【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于地质监测分析，具体涉及一种实验装置及实验方法，特别涉及一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验装置及实验方法。
技术介绍
1、近年来，随着黄河流域建设规模进程的不断扩大，对局部甚至全流域的生态气候变化均产生了严重的影响。积极应对气候变化，坚持山水林田湖草沙一体化保护的生态系统治理理念引起重大关注。特别是公路边坡，在降雨条件下，极具产生不稳定性因素。因此，考虑植被根系与边坡土体结构的耦合作用，能够应对一部分灾害效应相对不大的降雨冲蚀破坏。为进一步揭示植被根系对降雨条件下土体边坡稳定性的作用，单从宏观、细观实验和模拟已经无法更深入的了解降雨入渗影响机理效应。
2、而微流控芯片是当前的科技前沿领域之一，其作为研究新的技术平台，打破了传统方法的局限性，促进了生物及医学等领域的研究。一方面，其不仅具有集成度高、灵敏度高、高通量及试剂消耗少等优势，能够快速实现大规模数据分析；另一方面，芯片中微米级的通道结构可精确控制物质浓度梯度和微多相流体进而实现模拟降雨入渗土体情况下，流体的移动运移过程，揭示流体在土体中流动情况下的流速、流量、压力等参数的变化过程。由此，研究一种用于微米尺度检测植被根系引起的土体结构应力重分布的微流控芯片，能够为未来的研究理清新的探索方向。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就在于提供一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验装置，还提供了一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，以解决从微观角度更深层次的认识与了解植被根系对降雨入渗的调控和土体
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验装置，由显微镜、电脑数据采集装置、微流控高精密压力传感器、微流控高精密流量传感器、雷达探测应力数据采集仪、超声波回声定位探测应力数据采集仪以及微流控芯片与渗液供给装置组成；
4、所述显微镜与电脑数据采集装置之间电性连接，微流控高精密压力传感器、微流控高精密流量传感器、雷达探测应力数据采集仪与超声波回声定位探测应力数据采集仪分别与微流控芯片进行连接，用于采集实验数据；所述渗液供给装置用于向土样测试装置中注入渗液。
5、一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，包括以下步骤：
6、s1、制备出含有微孔隙通道的微流控芯片，设计三组具有不同孔隙的微流控芯片，分别通过不同的压力，模拟出大雨阶段、中雨阶段与小雨阶段时土体渗流的情况；
7、s2、通过激光刻蚀技术将设计出的孔隙转移到微流控芯片上，并与注入孔和引流通道连接，在孔隙中加入材料，模拟出待分析的土壤结构，键合封装得到所述微流控芯片；
8、s3、通过渗液供给装置向土样测试装置中注入渗液，模拟雨水的入渗过程，微流控芯片顶端上部施加水头，形成压力差，在大气压的压力和流体自身重力的作用下，渗液为带有红色颜料流体，从上到下在微孔隙中下渗运移；
9、s4、分别在三组孔隙中控制渗液的不同水头压力值，去模拟出不同降雨强度的底下水位变化；
10、s5、将微流控制芯片放置在显微镜下进行观察，通过微流控高精密压力传感器、微流控高精密流量传感器、雷达探测应力数据采集仪与超声波回声定位探测应力数据采集仪实时采集实验中产生的实验数据；
11、s6、对实验数据进行分析处理，对比不同流速与流量下，植被根系对土体渗流的影响情况，构建出微孔隙结构渗流运移作用的数学模型，对未来土体渗流进行分析预测。
12、更进一步地，步骤s1中，通过cad软件设计孔隙结构的掩模；孔隙结构分为三组，其中，一组用于模拟大雨阶段中植被根系土体渗流情况，另一组，用于模拟中雨阶段中植被根系土体渗流情况，余下的一组，用于模拟小雨中植被根系土体渗流情况。
13、进一步地，步骤s2中，利用光刻技术，将设计好的cad孔隙结构掩模放置在芯片的基底上，通过紫外光进行照射，将掩模上的图案转移至基体上，使用干法蚀刻去除未被光照射的部分，形成孔隙结构，芯片基底材料为硅；孔隙中的材料为透明土，由石英砂、硅石粉、矿物油与甘油构成，去模拟出自然土壤相似的物料力学性质，利用微加工技术在芯片上构建具有复杂孔隙结构的微通道网络，模拟土壤中的孔隙和裂隙。
