CN205562348U - 基于微流控芯片的颗粒在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，所述装置包括微流控芯片、第一阻抗分析仪和第二阻抗分析仪；所述微流控芯片包括基板部件和设置在基板部件上的芯片主体；所述芯片主体包括：设置在基板部件上的第一进液孔、第二进液孔、第一出液孔和第二出液孔；用于在磁场的作用下将油液中的铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒进行分离的颗粒分离区域；设置在基板部件上且位于所述第一微通道一侧的磁性部件安放区域；放置在所述磁性部件安放区域上，用于提供磁场的磁性部件；颗粒检测区域；本实用新型能够实现油液中铁磁性颗粒与非铁磁性颗粒的区分和在线连续计数，适用于油液在线检测分析，特别是航行船舶上的油液检测分析。

Description

基于微流控芯片的颗粒在线检测装置

技术领域

本实用新型属于油液检测技术领域，具体为一种基于微流控芯片的颗粒在线检测装置。

背景技术

油液监测技术是一种通过分析被监测机器的正在使用的润滑剂的性能变化和携带的磨损微粒的情况，来获得机器的润滑信息和磨损状态，以及评价机器工况和预测故障，并确定故障原因、故障类型和故障零件的技术。基于油液监测技术的机器状态检测是现代工业维修活动中必不可少的技术之一，并具有可观的经济效益。针对油液中金属磨粒的检测技术目前已成为油液监测技术的主要内容。

根据油液在线检测系统中所选择的传感器的不同工作原理，可将现有技术中的油液在线检测技术分为以下几种：

1、理化分析技术：是指在实验室内利用仪器对油样的粘度、闪点、水分、酸值和金属磨粒等理化指标进行检测分析的技术。理化分析技术检测精度高、能够检测润滑油的各项性能指标，做出全面的分析，有效延长润滑油的更换期限。常用的油品理化分析仪器有粘度计、滴定仪和红外光谱仪等。但理化分析技术同时存在检测时间长、成本高、操作过程复杂、只能用于实验室测量、不适合对油液进行快速在线检测的缺陷。

2、铁谱技术：是利用磁力梯度和重力梯度将金属磨粒从润滑油中分离并按照大小进行排列的油液检测技术。铁谱技术能够判断出油液中磨损颗粒的大小和性质类型。常用的铁谱仪器有在线铁谱仪。但铁谱技术存在定量铁谱的不准确性、磨粒分析主要依赖操作者的知识水平和实践经验，采样不具有代表性，制作铁谱也需要较长时间，分析速度不高的缺陷。

3、光谱分析技术：包括原子发射光谱法、原子吸收光谱法、红外光谱分析法和射线荧光光谱法。光谱分析技术对颗粒识别能力强，设备集成度高。但光谱分析技术存在光谱仪器一般比较昂贵，安装条件严格，实验费用高的缺陷。

4、电学监测技术：其中的常用技术是电阻式在线监测技术，主要利用不同磨粒具有不同的电阻率，当油液通过电阻传感器时，不同电阻值反映出磨粒的浓度和粒度分布。但电阻式在线监测技术存在灵敏度不高，无法对微小颗粒做出检测的缺陷。

由上可见，现有技术中的油液在线检测技术均存在一定的局限性，不能很好的适用于高灵敏度和油液在线检测的需求。

发明内容

本实用新型针对以上问题的提出，而研制一种基于微流控芯片的颗粒在线检测装置。

本实用新型的技术手段如下：

一种基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，包括微流控芯片、第一阻抗分析仪和第二阻抗分析仪；所述微流控芯片包括基板部件和设置在基板部件上的芯片主体；所述芯片主体包括：

设置在基板部件上的第一进液孔、第二进液孔、第一出液孔和第二出液孔；

用于在磁场的作用下将油液中的铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒进行分离的颗粒分离区域；所述颗粒分离区域包括分布在基板部件上的第一微通道和第二微通道；未含有颗粒的油液通过第一进液孔进入第一微通道；含有颗粒的油液通过第二进液孔进入第二微通道；所述第一微通道中部开设有第一开口，所述第二微通道中部开设有与所述第一开口相连通的第二开口；经过分离处理后得到的铁磁性颗粒经由第一微通道进入颗粒检测区域，经过分离处理后得到的非铁磁性颗粒经由第二微通道进入颗粒检测区域；

