开题报告-油液微流控检测系统设计.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：机械与动力工程学院专 业：车辆工程设计题目：油液微流控检测系统设计指导教师: 2017 年 3 月 3 日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：1.研究意义 液压油和润滑油是机械设备中的“血液”，它对机械具有极大的作用。车辆中的润滑油具有保持系统稳定的工作温度，减少系统运动中的摩擦以提高机械系统的寿命。并且具有一定的缓和冲击，防止金属过快被侵蚀从而保证了机械的正常工作和使用寿命的作用。因此我们需要对机械中的油液进行检测。通过监测油液磨损微粒的类型，尺寸，浓度等特征以准确得知系统的状态。随着工业的不断发展机械系统越来越复杂，油液中的有害微粒也越多，微粒大小范围涉及广泛，由于这些磨损微粒的存在而降低了机械的工作效率和使用寿命。因此我们需要设计出油液在线检测芯片以确保机械能以最高的效率工作增强机械的使用寿命。而这些污染物有以下来源：（1）零部件在组装和元件在加工过程中金属切削留在了系统中。（2）在补油和维修过程中污染物从外界进入到系统中。（3）由于工作表面之间相对运动而产生摩擦而出现许多金属微粒。本毕业设计的目的就是设计出油液微流控芯片以检测实际油液的污染情况，并能通过该芯片检测出磨损微粒，检测出哪些微粒的磨损最为严重测出微粒的大小以及种类。目前，车辆油液污染度的测量主要采用铁谱分析、污染重量测定、显微镜比较、颗粒计数等。除颗粒计数法以外的其他方法，只能对油液污染度等级进行估计，且结果受人为因素影响较大。颗粒计数法是流体污染检测中的常用方法，通过测量颗粒产生脉冲信号的幅值和数量来确定油液污染物的尺寸分布，能够实现油液颗粒污染度的精确测量。微芯片实验室( Lab-on a chip，LOC)应用于颗粒计数使得待检对象尺度缩小到微纳米级别，并显著增加颗粒检测效率。本设计结合微流体芯片技术，设计一种高灵敏度与高精度的微流控油液检测芯片，重点对芯片的结构参数、工艺方法、检测原理等进行分析与设计，为高精度芯片的实际应用打好基础。这也为未来更多机械的发展创造了更好的工作环境，油液的检测目前广泛应用在军事，船类，车辆以及航空行业。所以我们应该更多的重视该技术的发展进步。如果能在线检测微粒的磨损程度，对机械的状态进行准确把握我们就能有效的避免许多猝不及防的危害。有效的降低成本，提高机械的安全性，对于现代工业机械社会及其发展的社会有很重要的意义，应当引起我们当代人的重视。2. 国内外发展现状2.1国外研究概况离线检测方面，美国俄克拉马荷马州立大学早期就对油液中的微粒进行检测，近年来也出现了很多检测微粒的方法例如铁谱分析法，颗粒计数法，光谱分析法等。美国贝尔德公司采用放电激发法油液分析的专用原子发射光谱仪FAS-2C和在此基础上改进而成的MOA型等离子光谱仪产品。MOA型光谱仪在一分钟内能对20多种元素进行测定。等离子体ICPHE放电激发法AES两种光源利用优缺点互补使用，被称为ICP-AES分析。80年代以来，红外光谱技术在滑油添加剂残留和污染物检测方面应用广泛。但它只能对油质方面及理化参数进行检测。美国S.ODI OWEI等人 1976年将电镜与QUANTIMENT720图像分析法相结合来分析磨粒。1983年B.J.ROYLANCE等人提出了WEIBULL反映了磨粒尺寸分布。1990年澳大利亚T.B.Kirk等人用分型几何法对微粒进行数学模型描述11。在线检测方面，目前在线油液检测装置釆用的方法主要有静电法、x射线能谱、光电法、以及应用最广泛的电磁法。加拿大的GasTOPS开发的metalSCAN油液金属在线检测传感器被应用最广泛。该仪器利用对两个外部互相反绕的线圈通交流电，使缠绕在两个线圈中间的检测线圈处于平衡磁场处，由于三个线圈处于磁场平衡状态，当检测颗粒通过时会打破原磁场的平衡状态从而引起检测信号发生变化，相对原平衡状态，微小信号的变化就会被检测出来，从而区分检测颗粒的属性及大小。之后颗粒计数法被广泛应用，该方法可以检测出微粒的大小，来源，数量和性质，使得对机械的状况判断更加准确，提高了运行的安全性。 2010年美国阿克伦大学L.Du和J.Zhe学者对电动机中润滑油高吞吐量进行研究，他们利用光刻技术和库尔特电感计数原理对润滑油进行检测，该结果有效的检测了磨损铁，铜微粒的大小范围在50um150um，且可以区分非铁磁性和铁磁性微粒1。