本发明涉及液滴或气泡检测，尤其涉及一种无源无线传感检测装置。
背景技术：
如今，随着微液滴的应用越来越重要，液滴、气泡的检测也逐渐开始被重视。液滴检测在液滴乳化、混合、包埋、萃取和生物鉴定等方面应用广泛。但现在还缺乏对液滴产生速度、流速、尺寸、数量等参数的快速精确检测的检测方案；流体中带入的气泡容易引起流体不稳等情况，甚至在应用过程中影响诸如生物细胞和组织器官的捕获和培养，因此需要监测灌流系统中是否存在气泡。
现有技术中，采用的液滴、气泡的检测方案有声波检测法、光学检测法、电感检测法和电容检测法等。其中，声波检测法易受到噪声和震动等条件影响，光学检测法易受到温度和油液渗透性等环境影响，电容检测法和电感检测法需要外加电源对电路进行供电，且需要导线连接，其应用受到上述两个因素的限制。
技术实现要素：
发明目的：本发明旨在提供一种无源无线传感检测装置。
技术方案：本发明实施例中提供一种无源无线传感检测装置，包括：检测通道、第一电感通道、第二电感通道和读取器件，其中：
所述第一电感通道和所述第二电感通道相互面对而形成电容通道，所述第一电感通道和所述第二电感通道连接，液态导电材料注入所述第一电感通道和所述第二电感通道，形成谐振电路；
所述检测通道，设置于第一电感通道和第二电感通道之间，用于当检测对象经过所述检测通道，第一电感通道和第二电感通道之间的介电常数发生变化，使得电容通道的电容值发生变化，从而谐振电路的谐振频率发生变化；所述检测对象包括以下任一种：液滴、气泡；
所述读取器件，用于读取谐振电路的谐振频率，并依据所述谐振频率检测得到对应的检测对象的信息。
具体的，包括：微流控芯片基板，所述检测通道、所述第一电感通道和所述第二电感通道由基于pdms材质的微流道构成，并集成于所述微流控芯片基板。
具体的，包括用于注入液态导电材料的电感入口和电感出口，所述电感入口分别与第一电感通道和第二电感通道连接，所述电感出口分别与第一电感通道和第二电感通道连接。
具体的，所述第一电感通道和所述第二电感通道，包括电感线，所述电感线由通道按照螺旋状形成。
具体的，当检测对象为气泡时，包括：气泡产生结构，集成于所述微流控芯片基板，包括流体入口和气体入口，流体入口与气体入口交于交汇点，交汇点与所述检测通道连接。
具体的，所述读取器件在检测对象接触所述检测通道内壁时，采用以下公式计算检测对象的体积：
δfs＝k1·k2·vdroplet，
其中，δfs表示谐振频率的变化值，
具体的，所述读取器件结合所述检测通道的尺寸，计算检测对象的长度。
具体的，所述读取器件在检测对象未接触所述检测通道内壁时，采用以下公式计算检测对象的体积：
其中，δfs表示谐振频率的变化值，
d表示第一电感通道和第二电感通道之间的间距，ε1、ε2分别是第一电感通道和第二电感通道之间的检测对象的相对介电常数和除检测对象之外其他物质的相对介电常数，ε0表示真空介电常数，r表示检测对象的半径，2r表示检测对象的长度，4/3·πr3为检测对象的体积。
具体的，所述读取器件采用以下公式计算检测对象的速度sdroplet：
其中，lcapacitor表示电容通道的长度，ldroplet表示检测对象的长度，δt表示检测对象经过电容通道的时间。
具体的，所述读取器件根据谐振频率的变化次数，计算检测对象的数量。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：采用非接触方式读取无源电路的谐振频率，依据谐振频率实现对液滴、气泡的检测，摆脱了外界因素和自身因素的限制，可以大幅度缩小检测装置的体积，不会对装置产生损耗，延长装置使用寿命，以及保证检测结果的准确度，并扩大检测装置的应用领域。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的无源无线传感检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的无源无线传感检测装置的俯视图；
