一种液相进样装置及液相测量系统和方法与流程

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种液相进样装置及液相测量系统和方法。

背景技术：

在液相测量技术领域，通常采用接触式传感器与液相进样接触反应，用来测量液相的一些特征属性，例如专利公开号为CN101241125A的专利申请公开了一种用于液相测量的压电声波传感器，其采用一个表面具有附着金属膜的绝缘板与至少一个压电敏感器件相连，实现一体化的结构封装与电气连接；其中，所述压电敏感器件的边缘密封固定到绝缘板上的通孔底部，以实现压电敏感器件单面与被测液体接触；所述压电敏感器件的金属电极则通过绝缘板上的附着金属膜走线与驱动或测量电路连接。

然而，现有的液相测量技术方案中，液相测量只能根据传感器输出的电信号间接得出被测量的情况，并不能够直观地观察到被测量在测量装置中的反应过程，无法进一步研究该液相的一些其他的相关属性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于现有技术中液相测量只能根据传感器输出的电信号间接得出被测量的情况，并不能够直观地观察到被测量在测量装置中的反应过程，从而提供一种液相进样装置及液相测量系统和方法。

本发明第一方面提供了一种液相测量方法，在通过压电声波传感器与进样接触反应，得到所述压电声波传感器的谐振频率变化的同时，通过图像传感器拍摄所述进样在所述压电声波传感器表面上的反应过程，得到反应过程的图像信息。

本发明第二方面还提供了一种液相进样装置，包括：底座；流道组件，设置在所述底座上，其上设置有进样口和出样口，所述进样口和所述出样口之间设置有流道，所述流道上设置有接触槽，所述接触槽的底端设置有压电声波传感器，进样经过所述接触槽时与所述压电声波传感器接触；所述接触槽的上方设置有用于向图像传感器提供光路的光通道，所述图像传感器用于拍摄所述压电声波传感器的表面反应过程。

可选地，所述底座为U字形，两侧壁内侧上分别设置有定位卡销；所述流道组件顶端的两侧设置有与定位卡销配合的定位凸起，所述定位凸起具有水平斜度，旋转所述流道组件顶端，所述定位卡销对所述定位凸起产生向下的作用力，所述流道组件固定在所述底座上。

可选地，所述压电声波传感器包括：QCM传感器、Lamb波传感器和FBAR传感器，其中，所述压电声波传感器的电极从与进样接触侧的相对侧引出。

可选地，所述压电声波传感器设置在传感器支架上，传感器支架设置在电极引出板上，所述传感器支架的两侧设置有限位孔，与所述底座上设置的限位凸起配合实现限位。

可选地，所述流道组件包括：固定套筒，所述接触槽位于所述固定套筒的靠近所述底座的一端，所述靠近所述底座的一端侧壁上开有两通孔，一通孔用于连接所述进样口与所述接触槽，另一通孔连接所述接触槽和所述出样口，其中，所述光通道位于所述固定套筒内；旋转头，套接在所述固定套筒的远离所述底座的一端，所述旋转头的侧壁上设置有限位销，所述固定套筒的远离所述底座的一端侧壁上设置有与所述限位销配合设置的限位销孔。

可选地，还包括密封圈，所述密封圈设置在所述固定套筒的靠近所述底座的一端的卡槽中，所述密封圈的外径大于所述压电声波传感器的外径。

可选地，所述密封圈为L型密封圈。

可选地，所述光通道贯穿所述流道组件，其中设置有第一透视玻璃，对所述光通道形成密封。

可选地，所述接触槽内设置有第二透视玻璃，所述第二透视玻璃底部与所述所示压电声波传感器相隔预设距离，形成流动空间，所述进样从所述进样口进入到所述接触槽，在所述第二透视玻璃的阻碍下进入到所述流动空间与所述压电声波传感器接触。

本发明第三发明提供了一种液相测量系统，包括：本发明第二方面所述的液相进样装置；图像传感器，用于拍摄所述液相进样装置中压电声波传感器的表面反应过程。

可选地，图像传感器可活动地设置在图像传感器支架上。

根据本发明实施例，通过在压电声波传感器测量反应的同时，图像传感器同步进行拍摄，以将同一时刻的压电声波传感器输出的电信号与图像传感器采集到的图像信息结合，从而能够精确测量出在不同时刻点液相中各物质的相关参数及特性，为后续作进一步分析提供了条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例的液体测试系统总装图；

