CN111272832B - 无源无线的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无源无线的检测装置，其中：所述电容通道与所述电感通道连接，形成谐振电路；所述检测通道，设置于第一电容极板通道和第二电容极板通道之间，用于当液滴或气泡或微粒经过所述检测通道，第一电容极板通道和第二电容极板通道之间的介电常数发生变化，使得电容通道的电容值发生变化，从而谐振电路的谐振频率发生变化；所述读取器件，用于读取谐振电路的谐振频率，并依据所述谐振频率检测得到对应的液滴或气泡或微粒的信息。采用上述方案，摆脱了外界因素和自身因素的限制，可以大幅度缩小检测装置的体积，不会对装置产生损耗，延长装置使用寿命，以及保证检测结果的准确度，并扩大检测装置的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及液滴或气泡或微粒检测，尤其涉及一种无源无线的检测装置。
背景技术
如今，随着微液滴的应用越来越重要，液滴、气泡、微粒的检测也逐渐开始被重视。液滴检测在液滴乳化、混合、包埋、萃取和生物鉴定等方面应用广泛。但现在还缺乏对液滴产生速度、流速、尺寸、数量等参数的快速精确检测的检测方案；各类机器设备工作中的磨损是导致设备工作异常和失效的最常见故障之一，因此设备内部由于磨损产生的悬浮于润滑系统油液中的铁磁性微粒则可以用作反映设备内部磨损状况(程度、部位和类型)的重要信息载体，微粒检测方案能够检测出微粒大小与材质，以便能迅速的定位到磨损部分，及时进行保养修复；流体中带入的气泡容易引起流体不稳等情况，甚至在应用过程中影响诸如生物细胞和组织器官的捕获和培养，因此需要监测灌流系统中是否存在气泡。
现有技术中，采用的液滴、气泡、微粒的检测方案有声波检测法、光学检测法、电感检测法和电容检测法等。其中，声波检测法易受到噪声和震动等条件影响，光学检测法易受到温度和油液渗透性等环境影响，电容检测法和电感检测法需要外加电源对电路进行供电，且需要导线连接，其应用受到上述两个因素的限制。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种无源无线的检测装置。
技术方案：本发明实施例中提供一种无源无线的检测装置，包括：检测通道，电容通道，电感通道和读取器件，其中：
所述电容通道与所述电感通道连接，液态导电材料注入所述电容通道和所述电感通道，形成谐振电路；
所述电容通道，包括第一电容极板通道和第二电容极板通道；
所述检测通道，设置于第一电容极板通道和第二电容极板通道之间，用于当液滴或气泡或微粒经过所述检测通道，第一电容极板通道和第二电容极板通道之间的介电常数发生变化，使得电容通道的电容值发生变化，从而谐振电路的谐振频率发生变化；
所述读取器件，用于读取谐振电路的谐振频率，并依据所述谐振频率检测得到对应的液滴或气泡或微粒的信息。
具体的，包括：微流控芯片基板，所述检测通道、所述电容通道和所述电感通道由基于PDMS材质的微流道构成，并集成于所述微流控芯片基板。
具体的，所述电感通道，包括电感入口和电感出口，所述电感入口和电感出口之间包括多层电感线，所述多层电感线由通道按照螺旋状形成。
具体的，所述第一电容极板通道与所述电感入口连接，所述电感出口与所述第二电容极板通道连接。
具体的，当检测对象为液滴时，包括：液滴产生结构，集成于所述微流控芯片基板，包括第一流体入口和第二流体入口，第一流体入口与第二流体入口交于交汇点，交汇点与所述检测通道连接。
具体的，所述读取器件在液滴或气泡或微粒接触所述检测通道内壁时，采用以下公式计算液滴或气泡或微粒的体积：
Δfs＝K1·K2·Vdroplet，
其中，Δfs表示谐振频率的变化值，
具体的，所述读取器件结合所述检测通道的尺寸，计算液滴或气泡或微粒的长度。
具体的，所述读取器件在液滴或气泡或微粒未接触所述检测通道内壁时，采用以下公式计算液滴或气泡或微粒的体积：
其中，Δfs表示谐振频率的变化值，
D表示第一电容极板通道和第二电容极板通道之间的间距，ε1、ε2分别是第一电容极板通道和第二电容极板通道之间的液滴或气泡或微粒的相对介电常数和除液滴或气泡或微粒之外其他物质的相对介电常数，ε0表示真空介电常数，r表示液滴或气泡或微粒的半径，2r表示液滴或气泡或微粒的长度，4/3·πr3为液滴或气泡或微粒的体积。
具体的，所述读取器件根据谐振频率的变化次数，计算液滴或气泡或微粒的数量。
具体的，所述读取器件采用以下公式计算液滴或气泡或微粒的速度Sdroplet：