图3为本发明实施例中提供的检测对象经过检测通道的示意图；
图4为本发明实施例中提供的检测对象经过检测通道的另一示意图以及电路等效图；
图5为与图4对应的液滴或气泡的示意图；
10-检测通道；201-第一电感通道；202-第二电感通道；203-电感入口；204-电感出口；30-气泡产生结构，301-流体入口，302-气体入口；40-微流控芯片基板；50-读取器件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参阅图1，其为本发明实施例中提供的无源无线传感检测装置的结构示意图；参阅图2，其为本发明实施例中提供的无源无线传感检测装置的俯视图。
本发明实施例中提供一种无源无线传感检测装置，包括：检测通道10、第一电感通道201、第二电感通道202和读取器件50，其中：
所述第一电感通道201和所述第二电感通道202相互面对而形成电容通道，所述第一电感通道201和所述第二电感通道202连接，液态导电材料注入所述第一电感通道201和所述第二电感通道202，形成谐振电路；
所述检测通道10，设置于第一电感通道201和第二电感通道202之间，用于当检测对象经过所述检测通道10，第一电感通道201和第二电感通道202之间的介电常数发生变化，使得电容通道的电容值发生变化，从而谐振电路的谐振频率发生变化；所述检测对象包括以下任一种：液滴、气泡；
所述读取器件50，用于读取谐振电路的谐振频率，并依据所述谐振频率检测得到对应的检测对象的信息。
在具体实施中，第一电感通道201和第二电感通道202相互面对而形成电容通道，在第一电感通道201和第二电感通道202在具有连接关系、形成通路的前提下，相互面对，即第一电感通道201和第二电感通道202分别可以视作电容的两个极板，整体上可以视作为电容通道。在第一电感通道201和第二电感通道202整体上可以视作为电容通道的基础上，第一电感通道201和第二电感通道202本身属于电感，则整个通路包括电感和电容，可以形成谐振电路，存在谐振频率。
在具体实施中，检测对象包括以下任一种：液滴、气泡，指检测装置的检测对象是液滴、气泡两者中任意一种，即当通过检测通道10的检测对象是液滴时，则读取器件50依据谐振频率检测得到液滴的信息；当通过检测通道10的检测对象是气泡时，则读取器件50依据谐振频率检测得到气泡的信息。在微流体通道中，两种互不相溶的连续流体在其汇聚处生成稳定、有序的非连续流，即液滴。在具体实施中，液态导电材料注入所述第一电感通道201和所述第二电感通道202，进而可以形成无源的谐振电路。液态导电材料可以是镓铟锡液态合金、导电银浆、pedot:pss溶液等。相比现有技术中的电容检测法和电感检测法需要外加电源对电路进行供电和导线连接，无源无线的谐振电路可以摆脱外加电源以及导线的限制，大幅度缩小装置的体积，应用于封闭或者恶劣的环境之中，例如封闭的机械结构和转动的机械结构。同时，不受外界电源的影响，可以提高检测结果的准确度。
在具体实施中，液滴或气泡经过检测通道10时，即检测对象经过第一电感通道201和第二电感通道202之间，进而第一电感通道201和第二电感通道202之间的介电常数发生变化，即电容通道的介电常数发生变化，介电常数的变化导致电容通道的电容值的变化，电容值变化进而对谐振电路产生影响，谐振电路的谐振频率因此而产生相应的变化。
在具体实施中，相比现有技术中声波检测法和光学检测法容易受到外部因素的影响且需要对检测对象进行标记、加热等操作，依靠液滴或气泡经过第一电感通道201和第二电感通道202之间改变电容通道的介电常数，进而依据谐振电路的谐振频率进行检测，排除了外部因素的干扰、且无需对检测对象进行额外的处理，可以保证检测结果的准确度，而且可以实现无损耗和重复性强的检测，同时检测装置的寿命也大大增长。