2012年两位学者再次对润滑油中的油液进行检测，更加优化了该检测系统是基于第一次实验对高流通量油液进行磨损微粒检测同样利用了库尔特计数原理并且具有较高的灵敏度，该实验在七个通道进行检测得出更准确的结果2。 2012年加拿大滑铁卢大学Hongpeng Zhang和 Wen Huang等人利用电感原理和微流控芯片技术结合，进行了油液微流控芯片的设计。利用线圈几何参数与平面电感变化之间的关系分析了相关的实验统计，结果是当铁磁性微粒通过时电感随着线圈和线宽的变化而变化3。 2008年阿克伦大学研究者利用电容库尔特计数原理检测润滑油中的金属磨损粒子并进行计数。通过电容量的不同检测出微粒，该方式适用于润滑油在线监测4。在多个微通道中无导性油液利用电容库尔特方法取20um的铜微粒进行测试5。 2.2国内研究概况 我国从二十世纪开始逐渐开始关注汽车机油和润滑油等油液的监测，我国众多学者也开始广泛的关注这一类研究，以使机械能在更好的工况工作。并能促使油液监测技术更趋于完善。 在2009年南京航空航天大学李绍成，左洪福，张艳彬三位学者对油液在线监测系统中的磨粒识别进行研究。他们对机械设备的磨损状态监测要求，建立了基于显微图像分析的油液在线检测系统。主要依据光路特征对微粒的图像进行彩色特征转化，以提取微粒。并设计了微粒综合分类器。最后用铁谱分析法对系统性能和识别效果进行验证。由此得到的结果比较准确6。 2011年李绍成，左洪福对油液在线监测系统中的磨粒图像处理进行研究以提高微粒磨损分析和磨粒识别准确度。提出了系列磨粒图像的处理方法，其设计结果能提高监测磨粒的灵敏度，且响应时间更,方便封装。使其更加适合油液的监测7。 2011年往后大连海事大学对油液监测技术极为关注，金俊伟和张洪朋教授对液压油金属颗粒污染物进行区分。利用电感线圈和平面电感制作出比较高精度的监测芯片。有效的监测了铁微粒和铜微粒8。 2013年大连海事大学轮机工程学院的研究人员李梦琪，赵凯，宋永欣等人设计研究了微流控芯片上油液磨损微粒电容监测。通过在PDMS芯片上加工获得三维电容传感器。由于金属磨损微粒和油液介质常数的不同，因此每一个通过电容的磨损微粒会产生不同的电容脉冲信号，从而确定了磨损微粒的大小。这是一种利用电容的方法监测微粒9。同年该所大学利用电感测量技术和微流体技术设计了微流控检测芯片，此次设计得出了电感变化随着线圈匝数和线宽的不同而变化。10 2014年大连海事大学硕士张堂伟和张洪朋教授对微流控电感油液检测芯片的优化研究，主要是对电感芯片进行了优化，他们通过互感原理设计出新型双线圈检测芯片。这一优化使得检测芯片可以检测更加细小的磨损微粒并且有比较高的信噪比和精度11。同年大连海事大学张兴明，张洪朋等学者继续研究油液中的磨损微粒，对微流体油液检测芯片分辨率-频率特性进行研究。该研究主要是为了区分铁磁性和非铁磁性金属，通过这次研究得出了若要提高铁磁性磨损微粒需要低频率激励，如果要提高非铁磁性磨损微粒需要高频率激励的结果12。该研究极大的为机械诊断其故障和工作状况提供了定量和定性的保障。2015年大连海事大学大学张洪朋，王强等学者进一步对微流控芯片进行研究，发表了用于微流体油液检测芯片的电阻检测法。该研究主要是为了提高非铁磁性金属的精度和灵敏度。该方法实在电感法的基础上进行改进的电阻法。其流道与线圈和电阻值呈现线性关系13。同年该大学学者吴瑜和张洪朋教授等人研究电感式传感器输出特性受金属微粒形态影响。通过研究得出微粒越细长，退磁因子越小就越容易被磁化14。2013年郑州航空工业管理学院李启璘，文振华等人研究液压系统油液在线检测技术，该研究将静电传感器应用在液压系统。它通过检测磨损微粒在介质中荷电而得知液压系统的磨损结果15。目前，微粒检测的方法主要有静电法，磁电法，光电法，其中颗粒计数法被广泛使用，检测精度高，成本低。下图一为有关电感微流控芯片的总体设计，图二为双螺线圈设计。 图一 图二参考文献1 Li Du，Jiang Zhe.A high throughput inductive pulse sensor for online oil debris monitoringJ.Tribology International,2011,44:1751792 Li Du，Jiang Zhe.Parallel sensing of metallic wear debris in lubricants using undersampling data processingJ.Tribology International,2012,53:28343 Hongpeng Zhang，Wen Huang，Yindong Zhang ect.Design of the