一种基于微流控技术的润滑油中颗粒分离的装置及方法与流程

本发明涉及从润滑油中分离不同类型的金属颗粒的技术，尤其涉及一种基于微流控芯片技术的润滑油中颗粒分离的装置及方法。

背景技术：

润滑液体作为工业“血液”被广泛应用到动力机械设备中，实际上润滑液体中包含大量污染物，其中以固体污染物的危害最为严重。固体污染物中的金属颗粒硬度较高，容易造成机械设备运动部件的磨损，引发机械故障。此外通过对润滑油金属与非金属颗粒的材料、数量和尺寸等特性的研究，可有效地评价机械设备的工作状态，同时也可以预测该机械设备的故障状态。为了保证机械设备的安全运行，降低维修成本，针对运行状态进行实时检测成为机械设备状态检测必不可少的环节，对润滑油进行检测是其中非常重要的一部分。

根据传感器的工作原理不同，润滑油液检测可分为以下几类：动力学法，介电电泳法，磁分选法、声学法等。这几种方法都有各自的优缺点：

1)动力学法：对于动力学分离方法来说，固定障碍物的几何形状将决定系统的分离效率。而对于那些需要改变分离参数的情况，这将会极大地限制这种方法的使用。

2)介电电泳法：对于介电电泳分离方法来说，系统需要构造非常复杂的芯片，而且很难收集分离的颗粒。

3)磁选分法：对于磁分选分离方法来说，颗粒必须是铁磁性颗粒，这对分离的颗粒范围会造成很大的限制。

4)声学法：对于声学的分离方法来说，考虑到声力与粒子半径的立方成正比，这种方法一般不适合小颗粒。

上述方法均存在着供能需求大、试剂用量多、分离时间长、分离费用高等不足之处，具有较强的局限性，不能完全满足目前所需要的低成本、快速、简便的检测要求。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种低成本、结构简单、可快速地进行在线分离，领域内推广性强的、基于微流控芯片技术的润滑油中不同种类颗粒分离的装置及方法。本发明主要利用微流控芯片技术、离心力原理对油液中不同种类的金属颗粒进行分离，并用LIBS(激光诱导击穿光谱学)技术进行检测，确认金属的成分，从而为液体的分析提供参考，实现液体在线检测。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于微流控技术的润滑油中颗粒分离的装置，其特征在于，包括：

微流控芯片，所述微流控芯片包括基板和设置在所述基板上的微流控芯片主体；所述微流控芯片主体上设有一条用于待检测油液流动的主通道，一条与所述主通道相连通的用于聚焦颗粒油液流动的聚焦通道，一条与所述主通道和所述聚焦通道尾端相连通的用于混合待测油液和聚焦颗粒油液的混合通道，以及设置在所述混合通道尾端的多条分离通道；

微量注射泵，共有两台，一台与所述主通道的主通道进液孔相连，用于以预设速度注射带有金属颗粒的待测油液；另一台与所述聚焦通道的聚焦通道进液孔相连，用以预设速度注射不带颗粒的纯油液；

LIBS检测系统，与各条分离通道的尾端相连，用以确定每个分离通道的金属类型，以此来判断是否达到分离效果。

上述的两台微量注射泵，其中一台与主通道的主通道进液孔相连，通过调节微量注射泵的程序，使之以预设的速度向主通道注射待测油液。另一台与聚焦通道的聚焦通道进液孔相连，调节微量注射泵的程序，使之以预设的速度流向聚焦通道，聚焦通道的油液的作用就是使待测液中的颗粒能够贴着通道壁面运行，使不同种类的颗粒都能在同一位置进入弯道，根据离心分离的原理，由于不同种类的金属颗粒密度是不相同的，进而不同种类的颗粒的质量是不相同的，为了确保分离的准确性，本分离方式只针对颗粒尺寸相近的颗粒，根据离心力公式：

在颗粒尺寸近似的前提下，在初速度相同的情况下，不同种类的金属颗粒所受到离心力是不一样，因此不同种类的颗粒在进入弯道后会形成不同的轨迹，从而能进入不同的分离通道。LIBS检测系统与分离通道尾端相连，主要是用于检测分离结束后各个通道的金属种类，起到一个验证的作用，检验不同种类的颗粒是否进入了不同的分离通道(LIBS，激光诱导击穿光谱学技术，该技术通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，利用光谱仪对等离子体发射光谱进行分析，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析)。