图2示出了本发明实施例一种可选的压电声波传感器及测试流道组件的示意图；

图3示出了本发明实施的底座示意图；

图4示出了本发明实施例的QCM传感器及其支架的正面示意图；

图5示出了本发明实施例的QCM传感器及其支架的反面示意图；

图6示出了本发明实施例的Lamb波及FBAR传感器电极背面腐蚀槽及其支架示意图；

图7示出了本发明实施例的Lamb波传感器电极一侧及其支架示意图；

图8示出了本发明实施例的FBAR传感器电极一侧及其支架示意图；

图9示出了本发明实施例的进样装置的剖面图；

图10示出了本发明实施例的旋转机构各组件的爆炸图。

附图标记：1-CCD支架，2-CCD，3-声波传感器及测试流道组件，4-系统支撑板，3-1-流道组件，3-2-声波传感器及支架，3-3-电极引出板，3-4-底座，3-5-定位凸起，3-6-定位卡销，3-7-旋转头，3-8-限位销，3-9-透视玻璃，3-10-固定套筒，3-11-限位销孔，3-12-阻液透视玻璃，3-13-密封圈，3-14-QCM传感器，3-15-QCM电极，3-16-定位卡槽，3-17-传感器支架，3-18-Lamb波或FBAR传感器，3-19-Lamb波或FBAR传感器腐蚀槽，3-20-Lamb波或FBAR传感器电极，3-21-光通道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供一种液相测量方法，如图1所示，在通过压电声波传感器与进样接触反应，得到所述压电声波传感器的谐振频率变化的同时，通过图像传感器拍摄所述进样在所述压电声波传感器表面上的反应过程，得到反应过程的图像信息。该图像传感器可以是电荷耦合元件(Charge Coupled Device，简称为CCD)，或者其它的图像传感器。压电声波传感器可以通过谐振频率的改变来反映其表面附着质量的变化。

本发明实施例中，由于压电声波传感器与图像传感器同时工作，因此，得到的谐振频率的信息和拍摄的图像信息可以通过时间轴联系在一起，提供后续的分析依据。

根据本发明实施例，当液相中的成分在压电声波传感器上发生反应时，导致该液相的硬度、粘性发生改变，从而使得压电声波传感器的谐振频率发生变化，进而导致输出的电信号随之变化，同时图像传感器采集到压电声波传感器表面的反应过程。以含有细胞的液相进样为例，当液相中的细胞从活性状态变为死亡状态的过程中，液相中成分的硬度或粘性会发生变化，从而使得压电声波传感器的谐振频率发生相应的变化，这一点从压电声波传感器输出的电信号可以得出；另一方面，在液相中的细胞从活性状态变为死亡状态的过程中，其呈现的形态也发生相应的变化，比如其中细胞的组织形态和颜色等，采用图像传感器拍摄出这一变化过程。

在分析时，由于压电声波传感器测量反应的同时，图像传感器同步进行拍摄，以将同一时刻的压电声波传感器输出的电信号与图像传感器采集到的图像信息结合，从而能够精确测量出在不同时刻点液相中各物质的相关参数及特性，为后续作进一步分析提供了条件。

本实施例提供一种液相进样装置，该液相进样装置可以用于液相测量系统，如图2所示，液相进样装置包括：底座3-4和流道组件3-1。

流道组件3-1设置在底座3-4上，其上设置有进样口和出样口，进样口和所述出样口之间设置有流道，流道上设置有接触槽，接触槽的底端设置有压电声波传感器，进样经过接触槽时与压电声波传感器3-2接触；接触槽的上方设置有用于向图像传感器提供光路的光通道，图像传感器用于拍摄压电声波传感器的表面反应过程。

本实施中，进样口和出样口分别设置在流道组件的相对面，流道的入口与出口分别对应着进样口和出样口，且流道的出入口的口径与出样口和进样口的口径相等。

根据本发明实施例，通过在流道组件的流道上设置有接触槽，该接触槽的上方设置光通道，从而为图像传感器提供了可拍摄压电声波传感器的表面反应过程的条件。该光通道为透明材质的实心结构，只在其底部留有供液相流动的流道。该结构不仅为图像传感器的测量提供了条件，也增强了流道的密封性，减少了外界因素对压电声波传感器的影响。这样，在液相测量的时候，可以直接观察到被测量在测量装置中的反应过程，并且，也能够检测到压电声波传感器的电信号，解决了现有技术中液相测量只能根据传感器输出的电信号间接得出被测量的情况，能够直观地观察到被测量在测量装置中的反应过程的问题，为液相测量提供了进一步检测或者研究的数据基础。

