CN111024551B - 一种微量液体流变粘度特性测试与质量测量的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微量液体流变粘度特性测试与质量测量的装置和方法，包括功率可调信号发生器、声表面波驱动传感模块、信号检测模块、开关选择阵列模块和开关阵列。声表面波驱动传感模块包括温控部件，紧贴在温控部件上表面的压电基底，沉积在压电基底上表面的叉指换能器和金属反射栅，及键合在金属反射栅表面的微通道。功率可调信号发生器加载信号至叉指换能器产生声表面波，将声表面波作用于微通道中的液滴，测量液滴流动速度、距离和反射栅输出信号的幅度来反应微量液体流变粘度特性；测量功率可调信号发生器信号和反射栅输输出信号相位差来反应微量液滴的质量。本发明的有益效果是只要微量液滴即可完成液体流变粘度特性、质量等多参数的测试。
Description
技术领域
本发明涉及仪器仪表、信号检测、传感器领域，具体为一种微量液体流变粘度特性测试与质量测量的装置和方法。
背景技术
很多液体，如甘油、牛奶、胶原蛋白纺丝溶液等都具有流变粘度特性。血液、体液、细胞变形规律、***受精、细胞***等都存在着流变现象。和甘油、牛奶等液体相比，血液在凝血过程中的流变粘度特性会随着时间的推移而发生变化。流变粘度特性的不同，往往作为一种指标依据进行相关内容的判断。例如，血液粘稠会影响营养物质和氧气的运送，进而引起脂肪和胆固醇的吸附，促进动脉血管硬化；血液凝血过程异常可导致出血障碍或血栓性疾病的风险，如中风、心脏病、肺栓塞、深静脉血栓形成等；通过对牛奶流变特性的测定，可以鉴别成品的优劣，并且为工艺及设备的设计提供有关数据等。因此对液体的流变粘度特性进行评估有重要的意义。
测试液体流变粘度等特性的常用商用方法有旋转流变仪、毛细管法、振动法、落球法等。旋转法只能测试静态液体，不能测定流动液体的粘度。这些方法除毛细管法以外，均需要消耗较多的试剂，并且测试精度越高，设备越昂贵复杂。Asaf等人设计了一种基于毛细管效应的粘度测试仪器(Capillary viscometer for fully automated measurement ofthe concentration and shear dependence of the viscosity of macromolecularsolutions[J].Analytical Chemistry，2012,84(24):10732-6)。而这种方法一般需要辅助一些外加的设备进行辅助测试分析。毛细管法虽然测量精度高，但为了得到不同剪切速率下的粘度值，需要使用不同长径比的毛细管，并且量化过程较为复杂。流变粘度等特性的测试结果还与温度紧密相关，上述方法在温度控制上也难以实现精确的控制。针对商用检测方法的不足，各种技术的方法也相继提出。
顾豪爽等(用于粘度测试的微流控芯片及制作方法[P]，申请号：CN201610325200.3)提出了用于粘度测试的微流控芯片，但加工方法过于复杂。刘本东等(一种基于PDMS正压驱动的粘度测试微流控芯片及制作方法[P]，申请号：CN201710870419.6)提出了正压驱动的粘度测试微流控芯片，但只能通过流过的长度判断粘度情况，不能实时反映流动液体的流变特性变化情况。基于声表面波的液体粘度特性也相继被提出{(翟奎修，王晓丹，王磊等.基于声表面波传感器的液体运动粘度测量方法[J].压电与声光，2011，33(5)：691-694)、(吴鹏.基于声表面波传感技术的血凝检测***研究[J].天津：河北工业大学，2008)、(喻洪麟，吴永烽，王远干.SAW传感器在智能血凝仪中的应用[J].传感技术学报，2006，19(4)：970-972,975)}。这类方法采用水平剪切波进行粘度测量，产生的声表面波振动方向和压电基底平行，即机械声波只能与液体下表面接触，而不能穿透液体。因此不能和液体有效接触，并不能有效反应液体粘度等特性。陈星等(基于微小血液样品的血液粘弹力测定装置及方法[P]，申请号：CN201610273669.7)采用瑞利波表声面波实现血液粘弹力测试。与水平剪切波相比，虽然产生的声机械波和压电基底垂直，但通过振荡频率反应血液变化，无法通过推动液体实时检测量，并不能全面反应各参数的特性，尤其是流变动态特性，因此只能实现静态的测试，对动态测试无能为力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有测量方法的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种用声表面波驱动的微量液体流变粘度特性测试与质量测量的装置和方法，可同时实现多参数的测量。本发明的技术方案如下：