设置在基板部件上且位于所述第一微通道一侧的磁性部件安放区域；

放置在所述磁性部件安放区域上，用于提供磁场的磁性部件；

颗粒检测区域；所述颗粒检测区域包括第三微通道、第四微通道、设置在基板部件上且分别位于第三微通道两侧的第一检测电极和第二检测电极、以及设置在基板部件上且分别位于第四微通道两侧的第三检测电极和第四检测电极；所述第三微通道始端与第一微通道末端相连通，所述第三微通道末端与第一出液孔相连通；所述第四微通道始端与第二微通道相连通，所述第四微通道末端与第二出液孔相连通；

当所述第三微通道经过铁磁性颗粒时，所述第一检测电极、第二检测电极之间的电容值发生变化；所述第一阻抗分析仪与所述第一检测电极、第二检测电极相连接；

当所述第四微通道经过非铁磁性颗粒时，所述第三检测电极、第四检测电极之间的电容值发生变化；所述第二阻抗分析仪与所述第三检测电极、第四检测电极相连接；

进一步地，所述第一阻抗分析仪获得第一检测电极、第二检测电极之间的电容值变化情况；根据第一检测电极、第二检测电极之间的电容值变化情况获知经过第三微通道的铁磁性颗粒的数量；所述第二阻抗分析仪获得第三检测电极、第四检测电极之间的电容值变化情况；根据第三检测电极、第四检测电极之间的电容值变化情况获知经过第四微通道的非铁磁性颗粒的数量；

另外，所述颗粒分离区域还包括：

布置在第一微通道和第二微通道之间的第一分隔部件和第二分隔部件；所述第一分隔部件的一端部位于所述颗粒分离区域的始端，另一端部具有斜面；所述第二分隔部件的一端部位于所述颗粒分离区域的末端，另一端部具有斜面；所述第一分隔部件具有的斜面的倾斜方向与所述第二分隔部件具有的斜面的倾斜方向相互对称；通过第一分隔部件和第二分隔部件的设置，使得第一微通道的第一开口大于所述第二微通道的第二开口；

另外，所述装置还包括与第一阻抗分析仪、第二阻抗分析仪相连接的显示装置；

进一步地，所述第一分隔部件具有的斜面的倾斜角度和所述第二分隔部件具有的斜面的倾斜角度均为45度；

进一步地，所述基板部件采用PMMA材料制成；所述芯片主体采用PDMS材料制成；

进一步地，根据第一检测电极、第二检测电极之间的电容值变化情况获知经过第三微通道的铁磁性颗粒的粒径状态；根据第三检测电极、第四检测电极之间的电容值变化情况获知经过第四微通道的非铁磁性颗粒的粒径状态。

由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，基于电学监测技术中的电容检测原理，能够实现油液中铁磁性颗粒与非铁磁性颗粒的区分和在线连续计数，适用于油液在线检测分析，特别是航行船舶上的油液检测分析。

