（模式识别与智能系统专业论文）基于micropiv技术的电动微流体测量研究.pdf

段仁庆：基于m i c r o - p w 技术的电动微流体测量研究 摘要 m i c r o p i v ( m i c r op a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) & p 显微粒子图像测速技术是2 0 世纪9 0 年代末在传统p i v 技术之上产生和发展起来的对微尺度流动的全场观测技术。它运用现 代计算机技术、激光技术和数字图像处理技术，突破了只能进行单点测量的传统方法， 实现了高精度、无接触干扰的微流体全场观测。 本文使用倒置荧光显微镜、荧光示踪粒子、激发光源、c c d 、高压电源等构成 m i c r o p i v 系统的硬件部分。分析倒置荧光显微镜、c c d 、激发光源的性能参数；计算 荧光示踪粒子在焦平面的有效直径及不同参数下的相关深度；估算布朗运动引起的测量 误差；开发了用于微流体驱动的高压电源，高压输出0 - 8 0 0 0 v ，电压的最小分辨率为 1 9 5 v ，实际输出电压波动3 - 5 v 。 给出完整的m i e r o - p i v 图像处理算法实现过程，包括图像的实时采集、预处理、图 像计算方法、亚像素算法、错误矢量的剔除、插值等。通过分析最大可测量位移量、空 间分辨率和速度梯度对粒子图像计算的影响，结合模板匹配算法、多栅格算法和金字塔 算法得到多分辨率、高精度、快速的模板匹配算法。该算法不仅仅在精度上高于其它互 相关算法，更由于采用了金字塔算法使计算量大大减少，提高了计算速度。对日本可视 化研究协会提供的标准粒子图像采用不同大小窗口计算，结果显示平均位移误差小于 o ，0 5 p i x e l ；利用己知位移分别为0 - l p i x e l 和3 - 4 p i x e l 的粒子图像，考查了各种算法计算 结果的误差，本算法计算结果的基本偏移误差约等于零，随机误差和总体误差都小于 o 0 2 p i x e l 。 使用m i c r o p i v 技术测量等宽弯曲微沟道中流体速度，分别测量在4 0 v 、6 0 v 、8 0 v 驱动电压下的流场。考查了弯曲微沟道顶部和两边直沟道部分的流场，结果显示沿弯曲 微沟道内径的流速大于沿外径的流速，沿横截面方向速度呈线性减小；流体平均速度和 驱动电压基本呈正比关系。 关键词：m i c r o _ p i v ；模板匹配；金字塔算法；微流体 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ne l e c t r o k i n e t i cm i c r o f l o wm e a s u r e m e n tb a s e do nm i c r o p i v a b s t r a c t m i c r o - p i v ( m i c r op a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) i sa m o d i f i c a t i o no fp ( p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ) w h i c hi saw e l l e s t a b l i s h e dt e c h n i q u ef o rm a c r o s c o p i cf l o w si no r d e rt oa c c e s s m i c r o s c a l ed e v i c e si nt h el a t eo f1 9 9 0 s i tb a s e so nm o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g y 1 a s e r t e c h n o l o g ya n dd i g i t a li m a g ep r o c e s st e c h n o l o g yt op r o v i d ea no p t i c a l ，n o n i n t r u s i v e m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ep e r m i t t i n gd e t a i l e dw h o l ef l o w 丘e l dm e a s u r e m e n t si nm i c r o s c a l e d e v i c e s t h eh a r d w a r eo fm i c r o - p ws y s w mh a sb e e nd e v e l o p e dw i t hi n v e r t e de p i - f l u o r e s c e n c e m i c r o s c o p e ，f l u o r e s c e n c ep a r t i c l e ，u g h t m g ，c c d ，h