在具体实施中，读取器件50通常可以是使用读出线圈(readoutcoil)和矢量网络分析仪，或者读出线圈和阻抗谱仪，或者其他可以用于读取谐振频率的器件。读取器件50通过非接触方式读取谐振频率以及谐振频率的变化值，排除外部因素的干扰，或者与谐振电路之间的连接线路的限制，实现无损耗和重复性强的检测，增长无源无线传感检测装置的寿命，扩大无源无线传感检测装置的应用领域，并且保证检测结果的准确度。
在具体实施中，读取器件50还可以包括用于计算检测的部分，用于进行数据计算，得到检测结果。
本发明实施例中，所述无源无线传感检测装置，包括：微流控芯片基板40，所述检测通道10、所述第一电感通道201和所述第二电感通道202由基于pdms材质的微流道构成，并集成于所述微流控芯片基板40。
在具体实施中，pdms(polydimethylsiloxane)材质为有机硅的一种，可以应用于微流控芯片的制造，微流道可以指通道。
在具体实施中，由于采用液态导电材料注入通道形成的无源谐振电路，排除了外部电源和连接线路的限制，整个检测装置的体积可以大幅度的减小，以实现于集成在微流控芯片基板40之上，形成用于液滴或气泡检测的微流控芯片，增强了便携性。
本发明实施例中，所述无源无线传感检测装置，包括用于注入液态导电材料的电感入口203和电感出口204，所述电感入口203分别与第一电感通道201和第二电感通道202连接，所述电感出口204分别与第一电感通道201和第二电感通道202连接。
在具体实施中，液态导电材料可以通过电感入口203注入，充满第一电感通道201和第二电感通道202，由电感出口204流出，最终形成无源的电容电感谐振电路。
在具体实施中，电感出口204和电感入口203是可以调换的，即液态导电材料的注入流通路径是可以变化。
本发明实施例中，所述第一电感通道201和所述第二电感通道202，包括电感线，所述电感线由通道按照螺旋状形成。
在具体实施中，电感线是螺旋形状通道，螺旋形状主要体现为平面单层或立体多层，在是立体多层时，通道连续由上至下盘旋，或者连续由下至上盘旋，具体可以按照正方形、长方形、椭圆、圆等多种平面形状进行螺旋、盘旋，目的在于形成多层电感线，较优的方式是，每半圈(也可以是四分之一圈、四分之三圈)为一层；在是平面单层时，按照正方形、长方形、椭圆、圆等多种平面形状进行螺旋，例如图2所示。
本发明实施例中，当检测对象为气泡时，包括：气泡产生结构30，集成于所述微流控芯片基板40，包括流体入口301和气体入口302，流体入口301与气体入口302交于交汇点，交汇点与所述检测通道10连接。
在具体实施中，液体由流体入口301注入，气泡由气体入口302灌入后，在交汇点于液体中产生气泡，气泡进入检测通道10后流经第一电感通道201和第二电感通道202之间，例如图1所示，气泡产生结构30采用正交结构(t-junction)，通过调节微流道(气泡产生结构30)的结构设计、几何尺寸、表面化学性质和流体流速等条件可灵活地调节气泡的大小和生成频率。气泡产生结构30可由用户自定义设定，主要方式包括如下三种：正交结构(t-junction)、流动聚焦式(flow-focusing)和共轴流(co-axialflow)。
在具体实施中，两种互不相溶的连续流体在其汇聚处生成稳定、有序的非连续流，即液滴。当检测对象为液滴时，所述无源无线传感检测装置，可以包括液滴产生结构，通过调节微流道(液滴产生结构)的结构设计、几何尺寸、表面化学性质和流体流速等条件可灵活地调节液滴的大小和生成频率。液滴产生结构可由用户自定义设定，主要方式包括如下三种：正交结构(t-junction)、流动聚焦式(flow-focusing)和共轴流(co-axialflow)。
