一种自驱动的微通道内液塞流动速度传感系统

技术领域

本发明涉及微尺度流动技术领域，尤其是一种自驱动的微通道内液塞流动速度传感系统。

背景技术

液体工质在微通道内会自然形成气体液体交替出现的液塞流，由于微通道尺寸小，流速传感器安装困难，因此微通道内液塞的流速测量成为一个难题。

目前微通道内液塞流速的测量方法有可视化测量和内部传感器检测两种方法，可视化是使用高速摄像机拍摄液塞流动过程，由于需要安装摄像机，该方法只适用于透明微通道，同时在较大空间内使用，如果更换透明通道又改变了微通道的表面物理特性，不能反映微通道内液塞流动的真实情况。而在内部加装传感器时，传感器自身会对液塞流动特性产生影响，而且小尺寸传感器制造难度大，安装困难。因此找到一种无损的检测方式，既不影响微通道内工质正常流动，又可以进行真实环境下的检测是十分必要的。

发明内容

本发明针对上述问题而提出了一种自驱动的微通道内液塞流动速度传感系统。

本发明采用的技术手段如下：

一种自驱动的微通道内液塞流动速度传感系统，包括微通道、第一电极对、第二电极对以及信号检测系统；

所述第一电极对和所述第二电极对依次设置在所述微通道的外壁上，所述第一电极对和所述第二电极对的正电极通过第一导线连接；所述第一电极对和所述第二电极对的负电极通过第二导线连接；

所述信号检测系统通过数据采集线分别与所述第一导线和所述第二导线连接，用于采集液塞流过所述微通道时，所述液塞与所述微流道由于摩擦起电效应和静电感应产生的电信号，并计算液塞经过两个电极对时的时间差t，并根据所述时间差t计算所述液塞的流动速度V；

根据所述时间差t计算所述液塞的流动速度V的方法为：

V＝L/t(1)；

其中，L为第一电极对和第二电极对之间的距离。

进一步地，所述信号检测系统包括信号采集模块和数据解析模块；

所述信号采集模块，用于采集液塞流过所述微通道产生的电信号，并对所述电信号进行降噪滤波处理，将处理后的电信号通过数据线发送至所述数据解析模块；

所述数据解析模块，用于对接收的电信号进行处理和计算，识别出电信号峰值，计算每次电信号峰值之间的时间差，根据计算获得的每次电信号峰值之间的时间差，计算液塞的流动速度。

进一步地，所述数据解析模块还包括显示屏，所述显示屏用于显示液塞的流动速度。

进一步地，所述微通道的内径小于或等于3mm。

进一步地，电极对的材质为铜、银、合金或复合金属。

进一步地，所述微通道的材质为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、氯丁橡胶、腈氯纶或聚酯。

进一步地，电极对的电极为环状电极，环状电极套在微通道的外壁上。

进一步地，每对电极对中正电极和负电极的距离相同，且每对电极对的正电极和负电极的距离为1～3mm。

进一步地，微通道内流动从液体介质为水、油、盐水、有机溶剂或含杂质的液体。

与现有技术比较，本发明公开的自驱动的微通道内液塞流动速度传感系统具有以下有益效果：本发明公开的自驱动的微通道内液塞流动速度传感系统由于设有微通道和两组电极对，使得液塞流经微通道时产生电信号，进而能够通过电信号的时间差获得液塞的流动速度，其具有结构简单，制作成本低，安装方便，不需要透明通道，不需要外部供电，而且不会对微通道内液塞流动特性产生影响等优点。可广泛应用于医疗、微流体、脉动热管频率检测等领域。

附图说明

图1为本发明公开的自驱动的微通道内液塞流动速度自驱动传感系统的轴视图；

图2为本发明公开的自驱动的微通道内液塞流动速度自驱动传感系统中的局部剖视图；

图3为本发明公开的自驱动的微通道内液塞流动速度自驱动传感系统的主视图；

图中：1、微通道，2、第一电极对，3、第二电极对，4、信号检测系统，5、第一导线，6、第二导线，7、数据采集线，8、信号采集模块，9、数据解析模块，10、数据线，11、第一电极环，12、第二电极环，13、第三电极环，14、第四电极环，15、液塞。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示为本发明公开的自驱动的微通道内液塞流动速度传感系统，包括微通道1、第一电极对2、第二电极对3以及信号检测系统4；

微通道1接入需要测量液塞流动速度的微通道设备(例如脉动热管、微通道反应器、医用微通道注射泵)中，优选地，本系统中的微通道内径与待测微通道设备的微通道的内径相同，并且两端的连接口处密封，所述微通道1的内径小于或等于3mm，使得液体介质在流经微通道时会形成气塞和液塞交替分布的液塞流；微通道1的材质采用摩擦起电倾向带负电的材料，材料绝缘，材料表面光滑平整，以保证与所述环状电极有良好接触，优选地，所述微通道1的材质为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、氯丁橡胶、腈氯纶或聚酯等；微流道和微流道设备内有液体介质流动，液体介质在微通道内能形成交替分布的液塞和气塞，液体介质可以为水、油、盐水、有机溶剂、含杂质的液体等；