i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l ya n ds oo n 1 1 坞 p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fh a r d w a r ec o m p o n e n t sa r ea n a l y z e d t h ee f f e c t i v ed i a m e t e r i n - o g p l a t e ，c o r r e l a t ed e p t h sw i t ht h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e da n db r o w nm o t i o n e r r o ri se s t i m a t e d n l ea p p l i e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yt h a t r a n g e df r o m0t o8 0 0 0 vh a v eb e e nf i n i s h e d 1 1 1 em i n i m u mo u t p u tv o l t a g er e s o l u t i o ni s1 9 5 v a n dr i p p l eo f o u t p u tv o l t a g ei s3 - 5 v t h ew h o l em i c r o - p i m a g ep r o c e s sa l g o r i t h mw h i c hi n c l u d e si m a g er e a l - t i m e c o l l e c t i o n ，i m a g ep r e - p r o c e s s ，e v a l u a t i o na l g o r i t h m ，s u b - p i x e la l g o r i t h ma n dd e l e t et h ew r o n g v e c t o r si sd e s c r i b e d ad e t a i la n a l y s i so nt h el i m i t a t i o n ss u c h 鹊m a x i m u mm e a s u r a b l e d i s p l a c e m e n t ，s p a t i a lr e s o l u t i o n ，a n dv e l o c i t yg r a d i e n t i sd i s c u s s e d a n dam u l t i s p a t i a l r e s o l u t i o n ，h i g h a c c u r a c ya n ds p e e d ya l g o r i t h m ，w h i c hc o m b i n e dt h ep a t t e r nm a t c h i n g ， m u l t i 一鲥da l g o r i t h ma n dp y r a m i da l g o r i t h m ，h a sb e e nb u i l d i h sa l g o r i t h mi sn o to n l ym o r e a c c u r a c yt h a nt h eo t h e rc o r r e l a t i o n - b a s e da l g o r i t h m sb u ta l s oa tt h ee x p e n s eo fl o w e r c o m p u t a t i o nc o s t sb yu s e dt h ep y r a m i da l g o r i t h m n l er e s d tt h a te v a l u a t e dt h es t a n d a r d p a r t i c l ei m a g e sp r o v i d e db yv s jw i t hd i f f e r e n ti n t e r r o g a t ew i n d o ws h o w st h ea v e r a g e d i s p l a c e m e n te h o rl e s st h a no 0 5 p i x e l t h cb i a se r r r o ri sn e a r l yz e r o ：r a n d o me r r o ra n dt o t a j e r r o ra r eb o t hl e s st h a n0 0 2 p i x e lb ye v a l u a t e dt h es y n t h e t i cp a r t i c l ei m a g et h a th a v ek n o w n d i s p l a c e m e n ta t0 - i p i x e la n d3 - 4 p i x e l t h em i