一种基于微通道在直流电场下检测油液中金属磨粒的方法

摘要

本发明提供一种基于微通道在直流电场下检测油液中金属磨粒的方法，包括：将采样油液分别滴入聚焦通道的两个储液槽内，待采样油液浸润主通道和检测通道后，将相同体积的含有离子型表面活性剂和金属磨粒的待测样品油液滴入第一储液槽；接通信号放大电路、并调整直流电源的电压值；待测油液中金属磨粒经过检测区域，检测区域油液电阻发生变化，引起主通道内电流变化，从而检测通道两端产生电压脉冲信号，脉冲信号经过信号放大电路并传输至信号采集单元；处理器根据信号采集单元采集的信号确定待测样品里含有的金属颗粒个数和尺寸。本发明基于颗粒经过检测区时系统电阻的变化来检测颗粒，提高了油液中磨粒检测的精度。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及微流体技术领域，尤其涉及一种基于微通道在直流电场下检测油液中金属磨粒的方法。

背景技术

液压油和润滑油在各类机械设备中起着功率传递及润滑作用，各工作副在工作过程中摩擦产生大量颗粒，其中金属颗粒为主要污染物并导致设备工作表面过度磨损进而使部件功能降低甚至失效。统计数据显示，超过75％的液压系统故障、35％的柴油机运行故障、38.5％的齿轮失效以及40％的滚动轴承失效都是由润滑油失效引起的。因此，定期监测油液清洁度并检测油液中金属颗粒浓度及粒径大小显得尤为重要。

目前工程上对油液污染度的衡量方法主要有铁谱分析法、污染重量测定法、显微镜比较法、颗粒计数法等，这些方法中，除颗粒计数法以外，其他几种方法只能对油液污染度等级在一定程度上进行估计，且得到的结果很大程度上受人为因素影响。而颗粒计数法通过测量颗粒经过检测区域产生的脉冲信号幅值和数量来确定油液中颗粒的大小和浓度，能够真正实现油液中颗粒物的精确检测。

发明内容

本发明实施例提供一种基于微通道在直流电场下检测油液中金属磨粒的方法，以克服现有技术中对于油液中的金属磨粒检测精确度不够高的问题。

本发明基于微通道在直流电场下检测油液中金属磨粒的方法，包括：

将采样油液分别滴入聚焦通道的两个储液槽内，待所述采样油液浸润所述主通道和所述检测通道后，将相同体积的含有离子型表面活性剂和金属磨粒的待测样品油液滴入第一储液槽；

接通信号放大电路、并调整直流电源的电压值；

所述待测样品油液在直流电场电渗流以及电泳作用下输运至检测区域，当待测油液中金属磨粒经过所述检测区域油液电阻将发生变化，引起所述主通道内电流变化，从而所述检测通道两端产生电压脉冲信号，所述脉冲信号经过信号放大电路并传输至信号采集单元；

处理器根据所述信号采集单元采集的信号个数及幅值确定所述待测样品里含有的金属颗粒个数和尺寸。

进一步地，所述离子型活性剂浓度超过其在油液中的临界胶束浓度。

进一步地，所述处理器根据所述信号采集单元采集的信号个数及幅值确定所述待测样品里含有的金属颗粒个数和尺寸，包括：

所述处理器根据采集信号的幅值确定所述金属颗粒的粒径、根据所述采集信号的个数确定所述金属颗粒的个数。

进一步地，所述接通信号放大电路并调整直流电源的电压值之前，还包括：

在所述聚焦通道内滴入不含离子型表面活性剂的样品油液。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1)极大地提高了油液中金属磨粒尺寸的检测范围，根据检测区域尺寸，可检测粒径5μm及以上金属磨粒；

2)将浓度超过CMC的离子型表面活性剂添加在待测油液中，提高待测油液的电导率，使金属磨粒在直流电场下的输运成为可能；

3)样品油液在直流电场作用电渗流及电泳作用下输运，可精确控制油液的流动，并省去了外置输送泵；

4)将离子型表面活性剂添加在待测油液中可有效地消除油液中含有的少量水分，排除由于水滴所引起的检测干扰。

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作一简单地介绍，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为本发明基于微通道在直流电场下检测油液中金属磨粒的方法流程图；

图2为本发明基于微通道在直流电场下检测油液中金属磨粒装置结构示意图；

图3为本发明装置的实体结构示意图；

图4为本发明装置的等效示意电路图；

图5为本发明装置中信号放大电路的电路原理图。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

图1为本发明基于微通道在直流电场下检测油液中金属磨粒方法流程图，如图1所示，本实施例的方法，包括：

步骤101、将采样油液分别滴入聚焦通道的两个储液槽内，待所述采样油液浸润所述主通道和所述检测通道后，将相同体积的含有离子型表面活性剂和金属磨粒的待测样品油液滴入第一储液槽；