附图说明

图1本实用新型所述装置的结构示意图；

图2是本实用新型所述芯片主体及基板部件的结构示意图；

图中：1、基板部件，2、芯片主体，3、第一进液孔，4、第二进液孔，5、第一出液孔，6、第二出液孔，7、颗粒分离区域，8、磁性部件安放区域，10、磁性部件，71、第一微通道，72、第二微通道，73、第一开口，74、第二开口，75、第一分隔部件，76、第二分隔部件，77、斜面，91、第三微通道，92、第四微通道，93、第一检测电极，94、第二检测电极，95、第三检测电极，96、第四检测电极。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，包括微流控芯片、第一阻抗分析仪和第二阻抗分析仪；所述微流控芯片包括基板部件1和设置在基板部件1上的芯片主体2；所述芯片主体2包括：设置在基板部件1上的第一进液孔3、第二进液孔4、第一出液孔5和第二出液孔6；用于在磁场的作用下将油液中的铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒进行分离的颗粒分离区域7；所述颗粒分离区域7包括分布在基板部件1上的第一微通道71和第二微通道72；未含有颗粒的油液通过第一进液孔3进入第一微通道71；含有颗粒的油液通过第二进液孔4进入第二微通道72；所述第一微通道71中部开设有第一开口73，所述第二微通道72中部开设有与所述第一开口73相连通的第二开口74；经过分离处理后得到的铁磁性颗粒经由第一微通道71进入颗粒检测区域，经过分离处理后得到的非铁磁性颗粒经由第二微通道72进入颗粒检测区域；设置在基板部件1上且位于所述第一微通道71一侧的磁性部件安放区域8；放置在所述磁性部件安放区域8上，用于提供磁场的磁性部件10；颗粒检测区域；所述颗粒检测区域包括第三微通道91、第四微通道92、设置在基板部件1上且分别位于第三微通道91两侧的第一检测电极93和第二检测电极94、以及设置在基板部件1上且分别位于第四微通道92两侧的第三检测电极95和第四检测电极96；所述第三微通道91始端与第一微通道71末端相连通，所述第三微通道91末端与第一出液孔5相连通；所述第四微通道92始端与第二微通道72相连通，所述第四微通道92末端与第二出液孔6相连通；当所述第三微通道91经过铁磁性颗粒时，所述第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值发生变化；所述第一阻抗分析仪与所述第一检测电极93、第二检测电极94相连接；当所述第四微通道92经过非铁磁性颗粒时，所述第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值发生变化；所述第二阻抗分析仪与所述第三检测电极95、第四检测电极96相连接；进一步地，所述第一阻抗分析仪获得第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值变化情况；根据第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值变化情况获知经过第三微通道91的铁磁性颗粒的数量；所述第二阻抗分析仪获得第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值变化情况；根据第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值变化情况获知经过第四微通道92的非铁磁性颗粒的数量；另外，所述颗粒分离区域7还包括：布置在第一微通道71和第二微通道72之间的第一分隔部件75和第二分隔部件76；所述第一分隔部件75的一端部位于所述颗粒分离区域7的始端，另一端部具有斜面77；所述第二分隔部件76的一端部位于所述颗粒分离区域7的末端，另一端部具有斜面77；所述第一分隔部件75具有的斜面77的倾斜方向与所述第二分隔部件76具有的斜面77的倾斜方向相互对称；通过第一分隔部件75和第二分隔部件76的设置，使得第一微通道71的第一开口73大于所述第二微通道72的第二开口74；另外，所述装置还包括与第一阻抗分析仪、第二阻抗分析仪相连接的显示装置；进一步地，所述第一分隔部件75具有的斜面77的倾斜角度和所述第二分隔部件76具有的斜面77的倾斜角度均为45度；进一步地，所述基板部件1采用PMMA材料制成；所述芯片主体2采用PDMS材料制成；进一步地，根据第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值变化情况获知经过第三微通道91的铁磁性颗粒的粒径状态；根据第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值变化情况获知经过第四微通道92的非铁磁性颗粒的粒径状态。

使用本实用新型所述装置实现颗粒在线检测的具体工作过程包括如下步骤：

步骤1：将未含有颗粒的油液通过第一进液孔3输送至第一微通道71，将含有颗粒的油液通过第二进液孔4输送至第二微通道72；

步骤2：进入颗粒分离区域7中的铁磁性颗粒在磁场的作用下，由第二微通道72经过第一微通道71与第二微通道72相连通的区域进入到第一微通道71，并沿第一微通道71输送至第三微通道91，进入颗粒分离区域7中的非铁磁性颗粒继续沿第二微通道72流动并进入第四微通道92；

步骤3：当所述第三微通道91经过铁磁性颗粒时，所述第一阻抗分析仪能够获得第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值变化情况；根据第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值变化情况获知经过第三微通道91的铁磁性颗粒的数量；当所述第四微通道92经过非铁磁性颗粒时，所述第二阻抗分析仪能够获得第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值变化情况；根据第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值变化情况获知经过第四微通道92的非铁磁性颗粒的数量；

另外，还可以根据第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值变化情况获知经过第三微通道91的铁磁性颗粒的粒径状态；根据第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值变化情况获知经过第四微通道92的非铁磁性颗粒的粒径状态。

本实用新型第一检测电极93、第二检测电极94分别位于第三微通道91两侧，在第三微通道91未经过铁磁性颗粒时，第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值为某一基准电容值，不同大小的铁磁性颗粒对应的第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容是不同的，不同大小的铁磁性颗粒经过第三微通道91后，相应地，第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容发生变化，所述第一阻抗分析仪能够根据第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值变化生成相应的脉冲信号，第一阻抗分析仪产生的脉冲信号幅值与电容变化值是相对应的，这里的电容变化值指的是第三微通道91经过铁磁性颗粒时的第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值，同第三微通道91未经过铁磁性颗粒时的第一检测电极93、第二检测电极94之间的电容值的差值；通过对第一阻抗分析仪生成的脉冲信号进行统计，便可获知经过第三微通道91的铁磁性颗粒的数量；电容变化值的大小还能够反应铁磁性颗粒的粒径状态，可以根据第一阻抗分析仪生成的脉冲信号的幅值大小得出，脉冲信号的幅值越高，则说明铁磁性颗粒的粒径越大，脉冲信号的幅值越低，则说明铁磁性颗粒的粒径越小，即脉冲信号的幅值大小与铁磁性颗粒的粒径大小之间存在线性的对应关系。

