入完毕后，通过显微镜对微流控芯片进行拍照，显微镜将拍摄的图像上传至图像分析模块，图像分析模块对显微镜拍摄的图像进行处理，识别并记录第一捕获区、第二捕获区……第M捕获区捕获的颗粒物的数目；
4、更换新的微流控芯片，重复步骤1-3；
5、重复步骤4n-2次，n≥3，n次检测中，第一捕获区捕获颗粒物的数目为A1、A2、A3……An，第二捕获区捕获颗粒物的数目为B1、B2、B3……Bn，第M捕获区捕获颗粒物的数目为M1、M2、M3……Mn；
6、n次检测中，第一捕获区捕获颗粒物的平均数目为第二捕获区捕获颗粒物的平均数目为第M捕获区捕获颗粒物的平均数目为
7、将与NAS1638标准中对应粒径的颗粒物的数目等级进行比对，获得清洁度级别L1；将与NAS1638标准中对应粒径的颗粒物的目等级进行比对，获得清洁度级别 L2；将与NAS1638标准中对应粒径的颗粒物的数目等级进行比对，获得清洁度级别 Lm；
8、取L1、L2……Lm中最大值Lx，Lx即为该待测润滑油试剂基于NAS1638标准的清洁度等级。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：
1、该装置结构简单，设计合理，整合度高，体积小，方便携带，配合移液枪与电脑就可随时随地进行检测试验。
2、该装置操作方便，可即时得到检测结果，且检测结果准确可靠，适用于油污颗粒或者液体中颗粒物的检测。
附图说明
图1为基于微流控芯片的油污颗粒检测装置的结构示意图。
图2为盖片的剖视图。
图3为盖片的结构示意图。
其中，1-检测装置；2-盖片；3-试剂进口；4-试剂出口；5-捕获腔：5.1-入口缓冲区、5.2-第一捕获区、5.3-第二捕获区、5.4-第三捕获区、5.5-第四捕获区、5.6-第五捕获区、5.7-出口缓冲区；6-基片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的基于微流控芯片的油污颗粒检测装置进行详细说明。
本发明提供的基于微流控芯片的油污颗粒检测装置的结构如图1和图2所示，包括微流控芯片和图像检测机构。
微流控芯片包括盖片和基片，盖片和基片均呈方形，盖片位于基片的正上方，盖片和基片通过键合的方式密封连接。盖片和基片均采用玻璃、亚克力等透明防水材料制作而成。
盖片的下表面上沿其长度方向开设有高度呈梯度变化的捕获沟道，捕获沟道和基片上表面构成捕获腔。盖片上设有试剂进口和试剂出口，试剂进口和试剂出口均呈圆柱状，试剂进口和试剂出口的直径均为0.6mm。
如图2和图3所示，捕获腔的高度自试剂进口到试剂出口的方向逐渐减少，捕获腔由入口缓冲区、第一捕获区、第二捕获区、第三捕获区、第四捕获区、第五捕获区和出口缓冲区构成，入口缓冲区、第一捕获区、第二捕获区、第三捕获区、第四捕获区、第五捕获区和出口缓冲区沿着试剂进口到试剂出口的方向依次呈直线排列。
入口缓冲区的宽度自试剂进口到试剂出口的方向逐渐减小，且入口缓冲区在竖直方向上的投影为等腰梯形，入口缓冲区宽度最窄的端口高度为500μm，宽度为500μm，入口缓冲区宽度最窄的端口与试剂进口连通，入口缓冲区宽度最宽的端口高度为200μm，宽度为5000μm，入口缓冲区宽度最宽的端口与第一捕获区连通。
第一捕获区、第二捕获区、第三捕获区、第四捕获区和第五捕获区在竖直方向的投影为长方形，所述长方形的宽度为5000μm，第一捕获区、第二捕获区、第三捕获区、第四捕获区和第五捕获区自试剂进口到试剂出口的方向上的长度分别为4mm、4mm、 6mm、8mm、16mm。
第一捕获区高度最高处为200μm，第一捕获区高度最低处为100μm。第二捕获区高度最高处为100μm，第二捕获区高度最低处为50μm。第三捕获区高度最高处为50μm，第三捕获区高度最低处为25μm。第四捕获区高度最高处为25μm，第四捕获区高度最低处为15μm。第五捕获区高度最高处为15μm，第五捕获区高度最低处为5μm。