参阅图3，其为本发明实施例中提供的检测对象经过检测通道10的示意图。
本发明实施例中，所述读取器件50在检测对象接触所述检测通道10内壁时，采用以下公式计算检测对象的体积：
δfs＝k1·k2·vdroplet，
其中，δfs表示谐振频率的变化值(已知)，
本发明实施例中，所述读取器件50结合所述检测通道10的尺寸，计算检测对象的长度。
在具体实施中，ε1、ε2可以分别指第一电感通道201和第二电感通道202之间的检测通道10内的液滴或气泡的相对介电常数(已知)和除液滴或气泡之外其他物质(如检测通道10中的填充液体)的相对介电常数。
在具体实施中，
又有变化的电容值的微分表达公式：
δa、δd分别为第一电感通道201和第二电感通道202之间的变化的正对面积和变化的间距(均可以约等于0)，εr表示第一电感通道201和第二电感通道202之间介质的相对介电常数，得到：
其中，
在具体实施中，在液滴或气泡接触所述检测通道10内壁，充满检测通道10，即如图3所示的状态时，液滴或气泡可以视作圆柱体形状、长方体形状或正方体形状，在得到液滴或气泡的体积后，结合检测通道10的尺寸(内径)，即可以计算得到检测对象的长度，即圆柱体液滴或气泡的高。
本发明实施例中，所述读取器件50在检测对象未接触所述检测通道10内壁时，采用以下公式计算检测对象的体积：
其中，δfs表示谐振频率的变化值(已知)，
d表示第一电感通道201和第二电感通道202之间的间距(已知)，ε1、ε2分别是第一电感通道201和第二电感通道202之间的检测对象的相对介电常数(已知)和除检测对象之外其他物质的相对介电常数(已知)，ε0表示真空介电常数，r表示检测对象的半径，2r表示检测对象的长度，4/3·πr3为检测对象的体积。
参阅图4，其为本发明实施例中提供的检测对象经过检测通道10的另一示意图；参阅图5，其为与图4对应的液滴或气泡的示意图。
在具体实施中，当产生的液滴或气泡较小时，检测对象在电容通道之间通过时如图4、5所示，与检测通道10的内壁不接触。简化研究模型为液滴或气泡正对第一电感通道201或第二电感通道202的横截面a1＝πr2(r为近似球形液滴或气泡的半径)，高度为第一电感通道201和第二电感通道202之间的间距d的圆柱形介质区域(其体积：v1＝a1d＝πr2d)，如图5所示，电容值的变化只发生在圆柱形介质区域内。
当液滴或气泡未通过第一电感通道201和第二电感通道202之间时，研究模型内介质完全是连续相(均为检测通道1010中的填充液体)，其相对介电常数为ε2，ε0＝8.85*10-12(f/m)为真空介电常数，此时在研究模型的介质区域内，组成的电容值为；
当液滴或气泡通过第一电感通道201和第二电感通道202之间时，研究模型内介质除了连续相外，还存在由分散相组成的近似球形液滴或气泡，此时在模型介质区域内，组成的电容值为：
如图5所示，其中ca、cb、cc分别为在研究模型中，液滴或气泡一侧区域组成介质区的电容值、液滴或气泡区域组成介质区的电容值、液滴或气泡另一侧区域组成介质区的电容。
用微分法求出各电容：
求解ca：将此电容值中介质区域在x、y、z方向等距微分成多个部分，在y方向上，同一正对面积ak，间距dk也相同的电容实现串联连接，其电容和：
在同一xoz平面上的相邻的介质区域上，电容实现并联连接，其电容和可以计算：
其中：va＝∑akdi＝da·a1，同理可得：
则：
(以油水两相为例：水作为分散相、油作为连续相，则：
最终：
得出谐振频率的变化值与球形液滴或气泡的半径r之间的关系，即可计算得到液滴或气泡的长度2r，液滴或气泡的体积4/3·πr3。
本发明实施例中，所述读取器件50根据谐振频率的变化次数，计算液滴或气泡的数量。