测试装置包括功率可调信号发生器、声表面波驱动传感模块、信号检测模块、开关选择阵列模块和开关阵列。
所述声表面波驱动传感模块包括温控部件，紧贴在温控部件上表面的压电基底，沉积在压电基底上表面的叉指换能器和金属反射栅R11、R12、……、R1N，R21、R22、……、R2N，N为大于3的自然数，以及键合在金属反射栅表面的微通道。
所述压电基底为128°Y-X铌酸锂。所述叉指换能器和金属反射栅R11、R12、……、R1N，R21、R22、……、R2N所使用的金属材料为Al或Au。所述微通道由PDMS材料制成。微通道由微通道入口、出口和微通道壁构成。所述开关阵列由开关K11、K12、……、K1N，K21、K22、……、K2N构成。
所述金属反射栅R11、R12、……、R1N，R21、R22、……、R2N分别和开关K11、K12、……、K1N，K21、K22、……、K2N连接。所述开关K11、K12、……、K1N、K21、K22、……、K2N的另一端与信号检测模块连接。所述开关K11、K12、……、K1N，K21、K22、……、K2N由开关选择阵列模块选择控制导通。
进一步地，所述信号检测模块包括微处理器、液体流动的速度检测单元、相位检测单元和幅度检测单元。相位检测单元实现功率可调信号发生器输出信号和金属反射栅R1N、R2N输出信号的相位差测量。幅度检测单元实现金属反射栅R1N、R2N输出信号的幅度检测；
所述叉指换能器和功率可调信号发生器连接。所述功率可调信号发生器和信号检测模块连接。
所述声表面波驱动的微量液体流变粘度特性测试与质量测量的方法包括如下步骤：
步骤1、预热温控部件到设定温度，从微通道入口加载待测液体；
步骤2、通过开关选择阵列模块控制开关K11和K21闭合，使金属反射栅R11和R21与信号检测模块连接。开关选择阵列模块控制开关K1N和K2N常闭；
步骤3、调整信号发生器输出功率，向叉指换能器加载功率信号；
步骤4、金属反射栅R11和R21等待液体到来，当液体同时与金属反射栅R11和R21接触时，测量幅度和相位，并记录时间T1；
步骤5、断开开关K11和K21，闭合开关K12和K22，等待液体同时与金属反射栅R12和R22接触，并在接触时测量幅度和相位，并记录时间T2；
步骤6、重复测试，直到液体停止流动。即断开开关K1(n-2)和K2(n-2)，闭合开关K1(n-1)和K2(n-1),n为大于2的自然数，且n<N。等待液体同时与金属反射栅R1(n-1)和R2(n-1)接触，测得此时的幅度和相位，并记录时间T(n-1)。液体停止流动时，记流过的金属反射栅数量为m，并停止测试；
步骤7、计算速度Vn和流动距离dn，建立微量液体流变粘度特性和流动速度、流动距离、幅度的关系，微量液体质量和相位的关系。
所述液体流动速度
式中d为反射栅R1(n-1)和R2(n-1)的中心间距。液体流动距离dn＝d*(m-1)。
本发明的有益效果是：只需要微量的液滴即可完成液体流变粘度特性、质量等多参数的测试。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为测试装置原理框图。
附图2为声表面波驱动传感模块结构侧面图。
附图3为信号采集处理框图。
附图4为未钙化的血液和钙化血液在凝结过程中速度与时间关系图。
附图5为不同浓度甘油速度和时间关系图。
附图6为不同浓度甘油流动距离对比图。
附图7为不同浓度甘油的相位对比图。
附图8为不同浓度甘油的幅度对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
