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基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動(dòng)頻率的測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動(dòng)頻率的測(cè)量方法，屬于實(shí)驗(yàn)裝置及方法【技術(shù)領(lǐng)域】。將微米級(jí)熒光示蹤粒子添加到制備微尺度薄膜的試劑中，制備得到含有示蹤粒子的薄膜。通過(guò)熒光顯微鏡和高速攝像技術(shù)記錄薄膜內(nèi)熒光粒子在顯微鏡下進(jìn)入和離開(kāi)焦平面的變化過(guò)程，利用matlab分析不同時(shí)間下的圖像灰度，記錄其變化規(guī)律并分析得到薄膜振動(dòng)頻率。本發(fā)明可以適用于不能安裝傳感器的微尺度薄膜上，所涉及的測(cè)量方法和處理方法成熟，可靠性可以得到保證，并且操作過(guò)程簡(jiǎn)單。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動(dòng)頻率的測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動(dòng)頻率的測(cè)量方法，通過(guò)熒光 顯微鏡和高速攝像技術(shù)記錄薄膜內(nèi)熒光粒子的變化過(guò)程，利用matlab分析不同時(shí)間下的 圖像灰度，記錄其變化規(guī)律并分析得到薄膜振動(dòng)頻率。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著小尺度化學(xué)或生物分析系統(tǒng)的大力發(fā)展，涉及微全分析系統(tǒng)（micro total analysis ayatems，μ TAS)或芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip)的各種類(lèi)型的微流控設(shè)備被廣 泛設(shè)計(jì)和研究，應(yīng)用于微尺度研究的測(cè)量設(shè)備和方法得到了廣大研究者們的重視。由于微 流控設(shè)備的尺度很小，涉及到長(zhǎng)度的大部分參數(shù)的常規(guī)測(cè)量方法均不能被應(yīng)用于微尺度研 究中，通常需要借助顯微鏡等一些放大設(shè)備或探索新型測(cè)量方法等。
[0003] 圖像分析技術(shù)在現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)研究中被廣泛應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)領(lǐng)域的粒子圖 像測(cè)速技術(shù)（particle images velocimetry，PIV)為其重要的應(yīng)用形式之一。其中示蹤粒 子與激發(fā)光源的結(jié)合，使記錄水流狀態(tài)的圖像信息成為可能，同時(shí)圖像分析技術(shù)又將圖像 信息轉(zhuǎn)化成為流場(chǎng)的速度信息。借助于顯微鏡的幫助，PIV技術(shù)可以轉(zhuǎn)化為應(yīng)用于微流動(dòng) 實(shí)驗(yàn)中的微尺度粒子圖像測(cè)速技術(shù)（micro particle images velocimetry，micro_PIV)， 該技術(shù)為微流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中最為常見(jiàn)和有效的測(cè)速方法。另外，高速攝像技術(shù)也是微流控實(shí)驗(yàn) 中的常用方法之一。由于微流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的流速相對(duì)于模型尺寸而言通常很大，想要獲得較連 續(xù)的流動(dòng)狀態(tài)通常需要拍攝的頻次較高，因而需要高速攝像技術(shù)提供影像拍攝。