本实用新型第三检测电极95、第四检测电极96分别位于第四微通道92两侧，在第四微通道92未经过非铁磁性颗粒时，第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值为某一基准电容值，不同大小的非铁磁性颗粒对应的第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容是不同的，不同大小的非铁磁性颗粒经过第四微通道92后，相应地，第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容发生变化，所述第二阻抗分析仪能够根据第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值变化生成相应的脉冲信号，第二阻抗分析仪产生的脉冲信号幅值与电容变化值是相对应的，这里的电容变化值指的是第四微通道92经过非铁磁性颗粒时的第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值，同第四微通道92未经过非铁磁性颗粒时的第三检测电极95、第四检测电极96之间的电容值的差值；通过对第二阻抗分析仪生成的脉冲信号进行统计，便可获知经过第四微通道92的非铁磁性颗粒的数量；电容变化值的大小还能够反应非铁磁性颗粒的粒径状态，可以根据第二阻抗分析仪生成的脉冲信号的幅值大小得出，脉冲信号的幅值越高，则说明非铁磁性颗粒的粒径越大，脉冲信号的幅值越低，则说明非铁磁性颗粒的粒径越小，即脉冲信号的幅值大小与非铁磁性颗粒的粒径大小之间存在线性的对应关系。

本实用新型第一检测电极93和第二检测电极94、以及第三检测电极95和第四检测电极96的具体电容检测原理类似于平行板电容器，我们知道平行板电容器的电容计算公式为：其中，ε为金属极板间介质的介电常数、S为金属极板的面积、d为两金属极板间的距离，由此可以看出，当金属极板间的介电常数ε发生改变时，对应的电容值C也会发生变化；同样地，当铁磁性颗粒经过第三微通道91或非铁磁性颗粒经过第四微通道92时，会排挤出相应颗粒体积的油液，导致第一检测电极93和第二检测电极94之间、或者第三检测电极95和第四检测电极96之间的介电常数发生变化，从而引起电容值的变化。

阻抗分析仪是目前测量电容一般采用的仪器，其能够根据测得的阻抗值得出相应的并联等效电容值，进而得出实际电容值。

本实用新型所述第一检测电极93、第二检测电极94、第三检测电极95和第四检测电极96可以采用铜电极；所述基板部件1采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料制成，即有机玻璃，材料透明度优良，具有良好的绝缘性和机械强度，比重不到普通玻璃的一半，抗碎裂能力却高出普通玻璃几倍；所述芯片主体2采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料制成，PDMS材料与PMMA材料之间具有良好的粘附性，具有良好的化学惰性；一般情况下采用数百微米厚的PDMS厚膜不但可以满足强度方面的要求，而且可以产生更大的形变量；另外PDMS材料具有良好的延伸性；通过第一分隔部件75具有的斜面77、第二分隔部件76具有的斜面77，有助于防止非铁磁性颗粒进入到第一微通道71内，未含有颗粒的油液通过微量注射泵从第一进液孔3进入第一微通道71，含有颗粒的油液通过微量注射泵从第二进液孔4进入第二微通道72；所述显示装置采用显示器；所述磁性部件10采用永磁铁，形状比较规则，易于与芯片主体2配合；本实用新型所述装置还包括置于第一进液孔3和第二进液孔4，与颗粒分离区域7之间的油液输送区域；所述油液输送区域包括连通第一进液孔3和第一微通道71始端的微通道、以及连通第二进液孔4和第二微通道72始端的微通道；当油液到达颗粒分离区域7时，油液中的铁磁性颗粒由于受到磁场的吸引作用，由第二微通道72经过第一微通道71与第二微通道72相连通的区域进入到第一微通道71，并沿第一微通道71输送至第三微通道91，进入颗粒分离区域7中的非铁磁性颗粒由于受到自身惯性和流体粘性力等作用，继续沿第二微通道72流动，加上第一分隔部件75和第二分隔部件76的斜面77设计，使得第一微通道71对第二微通道72有一个向下的冲击力，阻止了非铁磁性颗粒流入第一微通道71；因此分离开的铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒分别进入第三微通道91和第四微通道92。本实用新型使用时，将所述微流控芯片水平放置即可。