c r o p i vt e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dt om e a s u r ev e l o c i t i e si nu l l j 五o r l nw i d t h c u r v e dm i c r o c h a n n e lt h a tu n d e r4 0 v 6 0 va n d8 0 vd r i v ev o l t a g e 1 1 1 e t o pc u r v e d m i c r o c h a n n e ls e c t i o na n ds 廿a i 建h ts e c t i o nh a v eb e e na n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w 血ev e l o c i t y a l o n gi n n e re d g ef a s t e rt h a nv e l o c i t ya l o n go m e re d g ea n dt h ea v e r a g ev e l o c i t yi sl i n e a rw i t h t h ed r i v ev o l t a g e k e yw o r d s ：m i c r o - p i v ；p a t t e r nm a t c h i n g ；p y r a m i da l g o r i t h m ；m i c m f l o w 本文由以下基金资助完成，特此感谢! l 、国家自然科学重大基金项目( n o 5 0 1 3 5 0 4 0 ) “微 机电系统中若干关键机械学问题”子课题一“典型微流体 器件输运特性研究 项目 2 、浙江大学流体传动与控制国家重点实验室开放基金 ( n o g z k f 2 0 0 4 0 0 4 ) 项目 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 髟僵y 存、 日期：! ! ! ! 兰! ! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 靓定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：丛篁弧 导师签名 三仁 一 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 近年来随着微米、纳米技术的迅猛发展和m e m s ( m i c r oe l e c t r o n i cm e c h a n i c a l s y s t e m ，m e m s ) 技术的进步，各种微流体器件如微泵、微阀、微流控芯片等的出现和应 用，一方面显示了m e m s 技术的巨大应用潜力和商业价值，另一方面要求不断完善微 观尺度下流体理论。微流体测量技术不仅是提供测量微流体器件性能的必备工具，而且 对于探索微观尺度流体的传输机理具有重要的意义。特征尺寸的变化对流体测量技术提 出了新的要求和挑战，使之能够在微观尺度下保证足够的测量精度，随着光纤技术、数 字图像处理技术和计算机技术的日益成熟和完善，微流体测量技术也得到了新的发展。 目前，微流体的驱动种类很多，采用的原理和形式不尽相同。如按原理来分，可分 为压力驱动、电驱动、热驱动、表面张力驱动、离心力驱动等。其中，电驱动方法简单、 无可动部件、容易在微沟道中应用。该方法虽然没有机械阀，却可以通过电压的切换实 现阀的动作，所以被广泛应用在微生化分析领域，是目前较成熟和效率较高的微流体驱 动技术。电动微流体测量技术是电动微流体技术和理论研究深入化的必要基础，目前这 一技术的研究正逐渐成为微流体中的一个重要研究方向。 1 1 电动微流体测量技术 宏观流速测量中常用的方法有热线风速仪【l 。】、激光多普勒测速仪吲、p i v ( p a r t i e l e i m a g ev e l o c i m e t r y ) t ”。热线风速仪是一种测量流场瞬时速度的成熟方法，它将直径 5 - 1 0 1 a m 的铂钨丝作为热线探头，介质流过探头时，热线电流会随着温度的变化而变化。 它的优点是探头的响应时间短，灵敏度高，可以测量高频的气流和流速很低的流动；缺 点是对流场有干扰。激光多普勒测速仪是利用光学多普勒效应测量流动速度，用一束激 光照射到注入流体中的运动微粒，采用光外差技术或干涉条纹原理，测出微粒散射光的 多普勒频移，然后换算成流体的速度。激光多普勒测速仪具有空间分辨率高，动态响应 快，测量精度高，对流场无干扰等优点，因此是目前在流动测试中一种先进的测量方法； 但是这种方法适合于单点测量，并且对实验要求高。p i v 技术是在流场中放置示踪粒子， 通过分析粒子图像序列，得到流场速度矢量。它突破了只能进行单点测量的传统方法， 实现高精度、无接触测量干扰的二、三维全流场观测。 在电动微流体速度测量当中，放置热线探头、或探针不仅会受到器件尺寸的限制， 还要考虑电场对仪器的影响。