步骤102、接通信号放大电路、并调整直流电源的电压值；

步骤103、所述待测样品油液在直流电场电渗流以及电泳作用下输运至检测区域，当待测油液中金属磨粒经过所述检测区域油液电阻将发生变化，引起所述主通道内电流变化，从而所述检测通道两端产生电压脉冲信号，所述脉冲信号经过信号放大电路并传输至信号采集单元；

步骤104、处理器根据所述信号采集单元采集的信号个数及幅值确定所述待测样品里含有的金属颗粒个数和尺寸。

具体来说，当所述金属磨粒通过微流体芯片的检测区域时，所述检测区域的电阻会发生变化，其减小的电阻值可用如下公式表示：

$>\Delta R=\frac{4{\mathrm{\rho d}}^3}{{\mathrm{\pi D}}^4}[1+\frac{2d^3}{3D^{2}L}+{\left(\frac{2d^3}{3D^{2}L}\right)}^2+\mathrm{...}]---\left(1\right)$>

其中，ρ是油液的电阻率，d是金属磨粒的粒径，D和L分别是检测区域通道的截面直径和长度。

当所述检测区域中没有金属磨粒经过时，主通道的电流I为：

$>I=\frac{V_{+}-V_{-}}{R_1+R_2+R_3}---\left(2\right)$>

当所述检测区域有金属磨粒通过时，主通道电流I'为：

$>I^{\prime }=\frac{V_{+}-V_{-}}{R_1+R_2+R_3-\Delta R}---\left(3\right)$>

结合公式(1)、(2)、(3)推导可得，当所述检测通道有金属磨粒通过时，所述检测通道两端电压变化经放大电路后的ΔV_output为：

$>{\mathrm{\Delta V}}_{output}=-\frac{\Delta R(R_1+R_3)(V_{+}-V_{-})}{{(R_1+R_2+R_3)}^2-\Delta R(R_1+R_2+R_3)}---\left(4\right)$>

由于所述通道内的等效电阻值可表示为：

$>R_1=\rho \frac{4L_1}{{{\mathrm{\pi D}}_1}^2}---\left(5\right)$>

$>R_2=\rho \frac{4L_2}{{{\mathrm{\pi D}}_2}^2}---\left(6\right)$>

$>R_3=\rho \frac{4L_3}{{{\mathrm{\pi D}}_3}^2}---\left(7\right)$>

结合公式(4)、(5)、(6)、(7)，所述ΔV_output经推导可表示为：

$>{\mathrm{\Delta V}}_{output}=\frac{(\frac{L_1}{{D_1}^2}+\frac{L_3}{D_3^2})\frac{d^3}{D_2^4}}{{(\frac{L_1}{{D_1}^2}+\frac{L_1}{D_2^2}+\frac{L_3}{D_3^2})}^2-(\frac{L_1}{{D_1}^2}+\frac{L_1}{D_2^2}+\frac{L_3}{D_3^2})\frac{d^3}{D_2^1}}(V_{-}-V_{+})---\left(8\right)$>

进一步地，所述离子型表面活性剂浓度超过其在油液中的临界胶束浓度。其中，所述离子型活性剂包括阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂。

进一步地，所述接通信号放大电路并调整直流电源的电压值之前，还包括：

在所述聚焦通道内滴入不含离子型表面活性剂的样品油液。

具体来说，在所述聚焦通道内滴入不含离子型表面活性剂的样品油液，其作用是消除不均匀电场对金属磨粒运动的影响，使金属磨粒尽量沿通道中心运动。

进一步地，所述处理器根据所述信号采集单元采集的信号个数及幅值确定所述待测样品里含有的金属颗粒个数和尺寸，包括：

所述处理器根据采集信号的幅值确定所述金属颗粒的粒径、根据所述采集信号的个数确定所述金属颗粒的个数。

具体来说，所述金属磨粒粒径的判定：不同尺寸金属磨粒经过检测区域时引起的区域内电阻变化不同，导致检测通道两端检测电压脉冲信号幅值不同，因此根据电压脉冲幅值的大小来判断通过检测区域的金属磨粒粒径。

作为参考校准用直径为d₁的标准金属颗粒，当利用该标准金属颗粒进行实验时，检测通道两端检测到的电压脉冲信号幅值为ΔV₁，用含有检测金属磨粒粒径为d_x的油液进行实验时，检测通道两端检测到的电压脉冲信号幅值为ΔV_x，根据公式推导出样品油液中的金属磨粒粒径为

图2为本发明基于微通道在直流电场下检测油液中金属磨粒装置结构示意图，如图2所示装置可以包括：

主通道101、检测区域102、检测通道103、第一储液槽104、第二储液槽105、第三储液槽106、第四储液槽107、第一铂电极108、第二铂电极109、第三铂电极110、第四铂电极111、金属颗粒112，所述检测通道包括上游检测通道和下游检测通道；