本实用新型基于电学监测技术中的电容检测原理，能够实现油液中铁磁性颗粒与非铁磁性颗粒的区分和在线连续计数，适用于油液在线检测分析，特别是航行船舶上的油液检测分析；本实用新型能够实现油液中金属颗粒的实时测量，可以分别获得铁磁性颗粒与非铁磁性颗粒的数量，适用于油液的在线检测，完成了对油液中颗粒的更加细致的检测和区分。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，其特征在于所述装置包括微流控芯片、第一阻抗分析仪和第二阻抗分析仪；所述微流控芯片包括基板部件和设置在基板部件上的芯片主体；所述芯片主体包括：

设置在基板部件上的第一进液孔、第二进液孔、第一出液孔和第二出液孔；

用于在磁场的作用下将油液中的铁磁性颗粒和非铁磁性颗粒进行分离的颗粒分离区域；所述颗粒分离区域包括分布在基板部件上的第一微通道和第二微通道；未含有颗粒的油液通过第一进液孔进入第一微通道；含有颗粒的油液通过第二进液孔进入第二微通道；所述第一微通道中部开设有第一开口，所述第二微通道中部开设有与所述第一开口相连通的第二开口；经过分离处理后得到的铁磁性颗粒经由第一微通道进入颗粒检测区域，经过分离处理后得到的非铁磁性颗粒经由第二微通道进入颗粒检测区域；

设置在基板部件上且位于所述第一微通道一侧的磁性部件安放区域；

放置在所述磁性部件安放区域上，用于提供磁场的磁性部件；

颗粒检测区域；所述颗粒检测区域包括第三微通道、第四微通道、设置在基板部件上且分别位于第三微通道两侧的第一检测电极和第二检测电极、以及设置在基板部件上且分别位于第四微通道两侧的第三检测电极和第四检测电极；所述第三微通道始端与第一微通道末端相连通，所述第三微通道末端与第一出液孔相连通；所述第四微通道始端与第二微通道相连通，所述第四微通道末端与第二出液孔相连通；

当所述第三微通道经过铁磁性颗粒时，所述第一检测电极、第二检测电极之间的电容值发生变化；所述第一阻抗分析仪与所述第一检测电极、第二检测电极相连接；

当所述第四微通道经过非铁磁性颗粒时，所述第三检测电极、第四检测电极之间的电容值发生变化；所述第二阻抗分析仪与所述第三检测电极、第四检测电极相连接。

2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，其特征在于所述第一阻抗分析仪获得第一检测电极、第二检测电极之间的电容值变化情况；根据第一检测电极、第二检测电极之间的电容值变化情况获知经过第三微通道的铁磁性颗粒的数量；所述第二阻抗分析仪获得第三检测电极、第四检测电极之间的电容值变化情况；根据第三检测电极、第四检测电极之间的电容值变化情况获知经过第四微通道的非铁磁性颗粒的数量。

3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，其特征在于所述颗粒分离区域还包括：

布置在第一微通道和第二微通道之间的第一分隔部件和第二分隔部件；所述第一分隔部件的一端部位于所述颗粒分离区域的始端，另一端部具有斜面；所述第二分隔部件的一端部位于所述颗粒分离区域的末端，另一端部具有斜面；所述第一分隔部件具有的斜面的倾斜方向与所述第二分隔部件具有的斜面的倾斜方向相互对称；通过第一分隔部件和第二分隔部件的设置，使得第一微通道的第一开口大于所述第二微通道的第二开口。

4.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，其特征在于所述装置还包括与第一阻抗分析仪、第二阻抗分析仪相连接的显示装置。

5.根据权利要求3所述的基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，其特征在于所述第一分隔部件具有的斜面的倾斜角度和所述第二分隔部件具有的斜面的倾斜角度均为45度。

6.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，其特征在于所述基板部件采用PMMA材料制成；所述芯片主体采用PDMS材料制成。

7.根据权利要求2所述的基于微流控芯片的颗粒在线检测装置，其特征在于根据第一检测电极、第二检测电极之间的电容值变化情况获知经过第三微通道的铁磁性颗粒的粒径状态；根据第三检测电极、第四检测电极之间的电容值变化情况获知经过第四微通道的非铁磁性颗粒的粒径状态。