其中，Lcapacitor表示电容通道的长度，ldroplet表示液滴或气泡或微粒的长度，Δt表示液滴或气泡或微粒经过电容通道的时间。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：采用非接触方式读取无源电路的谐振频率，依据谐振频率实现对液滴、气泡、微粒的检测，摆脱了外界因素和自身因素的限制，可以大幅度缩小检测装置的体积，不会对装置产生损耗，延长装置使用寿命，以及保证检测结果的准确度，并扩大检测装置的应用领域。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的无源无线的检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的无源无线的检测装置的三维示意图；
图3为本发明实施例中提供的另一无源无线的检测装置的结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的多层电感线的俯视图；
图5为本发明实施例中提供的多层电感线的侧视图；
图6为本发明实施例中提供的液滴或气泡或微粒经过电容极板通道之间的示意图；
图7为本发明实施例中提供的液滴或气泡或微粒经过电容极板通道之间的另一示意图以及电路等效图；
图8为与图7对应的液滴或气泡或微粒的示意图
10-检测通道；20-电容通道，201-第一电容极板通道，202-第二电容极板通道；30-电感通道，301-电感入口，302-电感出口，303-连接孔；40-微流控芯片基板；50-液滴产生结构，501-第一流体入口，502-第二流体入口；60-读取器件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参阅图1，其为本发明实施例中提供的无源无线的检测装置的结构示意图；参阅图2，其为本发明实施例中提供的无源无线的检测装置的三维示意图；参阅图3，其本发明实施例中提供的另一无源无线的检测装置的结构示意图，以下结合附图和实施例进行详细说明。
本发明实施例中提供一种无源无线的检测装置，包括：检测通道10，电容通道20，电感通道30和读取器件60，其中：
所述电容通道20与所述电感通道30连接，液态导电材料注入所述电容通道20和所述电感通道30，形成谐振电路；
所述电容通道20，包括第一电容极板通道201和第二电容极板通道202；
所述检测通道10，设置于第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间，用于当液滴或气泡或微粒经过所述检测通道10，第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间的介电常数发生变化，使得电容通道20的电容值发生变化，从而谐振电路的谐振频率发生变化；
所述读取器件60，用于读取谐振电路的谐振频率，并依据所述谐振频率检测得到对应的液滴或气泡或微粒的信息。
在具体实施中，液滴或气泡或微粒，指检测装置的检测对象是液滴、气泡、微粒三者中任意一种，即当通过检测通道10的检测对象是液滴时，则读取器件60依据谐振频率检测得到液滴的信息；当通过检测通道10的检测对象是气泡时，则读取器件60依据谐振频率检测得到气泡的信息；当通过检测通道10的检测对象是微粒时，则读取器件60依据谐振频率检测得到微粒的信息。在微流体通道中，两种互不相溶的连续流体在其汇聚处生成稳定、有序的非连续流，即液滴。微粒，即固态微粒。
在具体实施中，电容通道20和电感通道30之间的连接可以是串联或者并联，以形成谐振电路为目的。电容通道20和电感通道30之中注入液态导电材料，进而可以形成无源的谐振电路。液态导电材料可以是镓铟锡液态合金、导电银浆、PEDOT:PSS溶液等。相比现有技术中的电容检测法和电感检测法需要外加电源对电路进行供电和导线连接，无源无线的谐振电路可以摆脱外加电源以及导线的限制，大幅度缩小装置的体积，应用于封闭或者恶劣的环境之中，例如封闭的机械结构和转动的机械结构。同时，不受外界电源的影响，可以提高检测结果的准确度。
在具体实施中，液滴或气泡或微粒经过检测通道10时，即检测对象经过第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间，进而第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间的介电常数发生变化，介电常数的变化导致电容通道20的电容值的变化，电容值变化进而对谐振电路产生影响，谐振电路的谐振频率因此而产生相应的变化。