[0004] 基于常規(guī)測(cè)量方法在微尺度研究中的局限性，以及圖像分析技術(shù)和顯微鏡在微尺 度研究中的成熟應(yīng)用，為得到微尺度下的某些物理參數(shù)，嘗試各種測(cè)量方式的有益結(jié)合成 為解決問(wèn)題的突破點(diǎn)。微尺度下測(cè)量薄膜的機(jī)械振動(dòng)時(shí)，由于不能在其上安裝傳感器并且 薄膜通常都為透明材質(zhì)不利于采用干涉原理測(cè)量，因此需要采用新型的測(cè)量方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其 機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是基于圖像灰度分析技術(shù)，測(cè)量微尺度薄膜振動(dòng)頻率的一種方法。通過(guò)熒 光顯微鏡和高速攝像技術(shù)記錄薄膜內(nèi)熒光粒子的變化過(guò)程，利用matlab分析不同時(shí)間下 的圖像灰度，記錄其變化規(guī)律并分析得到薄膜振動(dòng)頻率。
[0006] 本發(fā)明所述基于圖像灰度分析技術(shù)的微尺度薄膜振動(dòng)頻率的測(cè)量方法，主要包括 以下步驟：
[0007] 1)示蹤粒子添加：微流控實(shí)驗(yàn)中所用薄膜結(jié)構(gòu)通常為 PDMS(polydimethylsiloxane)材料燒筑制得。將micro-PIV實(shí)驗(yàn)所用微米級(jí)示蹤粒子干燥 后添加到PDMS預(yù)制試劑中，混合均勻后將PDMS試劑放于硅片上甩制形成薄層膠質(zhì)膜（膜 厚與PDMS預(yù)制試劑的配合比例以及甩膠機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)），最后放于烘箱中使膠質(zhì)膜凝固形 成固體彈性膜。該固體膜中含有熒光示蹤粒子，在熒光顯微鏡下粒子能夠被熒光激發(fā)，發(fā)出 亮光。
[0008] 2)圖像采集：將在微流控實(shí)驗(yàn)中受流動(dòng)或者其他外力作用而發(fā)生振動(dòng)的薄膜放 于連接高速攝像機(jī)的熒光顯微鏡之下，在熒光光源下，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦平面以及放大倍數(shù)， 使薄膜中的熒光粒子有明顯的進(jìn)入和離開(kāi)焦平面的過(guò)程（即視野內(nèi)的熒光粒子有明顯的 忽明忽暗的變化），設(shè)置合適的圖像采集頻次，得到粒子變化的視頻。
[0009] 3)圖像處理：利用matlab編寫(xiě)圖像處理程序，分析某個(gè)粒子的圖像的灰度隨時(shí)間 的變化，并得到各種灰度圖像出現(xiàn)頻次，出現(xiàn)最多的頻率即為薄膜振動(dòng)的主頻。
[0010] 本發(fā)明可以適用于不能安裝傳感器的微尺度薄膜上，所涉及的測(cè)量方法和處理方 法成熟，可靠性可以得到保證，并且操作過(guò)程簡(jiǎn)單。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是本發(fā)明基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動(dòng)頻率的測(cè)量方法的操作步驟 流程圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動(dòng)頻率的測(cè)量方法的用于圖像 分析的某一工況下粒子灰度變化圖示例。
[0013] 圖3是本發(fā)明基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動(dòng)頻率的測(cè)量方法針對(duì)某一工 況的振動(dòng)分析結(jié)果。
[0014] 圖4是本發(fā)明基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動(dòng)頻率的測(cè)量方法的某一應(yīng)用 實(shí)例與該實(shí)例其他分析結(jié)果的對(duì)比。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供下壁面為彈性薄膜壁面的T形微通道中，薄膜隨流動(dòng) 振動(dòng)的頻率測(cè)量過(guò)程，并與該實(shí)例的其他方式的頻率分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體步驟為：
[0016] 樣本制備過(guò)程：
[0017] a.將micro-PIV (微流體粒子圖像測(cè)速儀）實(shí)驗(yàn)所用微米級(jí)示蹤粒子干燥后添加 到PDMS (聚二甲基硅氧烷）A膠和B膠混合劑中，混合均勻后將PDMS試劑置于常溫真空環(huán) 境中析出氣泡，然后放于硅片上甩制形成薄層膠質(zhì)膜最后放于烘箱中使膠質(zhì)膜凝固形成固 體彈性膜（該固體膜中含有熒光示蹤粒子，在熒光顯微鏡下粒子能夠被熒光激發(fā)，發(fā)出亮 光）。