进一步地，所述主通道包括设置于所述主通道端部的用于润滑油样品投样的主通道进液孔，所述主通道为纵截面是长方形的通道。

进一步地，所述聚焦通道包括设置于所述聚焦通道端部的用于注射纯油液的聚焦通道进液孔，所述聚焦通道为纵截面是长方形的通道，所述聚焦通道与所述主通道成30°-90°的夹角，夹角优选为30°-60°，所述聚集通道的流道宽度宽于所述主通道的流道宽度，确保能将待测油液的金属颗粒压向壁面，使其贴着壁面运动。

一般情况下，所述聚焦通道与所述主通道的夹角在30°-90°，可根据所需要达到的效果进行选择，角度越大，越容易聚焦颗粒，使颗粒可以贴着壁面运动。

进一步地，所述混合通道的首端和尾端分别与所述主通道、所述聚焦通道和所述分离通道相连，所述混合通道为具有平缓过渡的弯型通道。

进一步地，所述分离通道包括设置于所述分离通道尾端的用于收集分离后的金属颗粒的分离孔，所述分离通道设有N条，每条分离通道对应一种金属颗粒，所述分离通道为纵截面是长方形的通道。

本发明还公开了一种上述的基于微流控技术的润滑油中颗粒分离装置的分离方法，其特征在于包括如下步骤，

S1、调试好两台微量注射泵的注射程序，使其保持以恒定的速度分别向所述主通道进液孔和所述聚焦通道进液孔中注入待测油液和纯油液；

S2、随着待测油液和纯油液的注入，待测油液通过所述主通道和纯油液通过所述聚焦通道在所述混合通道中混合，纯油液使得待测油液中的颗粒能贴着所述混合通道的壁面运动；

S3、通过控制流速，当金属颗粒进入所述混合通道的弯型通道时，不同类型金属颗粒受到离心力的作用会产生不同运动轨迹，最终流向不同的分离通道，汇聚在分离孔中，通过LIBS系统进行检测，确认金属成分，检验不同的金属颗粒是否留在不同的分离通道当中，确保分离的准确性。

与现有的技术相比，本具有以下优点：

1、由于采用微流控芯片作为分离油液中不同金属颗粒分离的平台，相关的检测设备体积小，相对于大型贵重的检测设备，具有结构简单、操作容易以及便携化等特点。

2、本发明所采用的技术和原理简单，克服了设备复杂，效率低等缺点，同时微流体通道设计简便，具有很强的实际操作性。

3、本发明所采用的技术无需对样品进行标记，操作简单。

基于上述理由，本发明可实现低成本、简单、快速地进行在线分离，可在润滑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为本发明基于微流控技术的润滑油中颗粒分离装置的结构示意图。

图2为本发明微流控检测芯片的结构示意图。

图3为利用本发明的装置及方法进行颗粒分离所需达到的效果图。

图4为本发明基于ansys软件模拟的分离结果图。

图中：1、主通道进液孔；2、聚焦通道进液孔；3、第一分离孔；4、第二分离孔；5、主通道；6、聚焦通道；7、混合通道；8、第一分离通道；9、第二分离通道；10、1号微量注射泵；11、2号微量注射泵；12、LIBS检测系统；13、微流控芯片主体；14、基板。

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。

如图1、图2所示，一种基于微流控技术的润滑油中颗粒分离的装置，包括：

微流控芯片，所述微流控芯片包括基板14和设置在所述基板14上的微流控芯片主体13；所述微流控芯片主体13上设有一条用于待检测油液流动的主通道5，所述主通道5包括设置于所述主通道5端部的用于润滑油样品投样的主通道进液孔1，所述主通道5为纵截面是长方形的通道。

所述微流控芯片主体13上设有一条与所述主通道5相连通的用于聚焦颗粒油液流动的聚焦通道6，所述聚焦通道6包括设置于所述聚焦通道6端部的用于注射纯油液的聚焦通道进液孔2，所述聚焦通道6为纵截面是长方形的通道，所述聚焦通道6与所述主通道5成45度的夹角，所述聚集通道6的流道宽度宽于所述主通道5的流道宽度。

所述微流控芯片主体13上设有一条与所述主通道5和所述聚焦通道6尾端相连通的用于混合待测油液和聚焦颗粒油液的混合通道7，所述混合通道7的首端和尾端分别与所述主通道5、所述聚焦通道6和所述分离通道相连，所述混合通道7为具有平缓过渡的弯型通道。