在具体实施中，相比现有技术中声波检测法和光学检测法容易受到外部因素的影响且需要对检测对象进行标记、加热等操作，依靠液滴或气泡或微粒经过电容极板通道之间改变电容通道20的介电常数，进而依据谐振电路的谐振频率进行检测，排除了外部因素的干扰、且无需对检测对象进行额外的处理，可以保证检测结果的准确度，而且可以实现无损耗和重复性强的检测，同时检测装置的寿命也大大增长。
在具体实施中，读取器件60通常可以是使用读出线圈(readout coil)和矢量网络分析仪，或者读出线圈和阻抗谱仪，或者其他可以用于读取谐振频率的器件。读取器件60通过非接触方式读取谐振频率以及谐振频率的变化值，排除外部因素的干扰，或者与谐振电路之间的连接线路的限制，实现无损耗和重复性强的检测，增长无源无线的检测装置的寿命，扩大无源无线的检测装置的应用领域，并且保证检测结果的准确度。
在具体实施中，读取器件60还可以包括用于计算检测的部分，用于进行数据计算，得到检测结果。
本发明实施例中，所述无源无线的检测装置，包括：微流控芯片基板40，所述检测通道10、所述电容通道20和所述电感通道30由基于PDMS材质的微流道构成，并集成于所述微流控芯片基板40。
在具体实施中，PDMS(polydimethylsiloxane)材质为有机硅的一种，可以应用于微流控芯片的制造，微流道可以指通道。
在具体实施中，由于采用液态导电材料注入通道形成的无源谐振电路，排除了外部电源和连接线路的限制，整个检测装置的体积可以大幅度的减小，以实现于集成在微流控芯片基板40之上，形成用于液滴或气泡或微粒检测的微流控芯片，增强了便携性。
参阅图4，其为本发明实施例中提供的多层电感线的俯视图；参阅图5，其为本发明实施例中提供的多层电感线的侧视图。
本发明实施例中，所述电感通道30，包括电感入口301和电感出口302，所述电感入口301和电感出口302之间包括多层电感线，所述多层电感线由通道按照螺旋状形成。
在具体实施中，多层电感线是螺旋形状通道，螺旋形状主要体现在通道连续由上至下盘旋，或者连续由下至上盘旋，具体可以按照正方形、长方形、椭圆、圆等多种平面形状进行螺旋、盘旋，目的在于形成多层电感线。较优的方式是，每半圈(也可以是四分之一圈、四分之三圈)为一层，例如，图4中显示，半个正方形为一层，与该层上下相邻的一层为另一半的正方形，该层与上下相邻的一层的连接，是通过该层的半圈的处于两个端点上的连接孔303，与相邻的一层对应的连接孔303连接而实现。电感入口301和电感出口302用于液态导电材料注入多层电感线和流出多层电感线。多层电感线的层数可以由用户根据实际应用场景进行相应的设定。
本发明实施例中，所述第一电容极板通道201与所述电感入口301连接，所述电感出口302与所述第二电容极板通道202连接。
在具体实施中，第一电容极板通道201也包括液态导电材料的注入口，液态导电材料从第一电容极板通道201的注入口注入，充满第一电容极板通道201后从电感入口301进入电感通道30，充满电感通道30后，从电感出口302注入第二电容极板通道202，充满第二电容极板通道202后可以流出，最终形成无源的电容电感谐振电路。
在具体实施中，电感出口302和电感入口301是可以调换的，即液态导电材料的注入流通路径是可以变化。
本发明实施例中，当检测对象为液滴时，所述无源无线的检测装置，包括：液滴产生结构50，集成于所述微流控芯片基板40，包括第一流体入口501和第二流体入口502，第一流体入口501与第二流体入口502交于交汇点，交汇点与所述检测通道10连接。
在具体实施中，两种互不相溶的连续流体在其汇聚处生成稳定、有序的非连续流，即液滴。通过调节微流道(液滴产生结构50)的结构设计、几何尺寸、表面化学性质和流体流速等条件可灵活地调节液滴的大小和生成频率。液滴产生结构50可由用户自定义设定，主要方式包括如下三种：正交结构(T-junction)、流动聚焦式(Flow-focusing)和共轴流(Co-axialflow)。
在具体实施中，第一流体入口501和第二流体入口502分别注入两种互不相溶的连续流体(分别为连续相液体和分散相液体，其中连续相液体可以视作填充，分散相液体为检测对象)，在交汇点处生成稳定、有序的非连续流，即液滴。参阅图1、图2，采用流动聚焦式的液滴产生方式，连续流体从第一流体入口501进入后，经过图示的方形通道(也可以为椭圆、圆形等)后到达交汇点，与从第二流体入口502进入的连续流体交汇后形成液滴，液滴进入检测通道10后流经第一电容极板通道201和第二电容极板通道202。也可以采用正交结构或者共轴流的液滴产生结构50。