一种用声表面波驱动的微量液体流变粘度特性测试与质量测量的装置和方法，包括以下技术方案：
如图1、图2所示，测试装置包括功率可调信号发生器1、声表面波驱动传感模块2、信号检测模块5、开关选择阵列模块4和开关阵列3。
所述声表面波驱动传感模块2包括温控部件24，紧贴在温控部件24上表面的压电基底23，沉积在压电基底23上表面的叉指换能器21和金属反射栅R11、R12、……、R1N，R21、R22、……、R2N，N为大于3的自然数，以及键合在金属反射栅表面的微通道22。
所述压电基底23为128°Y-X铌酸锂。所述叉指换能器21和金属反射栅R11、R12、……、R1N，R21、R22、……、R2N所使用的金属材料为Al或Au。所述微通道22由PDMS材料制成。微通道22由微通道入口221、出口222和微通道壁223构成。所述开关阵列3由开关K11、K12、……、K1N，K21、K22、……、K2N构成。
所述金属反射栅R11、R12、……、R1N，R21、R22、……、R2N分别和开关K11、K12、……、K1N，K21、K22、……、K2N连接。所述开关K11、K12、……、K1N、K21、K22、……、K2N的另一端与信号检测模块5连接。所述开关K11、K12、……、K1N，K21、K22、……、K2N由开关选择阵列模块4选择控制导通。
进一步地，如图3所示，所述信号检测模块5包括微处理器501、液体流动的速度检测单元502、相位检测单元503和幅度检测单元504。相位检测单元503实现功率可调信号发生器1输出信号和金属反射栅R1N、R2N输出信号的相位差测量。幅度检测单元504实现金属反射栅R1N、R2N输出信号的幅度检测；
所述叉指换能器21和功率可调信号发生器1连接。所述功率可调信号发生器1和信号检测模块5连接。
所述声表面波驱动的微量液体流变粘度特性测试与质量测量的方法包括如下步骤：
步骤1、预热温控部件24到设定温度，从微通道入口221加载待测液体；
步骤2、通过开关选择阵列模块4控制开关K11和K21闭合，使金属反射栅R11和R21与信号检测模块5连接。开关选择阵列模块4控制开关K1N和K2N常闭；
步骤3、调整信号发生器1输出功率，向叉指换能器21加载功率信号；
步骤4、金属反射栅R11和R21等待液体到来，当液体同时与金属反射栅R11和R21接触时，测量幅度和相位，并记录时间T1；
步骤5、断开开关K11和K21，闭合开关K12和K22，等待液体同时与金属反射栅R12和R22接触，并在接触时测量幅度和相位，并记录时间T2；
步骤6、重复测试，直到液体停止流动。即断开开关K1(n-2)和K2(n-2)，闭合开关K1(n-1)和K2(n-1),n为大于2的自然数，且n<N。等待液体同时与金属反射栅R1(n-1)和R2(n-1)接触，测得此时的幅度和相位，并记录时间T(n-1)。液体停止流动时，记流过的金属反射栅数量为m，并停止测试；
步骤7、计算速度Vn和流动距离dn，建立微量液体流变粘度特性和流动速度、流动距离、幅度的关系，微量液体质量和相位的关系。
所述液体流动速度
式中d为反射栅R1(n-1)和R2(n-1)的中心间距。液体流动距离dn＝d*(m-1)。
实施例1：
1、温控部件24预热到37℃，从微通道入口221加载2微升未钙化的血液；
2、调节设定信号发生器1输出功率为28dBm；
3、记录血液流动速度；
4、用钙化的血液重复1-3步骤。即温控部件24预热到37℃，从微通道入口221加载2微升钙化的血液，并将信号发生器1输出功率设定为28dBm，测试记录血液流动速度。
血液在声表面波驱动下，沿着微通道22向前流动。如图4所示，未钙化的血液流动速度不断减小，由于没有凝结，速度变化几乎是线性的。而钙化的血液在30前速度变化也几乎是线性的，但此后由于血液的凝结作用，导致速度减小的速度加快。此曲线动态地反应了血液凝血过程。
实施例2：
从所周知，甘油浓度和粘度、质量成正比，此实施例采用浓度分别为10％、20％、30％的甘油液滴进行测试。
1、温控部件24预热到30℃，从微通道入口221加载2微升，浓度为10％的甘油液滴；