作为上述实施例的一种可选实施方式，如图3所示，底座3-4为U字形，两侧壁内侧上分别设置有定位卡销3-6；流道组件3-1顶端的两侧设置有与定位卡销3-6配合的定位凸起3-5，定位凸起3-5具有水平斜度，旋转流道组件3-1顶端，定位卡销3-6对定位凸起3-5产生向下的作用力，流道组件3-1固定在所述底座3-4上。

为了保持限位的一致性，在底座两侧壁内侧上分别设置有定位卡销3-6且在流道组件3-1顶端的两侧设置有与定位卡销3-6配合的定位凸起3-5，定位凸起3-5具有水平斜度，通过旋转流道组件3-1顶端，定位卡销3-6对定位凸起3-5产生向下的作用力，因而能通过旋转角度的不同实现限位功能，从而使得流道组件固定在底座上。

这种定位卡销3-6与定位凸起3-5之间配合的结构，不仅能保证流道组件的固定，还方便其拆卸清洗。拆卸时，只需沿定位凸起3-5斜度增大的方向上旋转流道组件，使得定位凸起3-5与定位卡销3-6分离即可。

同时为了保证进样流道的密封性良好，固定套筒3-10侧壁开有长槽3-11，同时旋转头3-7上的留有销孔，销轴3-8经销孔进入长槽3-11后通过长槽3-11某一侧的位置限定，使得定位凸起3-5在定位卡槽中每一次限定的位置均相同。

作为上述实施例的一种可选实施方式，压电声波传感器包括：QCM传感器、Lamb波传感器和FBAR传感器，其中，压电声波传感器的电极从与进样接触侧的相对侧引出。

QCM(Quartz Crystal Microbalance，石英晶体微天平，简称为QCM)传感器，其压电敏感器件通常由AT切石英晶体片和分布于晶体片两面的一组电极构成。由于石英晶体的压电效应，电极上施加交变电压会在晶体内部产生沿厚度方向传播的高频剪切波。当此敏感器件表面与液体接触或吸附微小质量时，器件中剪切波的振荡频率或幅值会发生变化，从而可以反映被测液体或表面吸附质量的变化。

本实施例中，如图4所示，QCM传感器3-14的背面包括引出和引入电极3-15，分别和电极引出板3-3上设置的引出电极对应。如图5所示，正面无电极一侧和密封圈3-13贴合，密封圈3-13的外径大于QCM传感器3-14的外径，而3-17为传感器支架，是密封圈3-13受力的部分，卡槽3-16为支架定位结构。

Lamb波(兰姆波)通常是指在自由边界固体板中的弹性波，当板的厚度与波长处于同一数量级时即大约只产生于一个波长的薄板内，板中的纵波和横波发生耦合，于是固体声波导中形成一种特殊形式的弹性应力波。这种弹性应力波必须要满足板的两个表面边界条件，在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度。薄板两表面的质点振动是纵波和横波成分之和，运动轨迹为椭圆形，长轴与短轴的比例取决于材料的性质。

FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator，薄膜体声波谐振器，简称为FBAR)传感器，其主要由三部分组成:上电极、压电薄膜、下电极。当有一交变电压信号施加于FBAR的上下金属电极上时，由于逆压电效应，压电层内便会产生体声波，体声波在上下电极间传播，在电极与空气的交界面处被反射，此时，又由于压电效应，上下电极便会产生一个射频信号。

本实施例中，如图6所示为压电声波传感器3-2和密封圈接触一侧的结构，包括Lamb波和FBAR两种传感器类型，其中腐蚀槽3-19通过干法或湿法腐蚀方式使硅基衬底厚度控制在10μm以内，获得相对QCM更高的质量灵敏度。如图7所示，其中Lamb传感器电极一侧，除地电极外，叉指电极3-20传递引入和引出信号，相应的，电极引出板3-3上需要布置4处电极。另外，如图8所示，一种FBAR传感器，和Lamb波传感器不同仅在于其电极不再是叉指电极，对应的引线除地电极外，仅有两条引线，和QCM引出方式十分类似。

由于压电声波传感器的电极设置在与进样接触侧的相对侧，使得压电声波传感器的电机信号从同一侧引出，保证了进样与电极的分离，从而避免了进样中的化学成分与压电声波传感器的电极产生反应，从而降低了压电声波传感器的使用寿命。

作为一种可选的实施方式，本实施例中，压电声波传感器设置在传感器支架上，传感器支架设置在电极引出板上，传感器支架的两侧设置有限位孔，与底座上设置的限位凸起配合实现限位。