目前对电动微流体速度的测量存在有称重法、电流监测法、 激光诱导荧光技术、m i c r o p i v ( m i c r op a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 等方法。 段仁庆：基于m i e r o - p i v 技术的电动微流体测量研究 1 1 1 称重法 称重法【1 是最简单、最普通的微流体速度测量方法，电动流体典型的称重法装置 如图1 ，1 所示【3 】。它包括高压电源，用来提供高压电场驱动流体；微量天平，监测储液 池的重量变化。在一个1 - l o s 的时间间隔里使用微量天平来监测储液池的重量变化，通 过简单的平均计算得到流体的平均速度。在称重法测速过程中，蒸发效应对低速的流动 影响显著，甚至导致实验的失败，其它的影响包括环境温度、湿度，还有空气流对微量 天平的作用等。 图1 1 称重法 f i g 1 _ 1s c h e m a t i co f w e i g h i n gs e t u p 微量天平 1 1 2 电流监测法 电流监测澍5 川是一种方便和简单的微流体测速技术，测量装置如图1 2 所示嘲。主 要包括高压电源提供电场驱动流体；精密电阻和电压表，精密电阻串联在回路中，回路 中电流的变化就会通过电压表反映出来。 图1 2 电流法 f i g 1 2s c h e m a t i co f c u r r e n t m o n i t o r i n gs e t u p 大连理工大学硕士学位论文 其基本原理是利用电导率的变化，在两个储液池里分别加入不同浓度的缓冲溶液 a 、b ，其中缓冲溶液a 充满沟道，驱动缓冲溶液b ，随着液体的流动，沟道里的电导 率是变化的，当缓冲溶液b 充满整个沟道时，电导率将不再变化。已知沟道的长度和电 导变化时间即可以得到平均速度。图1 3 是使用9 r e t o o l 和1 0 m m o l 的硼砂缓冲液测量玻 璃沟道电渗流时的电流随时问变化副引。 图1 3 电流随时间变化图 f i g 1 3r e s u l to f c u r m n tv st i m e 电流监测法的实验装置和操作都很简单，两端储液池电导率的差别越大，所得的电 信号就越强，但同时由于高的电导率差别，在两缓冲液交接面的离子浓度变化大，导致 双电层变化和内部压力产生，引起流体扰动。通常两端储液池缓冲溶液浓度差小于1 0 最优值，避免高电导率差引起流体扰动。 1 1 3 激光诱导荧光技术 激光诱导荧光( l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ，l i f ) 技术是近几年发展起来的具有更高 分辨率的流体观测方法p “j 。通过在流场增加荧光物质，获得高对比度的图像，从而提 高实验数据的准确性。并且有些分析样品溶液具有激发产生荧光的性质，因此广泛应用 在微流控芯片的实验分析中，图1 4 是激光诱导荧光的典型装置【9 】，由n d ：y a g 激光器、 荧光显微镜、c c d 、时钟控制器，汞灯，分色镜及其它一些辅助装置组成。n d ：y a g 激 光器发射一定波长的激发光，微沟道中荧光物质受激光激发后发射大于激发光波长的 光，经过分色镜在c c d 上成像，在一定的时间间隔下曝光，得到荧光物质在流场中位 置的图像序列，经计算处理可得流体速度。 段仁庆：基于m i c r o - p i v 技术的电动微流体澳4 量研究 图1 4 激光诱导荧光装置 f i g 1 4s c h e m a t i co f l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c es e r a p m o l o 1 2 i 利用激光诱导荧光技术测量1 2 0 i _ t m 宽、9 u m 深的矩形沟道流体速度，图1 5 是不同时刻的荧光图像，可以看出，在0 时刻荧光物质比较集中，随着时间的推移，荧 光物质在流场中有扩散的效应，扩大了荧光的带宽，影响计算的精度。温度、流体速度 和流体粘度是影响扩散效应的主要因素，扩散系数与湿度成正比，与速度、粘度成反比。 图1 5 不同时刻的荧光图像 f i g 1 5f l u o r e s c e n c ei m a g ea td i f f e r e n tt i m e 激光诱导荧光不仅可以计算速度，还可以用来表示流场的形态，2 0 0 0 年d a v i d s i l l t o n 【1 3 用l i f 显微观测法对电渗流进行了研究，数据处理得到了1 0 0 m 中电渗流的 速度及形态图像( 图1 6 ) ，2 0 0 3 年研究了不同横截面结构微沟道中流体的流形【1 4 】( 图 1 7 ) 。 大连理工大学硕士学位论文 n q l 叫 图1 6 流体形态 f i 9 1 6f i g u r eo f f l o w l h 鲫r e c a q m m c # 列峨q 唧i c 埘铆嘲娜e 燕 粕_ 酗i “ 图1 7 不同沟道的电渗流流形 f i g 17f i g u r e so f e o fi nd i f f e r e n tc h a n n e l s 上述三种电动微流体测量方法中，称重法和电流监测法只能求得流体的平均速度， 激光诱导荧光技术可以反映流体的速度和流形，对流体的测量干扰小，但分辨率较低， 受扩散影响大。