出口缓冲区的宽度自试剂进口到试剂出口的方向逐渐增加，且出口缓冲区在竖直方向上的投影为等腰梯形，出口缓冲区宽度最宽的端口高度为5μm，宽度为5000μm，出口缓冲区宽度最宽的端口与第五捕获区连通，出口缓冲区宽度最窄的端口高度为4μm，宽度为500μm，出口缓冲区宽度最窄的端口与试剂出口连通。
图像检测装置包括显微镜和图像分析处理模块，显微镜与图像分析处理模块电连接。显微镜包括CCD镜头和显微镜主机，CCD镜头可选用大华A7500CG20，显微镜主机可选用舜宇RX50。图像分析处理模块为安装有图片分析软件的电脑，图片分析软件可 halcon或者labview。
下面结合上述的装置对本发明的基于微流控芯片的油污颗粒检测方法进行详细说明。
实施例1
1、如图1所示，将微流控芯片置于CCD镜头正下方；
2、将待测润滑油试剂从试剂进口注入捕获腔内，由于捕获腔高度呈梯度逐渐减小，待测润滑油试剂中不同尺寸的颗粒物(5-15、15-25、25-50、50-100、100以上，单位：μm)会分别被卡在第五捕获区、第四捕获区、第三捕获区、第二捕获区、第一捕获区中；
3、待测润滑油试剂注入完毕后，通过显微镜主机控制CCD镜头，CCD镜头对微流控芯片进行拍照，CCD镜头将拍摄的图像上传至电脑，通过labview对CCD镜头拍摄的图像进行处理，识别并记录第一捕获区、第二捕获区、第三捕获区、第四捕获区和第五捕获区捕获的颗粒物的数目；
4、更换新的微流控芯片，重复步骤1-3；
5、重复步骤4n-2次，n≥3，n次检测中，第五捕获区捕获粒径为5-15μm的颗粒物的数目为E1、E2、E3……En，第四捕获区捕获粒径为15-25μm的颗粒物的数目为D1、 D2、D3……Dn，第三捕获区捕获粒径为25-50μm的颗粒物的数目为C1、C2、C3……Cn，第二捕获区捕获粒径为50-100μm的颗粒物的数目为B1、B2、B3……Bn，第一捕获区捕获粒径为100μm以上的颗粒物的数目为A1、A2、A3……An；
6、n次检测中，第一捕获区捕获粒径为100μm以上的颗粒物的平均数目为第二捕获区捕获粒径为50-100μm的颗粒物的平均数目为第三捕获区捕获粒径为25-50μm的颗粒物的平均数目为第四捕获区捕获粒径为 15-25μm的颗粒物的平均数目为第五捕获区捕获粒径为5-15μm的颗粒物的平均数目为
7、将与NAS1638标准中粒径为5-15μm的颗粒物的数目等级进行比对，获得清洁度级别L1；将与NAS1638标准中粒径为15-25μm的颗粒物的目等级进行比对，获得清洁度级别L2；将与NAS1638标准中粒径为25-50μm的颗粒物的数目等级进行比对，获得清洁度级别L3；将与NAS1638标准中粒径为50-100μm的颗粒物数的目等级进行比对，获得清洁度级别L4；将与NAS1638标准中粒径为100μm的以上颗粒物的目等级进行比对，获得清洁度级别L5；
8、取L1、L2、L3、L4、L5中最大值Lx，Lx即为该待测润滑油试剂基于NAS1638 标准的清洁度等级。
Claims (8)
1.一种基于微流控芯片的油污颗粒检测装置，包括微流控芯片，微流控芯片包括盖片和基片，盖片位于基片的正上方，盖片和基片密封连接，其特征在于：还包括图像检测机构，盖片的下表面上开设有高度呈梯度变化的捕获沟道，捕获沟道和基片上表面构成捕获腔，盖片上设有试剂进口和试剂出口，试剂进口和试剂出口分别与捕获腔的两端连接，捕获腔的高度自试剂进口到试剂出口的方向依次减少，捕获腔包括自试剂进口到试剂出口的方向依次排列的第一捕获区、第二捕获区……第M捕获区，M为不小于2的正整数。