本实施例中，压电声波传感器3-2下表面传感器电极一侧和电极引出板3-3上表面对应电极接触，该电机引出板3-3通过粘接或者螺纹连接等方式固定在底座3-4中间位置，而压电声波传感器3-2的传感器支架3-17两侧的卡槽3-16和经底座3-4的两只定位销分别限位，同时在流道组件3-1上对应位置开有两销钉孔对应底座3-4上销轴。

由于压电声波传感器3-2设置在传感器支架3-17上，在更换传感器时，只需更换整个传感器支架，不会涉及到压电声波传感器3-2本身，延长了传感器的使用寿命。此外，由于压电声波传感器3-2的电极设置在同一表面，保证了进样与电极的分离，从而避免了进样中的化学成分与压电声波传感器3-2的电极产生反应，从而降低了压电声波传感器3-2的使用寿命。

作为一种可选的实施方式，如图9和图10所示，本实施例中，流道组件3-1包括：固定套筒3-10，接触槽位于所述固定套筒的靠近所述底座3-4的一端，靠近所述底座3-4的一端侧壁上开有两通孔，一通孔用于连接进样口与接触槽，另一通孔连接接触槽和出样口，其中，光通道位于固定套筒3-10内；该流道组件还包括旋转头3-7，套接在固定套筒3-10的远离底座3-4的一端，旋转头3-7的侧壁上设置有限位销3-8，固定套筒3-10的远离底座3-4的一端侧壁上设置有与限位销3-8配合设置的限位销孔3-11。

本实施例中，旋转头3-7上设置有定位凸起3-5，该定位凸起3-5具有水平斜度。如图3所示，在底座两侧壁内侧上分别设置有与该定位凸起3-5配合的定位卡销3-6。该定位卡销3-6高度的最低点应该高于旋转头3-7上定位凸起3-5斜度最小点的高度，且定位卡销3-6高度的最高点应该低于旋转头3-7上定位凸起3-5斜度最大点的高度。通过旋转流道组件3-1顶端，定位卡销3-6对定位凸起3-5产生向下的作用力，因而能通过旋转角度的不同实现限位功能，从而使得流道组件固定在底座上。

本实施例中，固定套筒和旋转头之间为间隙配合，保证固定套筒在压紧过程中不旋转。套筒选取可耐大量液体介质的化学腐蚀套的材料，优选特氟龙聚四氟乙烯(Poly Tetra Fluoro Ethylene，简称为PTFE)和玻璃两种材料的结合，保证该套筒能够耐多种化学液体介质的腐蚀。

作为一种可选的实施方式，如图9和图10所示，本实施例中，包括密封圈3-13，密封圈3-13设置在固定套筒的靠近底座3-4的一端的卡槽中，密封圈3-13的外径大于压电声波传感器3-2的外径。

本实施例中，密封圈用于密封固定套筒的底部与压电声波传感器。固定套筒通过密封圈与传感器支架压紧，由于密封圈的半径大于压电声波传感器的外径，密封圈与仅与传感器直接接触压紧，这样可以避免将传感器压碎，传感器支架可以采用PET、塑料等材质。为保证进样与压电声波传感器最大面积的接触，该密封圈的外径最小应该与压电声波传感器的外径相等，但是，为了保证测量的精度，最好选用的密封圈的外径大于压电声波传感器的外径。

密封圈的使用使得该液相进样装置的密封性得到了保障，减小了外界因素对压电声波传感器的影响，保证了测量结果的精度，提高了测量的准确性，为一些液相的其他属性的研究提供了基础。

作为一种可选的实施方式，为了保证更好的密封性，本实施例中的密封圈3-13为L型密封圈。

本实施例中，该密封圈的材料为氟橡胶或硅橡胶。由于该L形密封圈，在安装时不需使用使唇张开的开口涨圈或菊花垫圈，使结构得以简化。另外，该L形密封圈与传感器支架接收受力面积大，密封性好，便于安装，具有较高的机械强度。

作为上述实施例的一种可选实施方式，如图9所示，本实施例中，光通道3-21贯穿流道组件3-1，其中设置有第一透视玻璃3-9，对光通道形成密封。

该第一透视玻璃位于光通道的顶部，为保证图像传感器采样时能够准确观察传感器表面样品的变化提供了观察口。此外，该第一透视玻璃嵌入在光通道顶部，其大小与光通道吻合，用于密封光通道。