而m i c r o p i v 是一种全场的速度测量技术，精度高、无接触测量干扰等 优点促使越来越多的学者来研究和发展这种测量技术。 1 2m i g r o p l v 技术 1 2 1m i g r o p l v 技术的发展及现状 p i v 是2 0 世纪8 0 年代提出的定量测量流场参数的技术，它是在传统的流场显示技 术基础上，运用计算机和图像处理技术而发展的流场观测技术，突破了只能进行单点测 量的传统方法，实现高精度、无接触测量干扰的二、三维全流场观测。近年来随着微、 纳米技术的迅猛发展和m e m s 技术的进步，各种微流体器件如微泵、微阀、微流控芯 片等的出现和应用，解决器件中微流场的观测已成为当务之急。m i c r o p i v 即显微粒子 图像测速技术是2 0 世纪9 0 年代末在传统p i v 技术之上产生和发展起来的对微尺度流动 的全场观测新技术。 b r o d y 等d s 在1 9 9 6 年使用增强型c c d 记录横截面为1 1 7 2 1 a m 的硅沟道中的粒子 图像是最早应用粒子进行微流体的测量。l a n z i l l o t o 等【1 6 1 9 9 6 年使用x 射线照射，c c d 记录微管道中i 一2 0 i _ t m 的感光乳剂小液滴的运动，测量直径为5 0 0 1 0 0 0 p m 的微管道中流 体速度，给出直径8 4 0 9 m 的管道轴向体速度为7 - 1 4 i t m s 。1 9 9 8 年s a n t i a g o 等 1 7 】第一次 成功搭建m i c r o - p i v 系统，该系统( 图l _ 8 ) 由荧光显微镜、增强型c c d 、3 0 0 r i m 直径 的示踪粒子和汞灯等构成。利用该系统测量一个绕直径为3 0 9 m 的圆柱体的h e l e s h a w 段仁庆：基于m i c r o - p i v 技术的电动微流体测量研究 流，采用多幅图像的平均互相关算法得到速度矢量分布( 图1 ，9 ) ，其空间分辨率达到 6 9 6 9 1 s g m 。 图1 8m i c r o p i v 组成示意 f i g 1 8s c h e m a t i co f a m i c r o - p i v 图1 9 速度矢量分布 f i g 1 9v e c t o rf i e l do f v e l o c i t y m e i n h a r t 等 1 8 1 改进了实验系统( 图1 1 0 ) ，使用倒置荧光显微镜、双脉i 中n d ：y a g 激光器、1 3 0 0 x1 0 3 0 像素的1 2 位c c d 、注射泵和2 0 0 r i m 荧光粒子测量横截面为3 0 3 0 0 i _ t m 的微沟道中的压力流。 图1 1 0m i c r o p i g 组成示意 f i g 1 1 0s c h e m a t i co f a m i c r o p i v 注射泵用来驱动微沟道中带荧光粒子的液体，系统使用两个n d ：y a o 激光器，可以 在n s 级的时间间隔下激发荧光粒子，缩短时间间隔可以得到更大的动态速度范围，荧 光粒子在受到5 3 2 n m 波长的激发光激发时，发射5 6 0 r i m 波长的光，经荧光显微镜和分 大连理工大学硕士学位论文 色镜在c c d 上成像。采用5 0 对粒子图像平均互相关算法计算出速度矢量( 图1 11 ) 并 和理论计算结果比较( 图1 1 2 ) ，可看出实验结果和理论值基本一致。 图i 1 1 速度矢量分布 f i g 1 1iv e c t o rf i e l do f v e l o c i t y _ - 叶”哪 图1 - 1 2 实验结果和理论值比较 f i g 1 1 2c o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n ta n d t h e o r y 2 0 0 2 年，w e r e l e y 等1 卵采用7 0 0 r i m 聚苯乙烯荧光粒子，测量最窄处宽度1 9 u m 、高 3 0 0 p m 的微喷头( 图1 1 3 ) 内部流场。l o 幅粒子图像处理得速度矢量分布( 图1 1 4 ) ， 空闻分辨率达到6 4 x1 9 1 j m 。 图1 1 3 微喷头的结构 f i g 1 1 3s t r u c t u r eo f m i c r o - n o z z l e 图1 1 4 速度矢量分布 f i g 1 1 4v e c t o rf i e l do f v e l o c i t y 2 0 0 2 年d e v a s e n a t h i p a t h y 掣2 0 研究电动微流体，测量了横截面为4 0 4 0 0 肛m 的直 沟道流场( 图1 1 5 ) 和十字沟道流场( 图1 1 6 ) ，实验结果与c f d a c e + 仿真结果比较 吻合，并根据实验结果建立流动模型。