14、进一步地，步骤s3中，渗液供给装置分为三组管道，分别与三组孔隙连通，施加水头位非机械驱动方式，通过在芯片上方施加水头高度，利用重力作用使流体自然流入孔隙中，在微流控芯片的上方设计一个稳定的水头装置，水头装置保持水位高度，并确保水流能够平稳地流入芯片中的微通道，通过调整水头装置中的水位高度，控制流入微通道中的流体流量和压力。
15、进一步地，步骤s5中，所述微流控高精密压力传感器，能够实时监测并精确测量微流体装置中的压力变化，通过转换压力信号为电信号，实现对流体压力的数字化处理和控制，用于测量与控制流体的压力；所述微流控高精密流量传感器，能够实时监测并精确测量微流体在微通道中的流量，用于测量与控制微流控芯片中的流量情况；所述雷达探测应力数据采集仪用于采集模拟的土体中应力的数据情况；所述超声波回声定位探测应力数据采集仪用于采集土体根系重塑应力分布变化状态。
16、进一步地，步骤s6中，数据分析阶段分为大雨阶段、中雨阶段与小雨阶段，大雨阶段中，微流控芯片中渗液流动快速，传感器实时监测渗流速度与渗流力数据，获取得到流动快速对土体渗流的情况，在中雨阶段中，微流控芯片中渗液流通匀速，而在小雨阶段中，微流控芯片中渗液流通缓慢。
17、更进一步地，流量的计算通过测量单位时间内通过芯片横截面的流体体积来计算流量，计算公式为：
18、q＝va
19、其中，q流量，v为流速，a为横截面积，用于对渗流的流量情况进行计算分析；
20、微流控芯片模拟降雨水体降落时与土体接触时的惯性力是在一个微缩的、可控的环境中模拟的过程，而计算雨水颗粒即微流控芯片中微液滴形式，撞击在模拟土壤中的冲击力，采用宏观尺度下动能转化方法，计算公式为：
21、
22、其中，e为惯性力，m为微液滴的质量，v为撞击速度；
23、更进一步地，在微流控芯片中模拟水体自身重力的计算，重力在微尺度下的影响小，但仍需考虑其影响，水体在微流控芯片中的重力计算公式为：
24、g＝pvg
25、其中，g为水体在微流控芯片中的重力，p为水体的密度，v为水体的体积，g为重力加速度。
26、进一步地，步骤s6中，数学模型建立首先对介质的微观孔隙结构进行描述，获取孔隙尺度、孔隙分布与孔隙连接性参数，建立描述流体流动和溶质运移的方程；对于微孔隙结构，采用布里渊方程构建模型，使用有限元法，对建立的数学模型进行数值模拟，对流体流动和溶质运移过程进行精确的模拟和计算，确定模型的边界条件和初始条件；边界条件包括流体入口和出口的速度、压力；初始条件则描述了模拟开始时介质的初始本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验装置，其特征在于：由显微镜、电脑数据采集装置、微流控高精密压力传感器、微流控高精密流量传感器、雷达探测应力数据采集仪、超声波回声定位探测应力数据采集仪以及微流控芯片与渗液供给装置组成；
2.一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤S1中，通过CAD软件设计孔隙结构的掩模，孔隙结构分为三组，其中，一组用以模拟大雨阶段中植被根系土体渗流情况，另一组，用以模拟中雨阶段中植被根系土体渗流情况，余下的一组，用以模拟小雨中植被根系土体渗流情况。
4.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤S2中，利用光刻技术，将设计好的CAD孔隙结构掩模放置在芯片的基底上，通过紫外光进行照射，将掩模上的图案转移至基体上，使用干法蚀刻去除未被光照射的部分，形成孔隙结构，芯片基底材料为硅；孔隙中的材料为透明土，由石英砂、硅石粉、矿物油与甘油构成，去模拟出自然土壤相似的物料力
5.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤S3中，渗液供给装置分为三组管道，分别与三组孔隙连通，施加水头位非机械驱动方式，通过在芯片上方施加水头高度，利用重力作用使流体自然流入孔隙中，在微流控芯片的上方设计一个稳定的水头装置，水头装置保持水位高度，并确保水流能够平稳地流入芯片中的微通道，通过调整水头装置中的水位高度，控制流入微通道中的流体流量和压力。