本实施例中所述的进样在流道组件3-1中的流向如图9中的箭头所示，箭头所在的位置构成了整个流道。

本实施例中，第一透视玻璃3-9设置于光通道的顶部，即不遮挡光线有能密封。在液相测量的时候，透过第一透视玻璃3-9，能够直接观察到被测量在测量装置中的反应过程，为液相测量提供了进一步检测或者研究的数据基础。由于该装置中使用的是压电声波传感器3-2，外界压力的变化都会导致输出信号的改变，因此该装置对密封性要求较高。因此，将第一透视玻璃3-9嵌入在光通道顶部，消除了外界因素对光通道内部的压力的影响，提高了装置的密封性，为测量数据的精准性提供了条件。

作为一种可选的实施方式，本实施例中，如图9和图10所示，在接触槽内设置有第二透视玻璃3-12，该第二透视玻璃3-12底部与压电声波传感器3-2相隔预设距离，形成流动空间，进样从进样口进入到接触槽，在第二透视玻璃3-12的阻碍下进入到流动空间与压电声波传感器3-2接触。

本实施例中，第二透视玻璃3-12设置于光通道的底部，该第二透视玻璃3-12可以是一个直径小于或等于光通道直径的圆柱体，只不过在其相对于进样口的一侧和出样口的一侧，沿竖直方向或者斜向下切去两肩，将切肩之后的圆柱体竖直放置在接触槽中，以使得从进样口流入到接触槽时，在第二透视玻璃3-12的切肩位置的阻碍下，掉落到接触槽的底端，与压电声波传感器3-2接触。该第二透视玻璃3-12与第一透视玻璃3-9配合使用，能够直接观察到被测量在测量装置中的反应过程，为液相测量提供了进一步检测或者研究的数据基础。

需要说明的是，本发明实施例中，所述的光通道还可以是填充有透明材料的管道，也即是在流道组件3-1的中部填充透明材料，形成上述光通道，这样既能够实现透光，也能够避免进样溅射到光通道内，保证了气密性。

本实施例中，在第二透视玻璃3-12的底部设置有凹槽，凹槽的深度就是该第二透视玻璃3-12与压电声波传感器3-2相隔的预设距离，该凹槽可以是压电声波传感器3-2上用于反应的腐蚀槽。第二透视玻璃3-12左切肩与流道之间的空隙构成进样进入凹槽的入口，第二透视玻璃3-12的底部与凹槽的凹面之间构成进样的流动空间，第二透视玻璃3-12右切肩与流道之间的空隙构成进样流出凹槽的出口。如图9中箭头所示，进样从进样口进入流道，在第二透视玻璃3-12左切面的阻碍下进入凹槽，进样与压电声波传感器3-2接触，之后，从第二透视玻璃3-12右切面流出至出样口。

通过该第二透视玻璃，不仅为光通道提供了观察口，又为进样提供了流动空间。进样在流道中由于第二透视玻璃的阻碍作用进入凹槽，增大了进样在压电声波传感器上施加的压力，使得输出的电信号增强，提高了测量的精度。

固定套筒顶部和底部分别安装有第一透视玻璃和第二透视玻璃，保证图像传感器采样时能够准确观察压电声波传感器表面样品的变化。其中第一透视玻璃用于密封，通过过渡配合嵌入至固定套筒中；第二透视玻璃为进样的流动空间提供了基础。

本发明实施例还提供一种液相测量系统，本发明上述实施例所述的液相测量方法可以用于该液相测量系统中。

如图1所示，该系统包括：图像传感器2和液相进样装置3。本实施例所述的液相进样装置3为本发明上述实施例中所提供的液相进样装置，其具体结构和作用参见上述实施例，这里不做赘述。图像传感器2用于拍摄所述液相进样装置3中压电声波传感器3-2的表面反应过程。

根据本发明实施例，通过采用上述实施例所述的液相进样装置，其包含有可用于图像传感器进行拍摄的光通道，提供了可拍摄压电声波传感器的表面反应过程的条件，这样，在液相测量的时候，可以直接观察到被测量在测量装置中的反应过程，并且，也能够检测到压电声波传感器的电信号，解决了现有技术中液相测量只能根据传感器输出的电信号间接得出被测量的情况，能够直观地观察到被测量在测量装置中的反应过程的问题，为液相测量提供了进一步检测或者研究的数据基础。

作为一种可选的实施方式，本实施例的液相测量系统中，如图1所示，图像传感器2可活动地设置在图像传感器支架1上。该图像传感器支架1可以固定在系统支撑板4上。

图1所示为压电声波传感器液体测试系统总装图，其中包括CCD图中2及其支架1，CCD可沿着图中箭头方向进行滑动，当CCD的镜头中心线经驱动至其中心线与声波传感器及测试流道组件3的中轴线重合时，系统进入测试状态，支架1和组件3均安装于系统支撑板4上方。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。