microfluidic chip of oil detectionJ. Applied mechanics and materials，2012,1662-7482:5175204Jiang John Zhe A microfluidic coulter counting device of metal wear detection lubrication oilDdegree masterAmerica ：university of Akron，20085Srinidhi V. Murali，Xinggao Xia，Ashish V. Jagtiani etc .A microfluidic device for wear detection in lubricantsJ.ASME，2008，6 李绍成，左洪福，张艳彬.油液在线监测系统中的磨粒识别J.光学精密工程.2009，17（3）：5895957 李绍成，左洪福.油液在线监测系统中的磨粒图像处理J.传感器与微系统.2011，30（9）：37438 金俊伟.液压油金属颗粒污染物进行区分检测研究D.硕士学位论文.辽宁：大连海事大学，20119 李梦琪，赵凯，宋永欣等.微流控芯片上油液磨粒电容检测N.大连海事大学学报，2013年10月10 张洪朋，张兴明，郭立等.微流控油液检测芯片设计N.仪器仪表学报，2013年4月11 张堂伟.微流控电感油液检测芯片的优化研究D.硕士学位论文.辽宁：大连海事大学学报，201412 陈海泉，张兴明，张洪朋等.微流控油液检测芯片分辨率-频率特征研究N.仪器仪表学报，2014年2月13 王强，张洪朋，张剑锋等.用于微流体油液检测芯片的电阻检测法J.光学精密工程.2015，23（10）：34234714 吴瑜，张洪朋，王满等.金属颗粒形态对电感式传感器输出特性影响的研究N.仪器仪表学报，2015年10月15 李启璘，刘振华.液压系统油液在线检测技术研究J.液压与气动.2013，8：124127 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：以车辆润滑系统的油液在线监测为目标，通过对比目前常用的微流控芯片结构设计与工艺方法的优缺点，结合油道直径、润滑油压力和流速等车辆润滑系特征参数，设计满足油液颗粒污染物在线监测需求的微流控芯片，重点研究芯片的结构参数及其工艺实现，并对芯片的布置位置、供油方式、监测装置选型等进行初步论证，提出一套完整的车用微流控在线监测系统的设计方案。具体研究内容如下：1）将已有芯片特征参数与车用油液在线监测进行匹配，以选择合适的芯片，对所选择的芯片进行研究，得到芯片的制作过程及工艺方法。2）芯片结构设计与工艺流程设计。设计芯片的平面电感、检测通道、油液样本进口和出口等3）芯片外围设备（供油、检测等）选型或设计 设计流程图：对比多种芯片对整个芯片进行工艺设计对芯片结构进行设计对芯片的参数与油液匹配 对芯片进行可行性分析对芯片外围设备设计毕业设计课题工作进度计划： 02月13日 03月03日 认真阅读与比较文献资料，完成文献翻译与开题报告 03月04日 03月31日 完成芯片结构设计 04月01日 04月21日 完成芯片工艺设计 04月22日 05月14日 完成检测系统设计 05月15日 06月04日 料撰写毕业设计说明书，整理毕业资料 06月05日 06月10日 论文答辩 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见： 指导教师： 年 月 日附件：参考文献注释格式学术期刊 作者论文题目J期刊名称，出版年份，卷(期)：页次如果作者的人数多于3人，则写前三位作者的名字后面加“等”，作者之间以逗号隔开。例如：1 李峰,胡征,景苏等. 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展J. 无机化学学报， 2001, 17(3): 3153242 J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nanorodsJ. Journal of Crystal Growth, 2001,233:57学术会议论文集 作者论文题目文集编者姓名学术会议文集名称C，出版地：出版者，出版年份：页次例如：3 司宗国 谢去病 王群重子湮没快度关联的研究见赵维勤，高崇寿编第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集C，北京：中国高等科学技术中心，19