6.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤S5中，所述微流控高精密压力传感器，能够实时监测并精确测量微流体装置中的压力变化，通过转换压力信号为电信号，实现对流体压力的数字化处理和控制，用于测量与控制流体的压力；所述微流控高精密流量传感器，能够实时监测并精确测量微流体在微通道中的流量，用于测量与控制微流控芯片中的流量情况；所述雷达探测应力数据采集仪用于采集模拟的土体中应力的数据情况；所述超声波回声定位探测应力数据采集仪用于采集土体根系重塑应力分布变化状态。
7.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤S6中，数据分析阶段分为大雨阶段、中雨阶段与小雨阶段，大雨阶段中，微流控芯片中渗液流动快速，传感器实时监测渗流速度与渗流力数据，获取得到流动快速对土体渗流的情况，在中雨阶段中，微流控芯片中渗液流通匀速，而在小雨阶段中，微流控芯片中渗液流通缓慢。
8.根据权利要求7所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：流量的计算通过测量单位时间内通过芯片横截面的流体体积来计算流量，计算公式为：
9.根据权利要求7所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：在微流控芯片中模拟水体自身重力的计算，重力在微尺度下的影响小，但仍需考虑其影响，水体在微流控芯片中的重力计算公式为：
10.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤S6中，数学模型建立首先对介质的微观孔隙结构进行描述，获取孔隙尺度、孔隙分布与孔隙连接性参数，建立描述流体流动和溶质运移的方程；对于微孔隙结构，采用布里渊方程构建模型，使用有限元法，对建立的数学模型进行数值模拟，对流体流动和溶质运移过程进行精确的模拟和计算，确定模型的边界条件和初始条件；边界条件包括流体入口和出口的速度、压力；初始条件则描述了模拟开始时介质的初始状态，通过实验数据，验证建立的数学模型的准确性，并不断的调整参数优化模型，通过数学模型来分析出土体渗流情况。
...【技术特征摘要】
1.一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验装置，其特征在于：由显微镜、电脑数据采集装置、微流控高精密压力传感器、微流控高精密流量传感器、雷达探测应力数据采集仪、超声波回声定位探测应力数据采集仪以及微流控芯片与渗液供给装置组成；
2.一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤s1中，通过cad软件设计孔隙结构的掩模，孔隙结构分为三组，其中，一组用以模拟大雨阶段中植被根系土体渗流情况，另一组，用以模拟中雨阶段中植被根系土体渗流情况，余下的一组，用以模拟小雨中植被根系土体渗流情况。
4.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤s2中，利用光刻技术，将设计好的cad孔隙结构掩模放置在芯片的基底上，通过紫外光进行照射，将掩模上的图案转移至基体上，使用干法蚀刻去除未被光照射的部分，形成孔隙结构，芯片基底材料为硅；孔隙中的材料为透明土，由石英砂、硅石粉、矿物油与甘油构成，去模拟出自然土壤相似的物料力学性质，利用微加工技术在芯片上构建具有复杂孔隙结构的微通道网络，模拟土壤中的孔隙和裂隙。
5.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤s3中，渗液供给装置分为三组管道，分别与三组孔隙连通，施加水头位非机械驱动方式，通过在芯片上方施加水头高度，利用重力作用使流体自然流入孔隙中，在微流控芯片的上方设计一个稳定的水头装置，水头装置保持水位高度，并确保水流能够平稳地流入芯片中的微通道，通过调整水头装置中的水位高度，控制流入微通道中的流体流量和压力。
6.根据权利要求2所述的一种植被根系土体渗流分析的微流控芯片实验方法，其特征在于：步骤s5中，所述微流控高精密压力传感器，能够实时监测并精确测量微流体...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄奕斌，刘晓歌，吕小曼，郑元勋，郭进军，蔡迎春，徐平，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：
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