2 0 0 3 年他们又分别用m i c r o p i v 、粒子跟踪法和 数值计算，证明在5 0 1 t m 尺寸范围内流体行为满足宏观流体理论口”。 段仁庆：基于m i c r o - p i v 技术的电动微流体测量研究 图1 1 5 直沟道速度矢量分布 f i g i 1 5v e c t o r f i e l do f v e z o c i t y i n d i r e c t c h a n n e l y l p m ) 图1 1 6 十字沟道速度矢量分布 f i gi 1 6 v e c t o r f i e l d o f v e l o c 姑i n c r o s sc h a n n e l 2 0 0 2 年，k i m 等嘲利用m i c r o p i v 对t 行沟道电渗流测量并和数值仿真结果比较， 测量结果和数值仿真计算结果吻合。2 0 0 4 年，他们又利用m i c r o p i v 对y 型沟道中两种 液体进行测量【2 3 l 。 图1 1 7 数值模拟结果 f i g 1 1 7t h e r e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 图1 1 8m f c r o - p i v 计算结果 f i g 1 1 8t h er e s u l t o f m i c r o - p i v 国内主要有浙江大学流体传动及控制凰家重点实验室【2 4 】、大连理工大学m s t 中心 2 5 - 2 6 、清华大学【2 7 1 等单位在作m i c r o p 技术的研究。我国对于m i c r o p i v 技术的研究 还处于剐起步阶段，在实际应用当中还存在很多问题：照明方式、粒子跟随性、图像处 理算法等，因此深入开展m i c r o p i v 技术理论和应用的研究很有必要。图像处理算法是 m i c r o p i v 技术理论研究的重点之一，它直接决定计算结果的精度和可靠性。按照粒子 浓度高低图像处理算法可以分为低浓度的粒子跟踪算法，高浓度的诊断窗算法和模板匹 配算法。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2m j c r o - p i v 算法综述 基于相关函数的图像处理算法是m i c r o p i v 技术中最常用的算法，正是a d 4 m 1 2 8 】 的开创性工作，把相关算法引用到p i v 的粒子图像处理中，才使p i v 技术进一步成熟， 得到广泛的应用。m i c r o p f v 算法主要有基于相关函数的诊断窗算法、粒子图像模板匹 配算法和粒子跟踪算法。 ( 1 ) 基于相关函数的诊断窗算法 基于相关函数的诊断窗算法是目前运用最多的算法，分自相关算法和互相关算法两 种，a d r i a n 2 8 1 、k e a n ea n d a d r i a n 2 9 - 3 0 l 都对这种算法进行了描述。 自相关算法： 自相关算法是针对单幅双曝光及多曝光的粒子图像，不同时刻的粒子在同一幅图像 中存在( 图1 1 9 ) ，通过自相关运算： r ( m ，”) = ，( ，矿( f + 地，+ h ) 邝= 辟缆筹叫 式中，( 暑y ) 是诊断窗e l 图像矩阵，r ( m ，一) 为相关值，m ，n 为诊断窗口大小，根据 自相关原理，r 在( 0 ，o ) 点处为自相关峰值点，次峰值点的( m ，一) 就是图像移动的位移( 图 1 2 0 ) 。自相关算法存在两个次峰值点，需要额外的位移方向判断，并且多次曝光使粒 子图像的信噪比降低，噪声对相关值的影响大。 图1 1 9 双曝光粒子图像示意 f i g 1 1 9s c h e m a t i co f d o u b l e - e x p o s u r ep a n i c l ei m a g e 图1 2 0 自相关算法 f i g 1 2 0a u t o c o r r e l a t i o n 段仁庆：基于m i c 心p 技术的电动微流体测量研究 互相关算法： 与自相关比较，互相关算法计算的粒子图像是单幅单曝光形式( 图1 2 1 ) ，图像的 信噪比高，通过互相关的计算仅仅存在一个相关峰值点，位移和方向被唯一确定，所以 互相关算法是p r v 系统中采用最为广泛的一种算法，互相关算法定义； r ，n ) = 邝，j ) g ( i + m ，+ 月) 即搠= 誉篇嚣罗洲 ( 1 2 ) 式中，( i ，n g ( i , d 分别为两幅图像的诊断窗口图像矩阵，域m ，一) 为相关值，m ，n 为 诊断窗口大小，相关峰值对应的( 琨一) 即为图像位移( 图1 2 2 ) 。 图1 - 2 1 单曝光粒子图像示意 f i g 1 2 1s c h e m a t i c o f d o u b l e - e x p o s u r e p a r t i c l e b a g e 图i 2 2 互相关算法 f 逸i 2 2c r o s s c o r r e l a t i o n w i l l e r ta n dg h a r i b 3 ”、w e s t e r w e e l l 3 2 j 把f f t 技术应用到p 的相关计算，提出d p i v ( d i g i t a lp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e 扛y ) 概念，图1 2 3 是运算过程。