所述第一电极对2和所述第二电极对3依次设置在所述微通道1的外壁上，每一电极对包括两个电极，在本实施例中，电极对的电极为环状电极，分别为第一电极环11、第二电极环12、第三电极环13以及第四电极环14；第一电极环11和第二电极环12组成第一电极对2，第三电极环13和第四电极环14组成第二电极对3，环状电极套在微通道的外壁上，每对电极对中正电极和负电极的距离相同，且每对电极对的正电极和负电极的距离为1～3mm，环状电极采用导电固体材质，环状电极内壁表面光滑平整，可与所述微通道良好接触，优选地，电极对的材质为铜、银、合金或复合金属等；在本实施例中，如图3所示，每对电极对中两个电极之间的距离为l，第一电极对2与第二电极对3之间的距离为L；图中，两电极对的距离指的是每对电极对中两个电极中间的位置与相邻电极对中两个电极中间的位置之间的距离；

所述第一电极对2和所述第二电极对3的正电极通过第一导线5依次连接；所述第一电极对2和所述第二电极对3的负电极通过第二导线6依次连接；两组电极对构成并联交叉电极，导线可焊接在环状电极的表面，导线为导电材质，如金属导线、漆包线等；

所述信号检测系统4通过数据采集线7分别与所述第一导线5和所述第二导线6连接，用于采集液塞流过所述微通道1时，所述液塞15与所述微流道1由于摩擦起电效应和静电感应产生的电信号，并计算所述液塞依次经过两个电极对的时间差t，并根据所述时间差t计算所述液塞的流动速度V；

根据所述时间差t计算所述液塞的流动速度V的方法为：

V＝L/t         (1)；

其中，L为第一电极对和第二电极对之间的距离。

本发明公开的自驱动的微通道内液塞流动速度传感系统用于检测微通道设备内液塞流动速度的原理如下：由于将本系统的微通道与待检测微通道设备的微通道连接，且两端的连接口处密封，使得本申请的微通道与待检测微通道设备的微通道形成一个整体的液体流通通道；液体介质(水、油、盐水、有机溶剂等)在待检测微通道设备内的微通道和本系统的微通道内流动，并会形成气塞和液塞交替分布的液塞流，同时，由于本系统的微通道的材质采用摩擦起电倾向带负电的材料，当液塞流过本系统的微通道时，会与微通道管壁发生周期性的接触分离，由于摩擦起电效应和静电感应，会引起电荷在电极上的定向移动，因此会产生有规律的电信号，这种电信号可以被信号检测系统捕捉到。液塞每流过一组电极对时，电极上就会产生有规律的电信号(固-液摩擦纳米发电机技术)，利用液塞流过两组电极对时产生的电信号时间差，可以计算出液塞的流动速度V；

具体地，假设液塞按图1中箭头所示的方向流动，根据所述时间差t计算所述液塞的流动速度V的方法为：

V＝L/t         (1)；

其中，L为第一电极对和第二电极对之间的距离。本发明公开的自驱动的微通道内液塞流动速度传感系统检测液塞速度的方法，不需要透明通道，不需要给传感器单独供电，同时不会对液塞本身流动特性产生影响，结构简单。

进一步地，所述信号检测系统4包括信号采集模块8和数据解析模块9；所述信号采集模块8，用于采集液塞流过所述微通道1时产生的电信号，并对所述电信号进行降噪滤波处理，将处理后的电信号通过数据线10发送至所述数据解析模块9；所述数据解析模块9，用于对接收的电信号进行处理和计算，识别出电信号峰值，计算每次电信号峰值之间的时间差，根据计算获得的每次电信号峰值之间的时间差，计算液塞的流动速度。优选地，所述数据解析模块9还包括显示屏，所述显示屏用于显示液塞的流动速度。

具体地，当液塞依次通过两组电极对时，液塞与微通道的内壁由于摩擦起电效应和静电感应，会引起电荷在电极上的定向移动，会产生有规律的两组电信号，信号采集模块通过数据采集线采集到该电信号，两次电信号的数据都被信号采集模块上的信号处理单元进行简单的降噪平滑处理，处理算法为快速傅里叶变换，之后信号采集模块通过数据线将处理后的电信号数据输送至数据解析模块；所述数据解析模块包括处理单元和显示屏，所述处理单元可以将所述信号采集模块发送来的信号进行处理和计算，识别出电信号峰值，记录电信号峰值数据，并记录波峰时间，计算出两次电信号波峰之间的时间差为t，单位为“s”，结果保留小数点后四位，数据解析模块的处理单元上可以保持输入的两组电极对的距离L，单位为m，数值保留小数点后四位。通过距离L和时间t可以计算出液塞的流动速度，单位为m/s，结果保留小数点后四位，并能够通过显示屏显示出液塞的流动速度。

进一步地，微通道的内径与待检测微通道设备的微通道内径相同，以减小对液塞流动特性的扰动。

进一步地，如实际微通道设备的管道为满足上述要求的摩擦起电倾向带负电的材料，可直接在其管外壁按上述方式安装环状电极，环状电极可根据实际环境更换为其他导电材质的电极胶带、电极贴片等。

特别注意的是，信号采集线的正负极与导线的连接没有正负极区分，即每组电极对的两个电极没有正负极之分。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。