2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的油污颗粒检测装置，其特征在于：所述的N为五，第一捕获区的高度为100-200μm，第二捕获区的高度为50-100μm，第三捕获区的高度为25-50μm，第四捕获区的高度为15-25μm，第五捕获区的高度为5-15μm。
3.根据权利要求2所述的基于微流控芯片的油污颗粒检测装置，其特征在于：第一捕获区、第二捕获区、第三捕获区、第四捕获区和第五捕获区在竖直方向的投影为长方形，第一捕获区和第二捕获区在试剂进口到试剂出口的方向上的长度相等，第二捕获区、第三捕获区、第四捕获区和第五捕获区在试剂进口到试剂出口的方向上的长度依次增加。
4.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的油污颗粒检测装置，其特征在于：捕获腔还包括位于捕获腔两端部的入口缓冲区和出口缓冲区，试剂进口与入口缓冲区连通，入口缓冲区与第一捕获区连通，出口缓冲区与第N捕获区连通，出口缓冲区与试剂出口连通。
5.根据权利要求4所述的基于微流控芯片的油污颗粒检测装置，其特征在于：入口缓冲区的高度为200-500μm，入口缓冲区的宽度自试剂进口到试剂出口的方向逐渐减小，入口缓冲区的宽度为500-5000μm，入口缓冲区宽度最窄的端口连通与试剂进口连通，入口缓冲区宽度最宽的端口与第一捕获区连通，出缓冲区的高度为4-5μm，出口缓冲区的宽度自试剂进口到试剂出口的方向逐渐增加，出口缓冲区的宽度为500-5000μm，出口缓冲区的宽度最宽的端口与第N捕获区连通，出口缓冲区的宽度最窄的端口与试剂出口连通。
6.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的油污颗粒检测装置，其特征在于：所述图像检测机构包括显微镜和图像分析处理模块，显微镜与图像分析处理模块电连接。
7.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的油污颗粒检测装置，其特征在于：基片和盖片的材质为透明防水材料，透明防水材料为玻璃或亚克力。
8.一种基于微流控芯片的油污颗粒检测方法，其特征在于包括如下步骤：
8.1、将微流控芯片置于显微镜镜头的正下方；
8.2、将待测润滑油试剂从试剂进口注入捕获腔内，待测润滑油试剂中不同尺寸的颗粒物会分别被卡在第一捕获区、第二捕获区……第M捕获区中；
3、待测润滑油试剂注入完毕后，通过显微镜对微流控芯片进行拍照，显微镜将拍摄的图像上传至图像分析模块，图像分析模块对显微镜拍摄的图像进行处理，识别并记录第一捕获区、第二捕获区……第M捕获区捕获的颗粒物的数目；
4、更换新的微流控芯片，重复步骤1-3；
5、重复步骤4n-2次，n≥3，n次检测中，第一捕获区捕获颗粒物的数目为A1、A2、A3……An，第二捕获区捕获颗粒物的数目为B1、B2、B3……Bn，第M捕获区捕获颗粒物的数目为M1、M2、M3……Mn；
6、n次检测中，第一捕获区捕获颗粒物的平均数目为第二捕获区捕获颗粒物的平均数目为第M捕获区捕获颗粒物的平均数目为
7、将与NAS1638标准中对应粒径的颗粒物的数目等级进行比对，获得清洁度级别L1；将与NAS1638标准中对应粒径的颗粒物的目等级进行比对，获得清洁度级别L2；将与NAS1638标准中对应粒径的颗粒物的数目等级进行比对，获得清洁度级别Lm；
8、取L1、L2……Lm中最大值Lx，Lx即为该待测润滑油试剂基于NAS1638标准的清洁度等级。
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