所述混合通道7尾端的多条分离通道，所述分离通道包括设置于所述分离通道尾端的用于收集分离后的金属颗粒的分离孔，图2中所示为两条分离通道分别是第一分离通道8和第二分离通道9，对应的第一分离通道8的尾端为第一分离孔3，第二分离通道9的尾端为第二分离孔4；每条分离通道对应一种金属颗粒，所述分离通道为纵截面是长方形的通道。

微量注射泵，共有两台，本实施例中为1号微量注射泵10和2号微量注射泵11；1号微量注射泵10与所述主通道5的主通道进液孔1相连，用于以预设速度注射带有金属颗粒的待测油液；2号微量注射泵11与所述聚焦通道6的聚焦通道进液孔2相连，用以预设速度注射不带颗粒的纯油液。

LIBS检测系统12，与各条分离通道的尾端相连，用以确定每个分离通道的金属类型，以此来判断是否达到分离效果。

本发明还公开了上述的基于微流控技术的润滑油中颗粒分离装置的分离方法，包括如下步骤，

S1、调试好两台微量注射泵的注射程序，使其保持以恒定的速度分别向所述主通道进液孔1和所述聚焦通道进液孔2中注入待测油液和纯油液；

S2、随着待测油液和纯油液的注入，待测油液通过所述主通道5和纯油液通过所述聚焦通道6在所述混合通道7中混合，纯油液使得待测油液中的颗粒能贴着所述混合通道7的壁面运动；

S3、通过控制流速，当金属颗粒进入所述混合通道7的弯型通道时，不同类型金属颗粒受到离心力的作用会产生不同运动轨迹，最终流向不同的分离通道，汇聚在分离孔中，通过LIBS系统进行检测，确认金属成分，检验不同的金属颗粒是否留在不同的分离通道当中，确保分离的准确性。

实施例1

基于微流控技术的润滑油中颗粒分离的装置具有上述结构，其中微流控芯片主体13由PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料制成，基板14由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成，即有机玻璃。PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料与PMMA材料之间具有良好的粘附性，且具有良好的化学惰性。

所述微流控芯片主体13上主通道5是用于待检测油液流动的通道；聚焦通道6是利用纯油液聚焦待测油液的颗粒流动的通道，主要是，使其紧贴壁面运动；混合通道7，使不同种类金属颗粒的产生不同的运动轨迹；第一分离通道8和第二分离通道9，用来分离油液中不同金属颗粒。

结合图1-图4说明本实施例所述的基于微流控技术的润滑油中不同种类金属颗粒分离装置的工作原理：

首先，调好1号微量注射泵10的程序，使其保持恒定的速度往主通道进液孔1中注入待测油液，同时调好2号微量注射泵11的程序，使其保持一个恒定的速度向聚焦通道进液孔2中注入纯油液，纯油液作为聚焦油液作用是能使待测油液的中的颗粒能在混合通道7中贴着壁面运动。1号微量注射泵10和2号微量注射泵11的速度要控制得当，需要达到两个目的：如图3和4所示，首先颗粒在混合通道中要贴着壁面运动，其次颗粒在进入分离弯道时能保持合适的速度，使不同种类的金属颗粒产生位移相差较大的运动轨迹。流速的把控可根据ansys模拟软件的模拟结果显示，先确定一个大概的值，再根据这个结果值手动调节微量注射泵的速度设定，如，在铜铝混合颗粒的动力粘度为0.03979kg/m.s的润滑油溶液中，预设的速度在0.3-1m/s的时候，能实现较好地分离。

当金属颗粒进入混合通道7的弯型通道时，由于不同种类金属颗粒所受到的离心力是有差别的，所以在进入弯型通道后会产生不同的运动轨迹，最终流向不同的分离通道。最终不同的颗粒会汇聚在不同的分离孔中，分离孔中的金属可以被LIBS检测系统12进行检测，确认金属成分，检验不同的金属颗粒是否留在不同的分离通道当中，确保分离的准确性。

本发明是基于微流控技术、离心分离原理上提出来的，所用到的技术和原理比较简单，且该检测装置的设备比较简单，便于携带，且检测的成本低，适用于在线检测，为不同金属颗粒区分提供了一种新的检测方法。

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。