所述主通道用于输运待测油液，所述主通道的中间位置设置所述检测区域102，所述检测区域的两端引出所述上游检测通道和下游检测通道，所述主通道两端分别设置有第一储液槽104和第二储液槽105，该第一储液槽储存所述含有金属颗粒样品的待测油液，该第二储液槽用于存储检测后的废液，所述上游检测通道连接有第三储液槽106，所述下游检测通道连接有第四储液槽107，所述第一铂电极108插入所述第一储液槽104内、所述第二铂电极109插入第二储液槽105内、所述第三铂电极110插入所述第三储液槽106内、所述第四铂电极111插入所述第四储液槽107内，所述第一、第二铂电极分别与直流电源的正负极连接，所述第三、第四铂电极分别与放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与信号采集单元连接。聚焦通道113，用于消除不均匀电场效应，所述聚焦通道113设置于所述检测区域102与第一储液槽104之间，所述主通道101两侧。第五储液槽114、第六储液槽115，所述第五储液槽、第六储液槽分别设置于所述聚焦通道113的两端，用于所述聚焦通道的进样槽。

具体来说，在主通道进样前，先在聚焦通道进样槽滴入不含离子型表面活性剂AOT的纯油液，使其沿着主通道两侧内壁流动，然后在主通道内进行进样，主通道内含有待检测金属磨粒的油液将沿着主通道中心流动，消除微通道内部不均匀电场引起的粘附作用。

如图3所示，1为显微镜用载玻片，2为聚二甲基硅氧烷微流体芯片，3为芯片内通道。本实施例的微通道聚二甲基硅氧烷微流体芯片应用软光刻技术在PDMS微流体芯片上凹刻通道，利用打孔器在通道端部打孔，并将刻有通道的一侧朝上放置，与显微镜载玻片一起放入等离子清洗机中清洗，然后将两者被清洗的一面贴合后封接成一体结构，所述PDMS微流体芯片即与显微镜载玻片组成两者之间形成用于检测含有金属颗粒样品的微通道。

其中，所述信号放大电路为二级差分放大电路。

其中，所述信号采集单元为数据采集仪，所述数据采集仪采用LABVIEW软件。

具体来说，如图4所示，为本实施例装置的差分检测电路的等效电路图，所述主通道长度和截面线宽分别为L1、L3和D1、D3，本实施例中所述主通道1和3的长度及截面线宽尺寸设计相同；从而等效电阻长度为L1、L3，等效电阻截面直径为D1、D3，所述检测区域检测通道长度和截面直径分别为L2和D2，相应的等效电阻长度为L2，等效电阻截面直径为D2。V+、V-为主通道两端直流电源产生的电势，V1、V2为检测区域检测到的电势变化值，R1、R3分别为上游、下游主通道的等效电阻值，R2为所述检测区域通道的等效电阻，ΔR为所述检测金属颗粒经过检测区域时引起的检测区域电阻变化。第三铂电极、第四铂电极分别与放大器的输入端连接，构成完整的信号放大电路，所述放大器的输出端与信号采集单元连接。

图5所示为本发明的二级差分放大器原理示意图，如图5所示，本实施例中的放大器为二级差分放大器基于AD620的信号二级差分放大电路由一级和二级放大器组成，来自检测电极的电压信号首先分别送入第一级两个差分信号放大器的输入端，信号经一级放大器处理后，信号得到A1倍放大，而系统的噪音得到消减，从一级放大器输出的信号接着送入第二级放大器中，对信号进行继续放大，由于两个一级放大器的输入端信号极性相反，其输出信号的极性也相反。因此，信号经增益为A2的二级放大器处理后，最终系统总的放大倍数为A＝2A1A2。本实施例的信号采集单元为数据采集仪以合适的采集频率进行数据采集，数据采集仪配合所述LABVIEW软件使用，最终数据显示和存储在计算机上。本实施例差分处理对外部电磁干扰具有极高的免疫性，差分信号有利于识别微弱信号，并且差分信号不需要虚地，从而增加了双极型信号的保真度和稳定性。

本发明采用所述微流体芯片作为检测载体，能够在几平方厘米的芯片上进行实验，其微通道尺寸在微米级别，所使用所述检测样品油液的量级在微升范围内，极大地减少了样品油液的消耗，更有利于便携式油液中金属磨粒检测设备的发展。所采用的AD620差分放大器是一款单芯仪表级放大器，其增益可控、低功耗、低输入失调电压、低输入失调漂流、低输入偏置电流，具有极佳的共模抑制比以及低输入电压噪声和峰值噪音、出色的交流特性等，可为本研究消除外部噪声干扰、偏置电流等提供更为精准的信号放大处理办法。本发明不仅能精确检测出所述油液中金属磨粒的个数，并且能根据信号幅值大小推断出该金属磨粒粒径大小，为机械设备，尤其是液压系统的磨粒磨损提供了一种有效的鉴别方法。

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。