f f t 的使用加速了图 像的相关计算，但诊断窗口的大小要满足2 “，g u ia n dm e r z k i r c h t 3 3 】采用加零填充的方法 可以使用任意大小的诊断窗1 2 。为提高大位移下的计算精度，w i l l e r t 3 4 1 应用了离散窗口 偏移技术，第二幅图像诊断窗口根据前一次计算的位移量偏移，减小了粒子进入或跑出 诊断窗口带来的计算误差。g u i 3 5 1 应用了连续窗口偏移技术，首先计算一个偏移量，再 采用双线性插值的方法求得非整数位置上的图像灰度值，经过多次迭代，可以很好的降 低峰值锁定( p e a k - l o c k i n g ) 影响。 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 3f 盯加速运算过程 f i g 1 2 3p r o c e s so f f f ta c c e l e r a t e ( 2 ) 粒子图像模板匹配算法 h u a n g 等【3 6 1 、k e m m e r i c ha n d p a t h 3 7 1 把模式识别中的模板匹配算法应用到粒子图像 的识别，定义为： r ( m ，哪= 厂( f ，培0 + m ，+ 砷 i = lj = l ( 1 3 ) 式中，f ( i ，j ) ，g ( i ，) 分别为两幅图像的诊断窗口图像矩阵，e ( m ，一) 为相关值，m ，n 为 诊断窗口大小，最大相关值对应的( ”，功即为图像位移。现在的g ( f ，) 的大小已经被扩大 了( 图1 2 4 ) ，相当于在一个搜索区域内进行相关计算。 图1 2 4 扩大第二幅图像窗口 f i g 1 , 2 4e x p a n dt h es e c o n di m a g ew i n d o w o k a m o t o 等【3 8 】修改了式( 1 3 ) ，毡n 占( f | 力分别减去他们的平均值： m r ( m ，力) = u ( f ，j ) - f ) ( g ( f + m ，+ h ) 一；) i = i 一l ( 1 4 ) 段仁庆：基于m i e r o - p i v 技术的电动微流体测量研究 通过减平均来消除不周时刻粒子图像的灰度变化，迸一步提高算法的鲁棒性，g u i 3 9 提出m a q 算法，并实现了f f t 加速的m a q 算法，m a q 算法也是图像的模板匹配， 它是求两幅图像对应灰度的差方和： mn e ( m ，行) = ( 厂( f ，- ，) 喈“+ 所，_ ，+ 厅) ) 2 l = l = 1 ( 1 5 ) m a q 算法在噪声小的情况下有着高的精度，利用f f t 加速也能实现快速计算，但 由于采用的是差方和，受噪声的影响大。 ( 3 ) 粒子跟踪算法 粒子跟踪算法应用于低粒子浓度条件下，b i c c 4 0 l 和四幅图像跟踪【4 1 1 都是常用的算 法，b i c c 算法是对二值化的粒子图像处理，在第一幅图像中根据粒子的位置和位移半 径确定第二幅图像中的候选粒子，然后计算每个候选粒子和第一幅图像粒子的相似度， 最大相似度的候选粒子就是匹配的粒子，见示意图1 2 5 所示。 图1 2 5b i c c 算法 f i g 1 2 5b i c ca l g o r i t h m 大连理工大学硕士学位论文 四幅图像跟踪法是基于四幅连续图像的处理方法，其基本原理是：在第一幅图像中 选择一个参考粒子，在第二幅图像中粒子位移的最大范围内所有粒子为候选粒子，连接 参考粒子和所有的候选粒子，在它们连线的延长线附近从第三幅图像寻找候选粒子，第 四幅图像也一样的处理，如果从第一幅图像的参考粒子到第四幅的候选粒子连线光滑的 话，这些粒子为同一粒子( 图1 2 6 ) ，光滑程度的评价用连线的偏转角，偏转角的和越 小越光滑。 图i 2 6 四幅图像跟踪算法 f i g 1 2 6f o u rp a r t i c l ei m a g e 慨ea l g o r i t h m 粒子跟踪法的关键技术在于确定每个查询粒子的位置和在图像序列中匹配到同一 个粒子，它的优点是测量的速度动态范围大，受速度梯度影响小，缺点是计算方法复杂 计算量大，要求粒子浓度小，测量流场不连续，易导入误差。 1 3 本论文的主要工作 综上所述，对于m i c r o p i v 技术的研究还处于刚起步阶段，在实际应用当中还存在 很多问题：照明方式、粒子跟随性、图像处理算法等，因此深入开展m i c r o p i v 技术理 论和应用的研究很有必要。本文主要针对m i c r o p i v 的硬件系统组成、粒子图像处理算 法和弯曲沟道电动微流体速度测量实验来讨论：， l 、使用倒置荧光显微镜、荧光示踪粒子、激发光源、c c d 、高压电源等构成m i c r o p i v 系统的硬件部分。