在具体实施中，当检测对象为气泡时，所述无源无线的检测装置，可以包括气泡产生结构，一入口可以用于注入液体(连续相)，另一入口可以用于打入气泡(分散相)，两入口交于交汇点，交汇点与所述检测通道10连接。气泡产生结构可由用户自定义设定，主要方式包括如下三种：正交结构(T-junction)、流动聚焦式(Flow-focusing)和共轴流(Co-axialflow)。
参阅图6，为本发明实施例中提供的液滴或气泡或微粒经过电容极板通道之间的示意图。
本发明实施例中，所述读取器件60在液滴或气泡或微粒接触所述检测通道10内壁时，采用以下公式计算液滴或气泡或微粒的体积：
Δfs＝K1·K2·Vdroplet，
其中，Δfs表示谐振频率的变化值(已知)，
本发明实施例中，所述读取器件60结合所述检测通道10的尺寸，计算液滴或气泡或微粒的长度。
在具体实施中，ε1、ε2可以分别指第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间的检测通道内的液滴或气泡或微粒的相对介电常数(已知)和除液滴或气泡或微粒之外其他物质(如检测通道10中的填充液体)的相对介电常数。
在具体实施中，
ΔLs、ΔCs分别是谐振电路的变化的电感值和变化的电容值，液滴或气泡或微粒通过电容极板通道之间时，ΔLs≈0，得到
又有变化的电容值的微分表达公式：
ΔA、ΔD分别为第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间的变化的正对面积和变化的间距(均可以约等于0)，εr表示第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间介质的相对介电常数，得到：
其中，
表示液滴经过第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间时，第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间介质的等效相对介电常数；
因此，基于以下公式：Δfs＝K1·K2·Vdroplet，可以得到液滴或气泡或微粒(单位：滴或个或粒，即每滴液滴或每个气泡或每粒微粒)的体积Vdroplet。
在具体实施中，在液滴或气泡或微粒接触所述检测通道10内壁，充满检测通道10，即如图6所示的状态时，液滴或气泡或微粒可以视作圆柱体形状、长方体形状或正方体形状，在得到液滴或气泡或微粒的体积后，结合检测通道10的尺寸(内径)，即可以计算得到检测对象的长度，即圆柱体液滴或气泡或微粒的高。
本发明实施例中，所述读取器件60在液滴或气泡或微粒未接触所述检测通道10内壁时，采用以下公式计算液滴或气泡或微粒的体积：
其中，Δfs表示谐振频率的变化值(已知)，
D表示第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间的间距(已知)，ε1、ε2分别是第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间的液滴或气泡或微粒的相对介电常数(已知)和除液滴或气泡或微粒之外其他物质(如检测通道10中的填充液体)的相对介电常数(已知)，ε0表示真空介电常数(已知，ε0＝8.85*10-12(F/m))，r表示液滴或气泡或微粒的半径，2r表示液滴或气泡或微粒的长度，4/3·πr3为液滴或气泡或微粒的体积。
参阅图7，其为本发明实施例中提供的液滴或气泡或微粒经过电容极板通道之间的另一示意图；参阅图8，其为与图7对应的液滴或气泡或微粒的示意图。
在具体实施中，当产生的液滴或气泡或微粒较小时，检测对象在电容极板通道之间通过时如图7、8所示，与检测通道10的内壁不接触。简化研究模型为液滴或气泡或微粒正对电容极板通道的横截面A1＝πr2(r为近似球形液滴或气泡或微粒的半径)，高度为第一电容极板通道201和第二电容极板通道202之间的间距D的圆柱形介质区域(其体积：V1＝A1D＝πr2D)，如图8所示，电容值的变化只发生在圆柱形介质区域内。
当液滴或气泡或微粒未通过电容极板间时，研究模型内介质完全是连续相(均为检测通道10中的填充液体)，其相对介电常数为ε2，ε0＝8.85*10-12(F/m)为真空介电常数，此时在研究模型的介质区域内，组成的电容值为；
当液滴或气泡或微粒通过电容极板通道之间时，研究模型内介质除了连续相外，还存在由分散相组成的近似球形液滴或气泡或微粒，此时在模型介质区域内，组成的电容值为：