2、调节设定信号发生器1输出功率5dBm；
3、记录信号相位和幅度；
4、调节设定信号发生器1输出功率28dBm；
5、记录甘油液滴流动速度、距离；
6、从微通道入口221分别加载2微升，浓度各为20％、30％的甘油液滴，重复2-5步骤实验。
图5、图6曲线反应了此过程甘油液滴的动态粘度。随着甘油浓度的增加，流动速度减小的变化率变大，流过的距离减小。
图7、8曲线分别反应了不同浓度甘油液滴的质量变化和静态粘度。随着浓度甘油增大，即质量不断增大，相位逐渐增大；随着浓度甘油增大，即静态粘度不断增大，幅度逐渐减小。
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种微量液体流变粘度特性测试与质量测量装置，其特征在于：包括功率可调信号发生器、声表面波驱动传感模块、信号检测模块、开关选择阵列模块和开关阵列；所述声表面波驱动传感模块包括温控部件，紧贴在温控部件上表面的压电基底，沉积在压电基底上表面的叉指换能器和金属反射栅R11、R12、……、R1N，R21、R22、……、R2N，N为大于3的自然数，以及键合在金属反射栅表面的微通道；微通道由微通道入口、出口和微通道壁构成；所述开关阵列由开关K11、K12、……、K1N，K21、K22、……、K2N构成；
所述叉指换能器和功率可调信号发生器连接，功率可调信号发生器和信号检测模块连接；所述金属反射栅R11、R12、……、R1N，R21、R22、……、R2N分别和开关K11、K12、……、K1N，K21、K22、……、K2N连接，开关K11、K12、……、K1N、K21、K22、……、K2N的另一端与信号检测模块连接；所述开关K11、K12、……、K1N，K21、K22、……、K2N由开关选择阵列模块选择控制导通。
2.根据权利要求1所述的一种微量液体流变粘度特性测试与质量测量装置，其特征在于：所述信号检测模块包括微处理器、液体流动的速度检测单元、相位检测单元和幅度检测单元；相位检测单元实现功率可调信号发生器输出信号和金属反射栅R1N、R2N输出信号的相位差测量；幅度检测单元实现金属反射栅R1N、R2N输出信号的幅度检测。
3.根据权利要求1所述的一种微量液体流变粘度特性测试与质量测量装置，其特征在于：所述压电基底为128°Y-X铌酸锂，所述叉指换能器和金属反射栅R11、R12、……、R1N，R21、R22、……、R2N所使用的金属材料为Al或Au，所述微通道由PDMS材料制成。
4.一种使用权利要求1～3任一项所述装置的微量液体流变粘度特性测试与质量测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、预热温控部件到设定温度，从微通道入口加载待测液体；
步骤2、通过开关选择阵列模块控制开关K11和K21闭合，使金属反射栅R11和R21与信号检测模块连接，开关选择阵列模块控制开关K1N和K2N常闭；
步骤3、调整信号发生器输出功率，向叉指换能器加载功率信号；
步骤4、金属反射栅R11和R21等待液体到来，当液体同时与金属反射栅R11和R21接触时，测量幅度和相位，并记录时间T1；
步骤5、断开开关K11和K21，闭合开关K12和K22，等待液体同时与金属反射栅R12和R22接触，并在接触时测量幅度和相位，并记录时间T2；
步骤6、重复测试，直到液体停止流动，即断开开关K1(n-2)和K2(n-2)，闭合开关K1(n-1)和K2(n-1),n为大于2的自然数，且n<N；等待液体同时与金属反射栅R1(n-1)和R2(n-1)接触，测得此时的幅度和相位，并记录时间T(n-1)；液体停止流动时，记流过的金属反射栅数量为m，并停止测试；
步骤7、计算速度Vn和流动距离dn，建立微量液体流变粘度特性和流动速度、流动距离、幅度的关系，微量液体质量和相位的关系。
5.根据权利要求4所述的一种微量液体流变粘度特性测试与质量测量的方法，其特征在于：所述液体流动速度
式中d为反射栅R1(n-1)和R2(n-1)的中心间距；液体流动距离dn＝d*(m-1)。
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