分析倒置荧光显微镜、c c d 、激发光源的性能参数；计算荧光示踪粒 子在焦平面的有效直径及不同参数下的相关深度：估算布朗运动引起的测量误差；完成 高压电源硬件电路的设计及电源控制程序的编写。 段仁庆：基于m i c 睁p 技术的电动微流体测量研究 2 、给出完整的m i c r o - p 图像处理算法实现过程，包括图像的实时采集、预处理、 图像计算方法、亚像素算法、错误矢量的剔除、插值等；通过分析最大位移量、空间分 辨率和速度梯度对粒子图像计算的影响，结合模板匹配算法、多栅格算法和金字塔算法 得到多分辨率、高精度、快速的模板匹配算法。分别对日本可视化研究协会提供的标准 粒子图像和模拟已知位移量的粒子图像计算来校验本算法。 3 、使用m i c r o p i v 技术测量等宽弯曲微沟道中流体速度，分别测量在4 0 v 、6 0 v 、 8 0 v 驱动电压下的流场。考查了弯曲微沟道顶部和两边直沟道部分的流场。 大连理工大学硕士学位论文 2 电动微流体理论 电动微流体即电渗流驱动是一种新兴的技术，它在微泵及微全分析系统中有着广泛 的应用。电渗流( e l e c t r o o s m o t i cf l o w ，e o f ) 不仅不需要运动部件，而且进出口处的容积不 需变化就能实现压力的提升，这使得电渗流泵的结构更为紧凑，更易于控制。电渗流有 广泛的应用前景，如药物输送、无针头注射器，生化合成与分析，d n a 分析、化学反 应、小体积物质的转移、打印技术等。 电动流体有以下四个方面的内容 4 2 】： 1 ) 电渗：双电层离子在电场作用下带动液体的流动； 2 ) 电泳：溶液中离子或带电胶粒在电场作用下的定向运动； 3 ) 流动电势：压力驱动离子沿沟道方向流动产生的电势，它是电渗的反过程； 4 ) 沉降电势：带电胶体粒子相对流体的运动产生的电势，它是电泳的反过程。 本章不对流动电势和沉降电势做讨论，因为它们不是电驱动流体的主要方面，电渗 和电泳是微沟道中流体行为的主要因素。 2 1 电渗理论 2 1 1 双电层模型 电渗是由于双电层( 图2 1 ) 存在所产生的，双电层是浸入液体中所有表面的基本 特征 4 3 1 ，在典型的硅胶、玻璃和有机聚合物的表面都存在负电荷，对于玻璃而言，这些 负电荷都是由于表面硅羟基解离所产生。当玻璃表面与溶液相接触时，为了与玻璃表面 固定化的负电荷达到电平衡，在玻璃表面会形成稍微过量的反电荷薄层。这一电荷薄层 一般被分成两个部分，与固体表面非常接近的过量电荷和在表面有效地固定化的离子被 称之为紧密层( s t e ml a y e r ) ，这一部分过量电荷和离子不会对电动力产生影响。另一部 分过量电荷可以与溶液中的离子自由交换，这一部分过量电荷被称之为双电层中的扩散 层。与平衡离子相关的过量电荷密度随着与固体表面距离的增加而迅速降低，降低到1 e 的距离被称之为双电层的厚度厶，在电场的作用下，固液两相就会在紧密层和扩散层之 间的滑动面上发生相对运动，由于离子的溶剂化作用或粘滞力的作用，当形成扩散层的 离子发生迁移时，这些离子就会携带液体一同移动，因此形成了电渗流，液体随扩散层 的离子移动，形成稳定的速度轮廓。 段仁庆：基于m j c r c - p i v 技术的电动微流体测量研究 v c由oo0 o y 一一 fe 霎 。 。 稃势纛 【c - 姆、 o o 】c - o o c - + 0 g c - _ lg go g 斧 o 图2 1 双电层示意图 f i g 2 1d o u b l ee l e c t r i cl a y e r 在紧靠着s t e ml a y e r 的双电层内的电势分布可以用p o i s s o n - b o l t z m a n n 公式来描述： v 2 ( y ) _ 警钢；n n 阿) 毛妒，) ( 2 1 ) f 是基体材料表面z e t a 电势，见是管道表面电荷密度，d 是流体电介质常数， ：妒借是归一化电渗电势场，口表示离子能量参数。变量与离子能量参数口、特 征长度h ，以及d e b y e h u c k e l 长度参数国有关： 口= 筹，筇删2 亡= 脬 ( 2 2 ) e 是电子电荷；z 表示流体的离子化合价；k 日为b o l t z m a n n 常数。d e b y e 长度( 砧) 是离子密度心的参数，反映了扩散层中某处电位达到管壁上电位的1 e 时到管壁的距离， 定义该段长度为扩散层厚度。玻尔兹曼常数t 。= ( 1 3 8 0 6 6 2 + 0 0 0 0 0 4 4 ) x 1 0 。将参数代入式 2 2 ，得到d e b y e 长度参数如： 伽s m 川2 层，d = 4 石8 0 e r ( 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 零点绝对温度2 7 3 1 5 ，化合价z = 1 ，代入式2 2 ，得到z e t a 电势与粒子能量参数口 的关系式为f = 2 5 8 a ( m v ) 。 考虑二维微管道，假设z e t a 电势f 沿整个沟道x 方向相等，式2 1 简化表示为： 等叫血( 口y ) 矗是沟道半高度。对上式两边乘2 堡l ，对玎积分得到 d 1 7 掣：厚( 2 c 。s h ( 口y + )