如图8所示，其中Ca、Cb、Cc分别为在研究模型中，液滴或气泡或微粒一侧区域组成介质区的电容值、液滴或气泡或微粒区域组成介质区的电容值、液滴或气泡或微粒另一侧区域组成介质区的电容。
用微分法求出各电容：
求解Ca：将此电容值中介质区域在x、y、z方向等距微分成多个部分，在y方向上，同一正对面积Ak，间距dk也相同的电容实现串联连接，其电容和：
在同一xoz平面上的相邻的介质区域上，电容实现并联连接，其电容和可以计算：
其中：Va＝∑Akdi＝da·A1，同理可得：
同时：V1＝A1D＝πr2D＝Va+Vdroplet+Vc＝Va+4/3·πr3+Vc；
则：
(以油水两相为例：水作为分散相、油作为连续相，则：
)
最终：
得出谐振频率的变化值与球形液滴或气泡或微粒的半径r之间的关系，即可计算得到液滴或气泡或微粒的长度2r，液滴或气泡或微粒的体积4/3·πr3。
本发明实施例中，所述读取器件60根据谐振频率的变化次数，计算液滴或气泡或微粒的数量。
在具体实施中，每次检测对象通过电容极板通道之间时，电容通道20的电容值发生变化，进而谐振电路的谐振频率发生变化，因此，每当谐振频率发生变化时，则表明有检测对象经过电容极板通道之间，谐振频率发生变化的次数，即可以是液滴或气泡或微粒的数量，在一些实际应用场景中，也可以根据谐振频率发生变化的次数乘以预设的权重系数计算得到液滴或气泡或微粒的数量。
本发明实施例中，所述读取器件60采用以下公式计算液滴或气泡或微粒的速度Sdroplet：
其中，Lcapacitor表示电容通道20的长度，ldroplet表示液滴或气泡或微粒的长度，Δt表示液滴或气泡或微粒经过电容通道20的时间。
Claims (9)
1.一种无源无线的检测装置，其特征在于，包括：检测通道，电容通道，电感通道和读取器件，其中：
所述电容通道与所述电感通道连接，液态导电材料注入所述电容通道和所述电感通道，形成谐振电路；
所述电容通道，包括第一电容极板通道和第二电容极板通道；
所述检测通道，设置于第一电容极板通道和第二电容极板通道之间，用于当液滴或气泡或微粒经过所述检测通道，第一电容极板通道和第二电容极板通道之间的介电常数发生变化，使得电容通道的电容值发生变化，从而谐振电路的谐振频率发生变化；
所述读取器件，用于读取谐振电路的谐振频率，并依据所述谐振频率检测得到对应的液滴或气泡或微粒的信息；在液滴或气泡或微粒接触所述检测通道内壁时，采用以下公式计算液滴或气泡或微粒的体积：
Δfs＝K1·K2·Vdroplet，
其中，Δfs表示谐振频率的变化值，
2.根据权利要求1所述的无源无线的检测装置，其特征在于，包括：微流控芯片基板，所述检测通道、所述电容通道和所述电感通道由基于PDMS材质的微流道构成，并集成于所述微流控芯片基板。
3.根据权利要求1所述的无源无线的检测装置，其特征在于，所述电感通道，包括电感入口和电感出口，所述电感入口和电感出口之间包括多层电感线，所述多层电感线由通道按照螺旋状形成。
4.根据权利要求3所述的无源无线的检测装置，其特征在于，所述第一电容极板通道与所述电感入口连接，所述电感出口与所述第二电容极板通道连接。
5.根据权利要求2所述的无源无线的检测装置，其特征在于，当检测对象为液滴时，包括：液滴产生结构，集成于所述微流控芯片基板，包括第一流体入口和第二流体入口，第一流体入口与第二流体入口交于交汇点，交汇点与所述检测通道连接。
6.根据权利要求1所述的无源无线的检测装置，其特征在于，所述读取器件结合所述检测通道的尺寸，计算液滴或气泡或微粒的长度。
7.根据权利要求1所述的无源无线的检测装置，其特征在于，所述读取器件在液滴或气泡或微粒未接触所述检测通道内壁时，采用以下公式计算液滴或气泡或微粒的体积：
其中，Δfs表示谐振频率的变化值，
r表示液滴或气泡或微粒的半径，2r表示液滴或气泡或微粒的长度，4/3·πr3为液滴或气泡或微粒的体积。
8.根据权利要求6或7所述的无源无线的检测装置，其特征在于，所述读取器件采用以下公式计算液滴或气泡或微粒的速度Sdroplet：
其中，Lcapacitor表示电容通道的长度，ldroplet表示液滴或气泡或微粒的长度，Δt表示液滴或气泡或微粒经过电容通道的时间。
9.根据权利要求1所述的无源无线的检测装置，其特征在于，所述读取器件根据谐振频率的变化次数，计算液滴或气泡或微粒的数量。
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