在具体实施中，每次检测对象通过第一电感通道201和第二电感通道202之间时，电容通道的电容值发生变化，进而谐振电路的谐振频率发生变化，因此，每当谐振频率发生变化时，则表明有检测对象经过第一电感通道201和第二电感通道202之间，谐振频率发生变化的次数，即可以是液滴或气泡的数量，在一些实际应用场景中，也可以根据谐振频率发生变化的次数乘以预设的权重系数计算得到液滴或气泡的数量。
本发明实施例中，所述读取器件50采用以下公式计算液滴或气泡的速度sdroplet：
其中，lcapacitor表示第一电感通道201或第二电感通道202的长度，ldroplet表示液滴或气泡的长度，δt表示液滴或气泡经过第一电感通道201和第二电感通道202之间的时间。
在具体实施中，lcapacitor第一电感通道201或第二电感通道202在检测通道10的范围内的长度，也即检测对象在检测通道10中，从进入第一电感通道201和第二电感通道202之间到从第一电感通道201和第二电感通道202之间出来，在此阶段所经过的长度。
1.一种无源无线传感检测装置，其特征在于，包括：检测通道、第一电感通道、第二电感通道和读取器件，其中：
所述第一电感通道和所述第二电感通道相互面对而形成电容通道，所述第一电感通道和所述第二电感通道连接，液态导电材料注入所述第一电感通道和所述第二电感通道，形成谐振电路；
所述检测通道，设置于第一电感通道和第二电感通道之间，用于当检测对象经过所述检测通道，第一电感通道和第二电感通道之间的介电常数发生变化，使得电容通道的电容值发生变化，从而谐振电路的谐振频率发生变化；所述检测对象包括以下任一种：液滴、气泡；
所述读取器件，用于读取谐振电路的谐振频率，并依据所述谐振频率检测得到对应的检测对象的信息。
2.根据权利要求1所述的无源无线传感检测装置，其特征在于，包括：微流控芯片基板，所述检测通道、所述第一电感通道和所述第二电感通道由基于pdms材质的微流道构成，并集成于所述微流控芯片基板。
3.根据权利要求1所述的无源无线传感检测装置，其特征在于，包括用于注入液态导电材料的电感入口和电感出口，所述电感入口分别与第一电感通道和第二电感通道连接，所述电感出口分别与第一电感通道和第二电感通道连接。
4.根据权利要求3所述的无源无线传感检测装置，其特征在于，所述第一电感通道和所述第二电感通道，包括电感线，所述电感线由通道按照螺旋状形成。
5.根据权利要求2所述的无源无线传感检测装置，其特征在于，当检测对象为气泡时，包括：气泡产生结构，集成于所述微流控芯片基板，包括流体入口和气体入口，流体入口与气体入口交于交汇点，交汇点与所述检测通道连接。
6.根据权利要求1所述的无源无线传感检测装置，其特征在于，所述读取器件在检测对象接触所述检测通道内壁时，采用以下公式计算检测对象的体积：
δfs＝k1·k2·vdroplet，
其中，δfs表示谐振频率的变化值，
7.根据权利要求6所述的无源无线传感检测装置，其特征在于，所述读取器件结合所述检测通道的尺寸，计算检测对象的长度。
8.根据权利要求1所述的无源无线传感检测装置，其特征在于，所述读取器件在检测对象未接触所述检测通道内壁时，采用以下公式计算检测对象的体积：
其中，δfs表示谐振频率的变化值，
d表示第一电感通道和第二电感通道之间的间距，ε1、ε2分别是第一电感通道和第二电感通道之间的检测对象的相对介电常数和除检测对象之外其他物质的相对介电常数，ε0表示真空介电常数，r表示检测对象的半径，2r表示检测对象的长度，4/3·πr3为检测对象的体积。
9.根据权利要求7或8所述的无源无线传感检测装置，其特征在于，所述读取器件采用以下公式计算检测对象的速度sdroplet：
其中，lcapacitor表示电容通道的长度，ldroplet表示检测对象的长度，δt表示检测对象经过电容通道的时间。
10.根据权利要求1所述的无源无线传感检测装置，其特征在于，所述读取器件根据谐振频率的变化次数，计算检测对象的数量。
技术总结