[0018] b.將未添加示蹤粒子的PDMS (聚二甲基硅氧烷）A膠和B膠混合劑混合均勻，然 后將該試劑置于常溫真空環(huán)境中析出氣泡，將其澆筑到含有T形微通道凸模的硅片上，并 放于溫度為65°C的烘箱中1小時(shí)左右，使其凝固。待PDMS凝固之后，將其從硅片模板上揭 下，并切割出帶有完整T形微通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片的主體部分。
[0019] c.將含有T形微通道凹槽的PDMS微流控芯片主體部分的出入口處用打孔器打孔， 取含有示蹤粒子的PDMS薄膜，并將二者鍵合形成T形微通道芯片（其中薄膜部分為芯片的 下底面）。
[0020] d.將c步驟中制作好的芯片部分與凹字形的PDMS基底鍵合（使芯片上的T形通 道主體部分懸空，出入口部分接觸基底，以保證基底對(duì)芯片部分的支撐作用）。然后將基底 下底面與載玻片鍵合，制作完成能夠直接用于顯微鏡實(shí)驗(yàn)的微流控芯片樣本。
[0021] 流動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程：
[0022] a.將步驟1)中制作完成的芯片樣本置于顯微鏡熒光之下，將注射泵驅(qū)動(dòng)下的互 不相容的液體分別通過(guò)分散相入口和連續(xù)相入口注入芯片中，進(jìn)行兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。
[0023] b.熒光顯微鏡上連接高速攝像機(jī)，在熒光光源下調(diào)節(jié)顯微鏡的焦平面，使視野內(nèi) 產(chǎn)生示蹤粒子的明暗變化過(guò)程，在流動(dòng)維持30分鐘（使流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定）后，拍攝一段時(shí)間 內(nèi)（3-5分鐘）的變化狀態(tài)。
[0024] 薄膜振動(dòng)頻率分析：
[0025] a.編寫(xiě)matlab程序，提取并記錄每巾貞圖像上所選取樣本點(diǎn)的灰度，分析不同灰度 出現(xiàn)的時(shí)間間隔，進(jìn)而得到不同灰度出現(xiàn)的頻率以及頻譜，主頻即為薄膜的振動(dòng)頻率。
[0026] b.將步驟2)中所得視頻導(dǎo)入到matlab程序中，框選樣本粒子后分析得到頻譜，得 到薄膜的振動(dòng)頻率。
[0027] 頻率驗(yàn)證：
[0028] a.將步驟2)中的顯微鏡調(diào)成常規(guī)光源照射，高速攝像機(jī)拍攝常規(guī)光源下液滴生 成過(guò)程的圖像。
[0029] b.人工計(jì)算液滴或者利用matlab程序通過(guò)記錄液滴通過(guò)通道內(nèi)任意位置的時(shí)間 間隔，得到液滴生成的頻率。
[0030] c.通過(guò)分析知，該實(shí)例中薄膜的振動(dòng)由液滴生成時(shí)的壓力變化所引起，因此該振 動(dòng)頻率應(yīng)該與液滴生成頻率一致。即步驟3)中所得頻率與4)中結(jié)果一致，如圖4。
【權(quán)利要求】
1. 基于圖像灰度分析技術(shù)測(cè)量微尺度薄膜振動(dòng)頻率的方法；通過(guò)熒光顯微鏡和高速 攝像技術(shù)記錄薄膜內(nèi)突光粒子的變化過(guò)程，利用matlab分析不同時(shí)間下的圖像灰度，記錄 其變化規(guī)律并分析得到薄膜振動(dòng)頻率；其特征在于：高速攝像機(jī)記錄3?5分鐘內(nèi)熒光粒 子進(jìn)入和離開(kāi)顯微鏡焦平面的過(guò)程，即熒光粒子的明暗變化，利用matlab程序分析該過(guò)程 中粒子在每幀圖像的灰度，得到該粒子圖像灰度隨時(shí)間，即圖像的幀次與相鄰兩幀間隔時(shí) 間的乘積的變化狀況，該變化為周期性變化，主周期的倒數(shù)即為熒光粒子的振動(dòng)頻，也就是 薄膜的振動(dòng)頻率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖像灰度分析技術(shù)測(cè)量微尺度振動(dòng)頻率的方法， 其特征在于：利用各幀圖像的灰度隨時(shí)間即圖像的幀次與相鄰兩幀間隔時(shí)間的乘積變化狀 況，該變化為周期性變化，主周期的倒數(shù)即為所攝物體的振動(dòng)狀況。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于圖像灰度分析技術(shù)測(cè)量微尺度振動(dòng)頻率的方 法，其特征在于：主要包括以下步驟： 1) 示蹤粒子添加：微流控實(shí)驗(yàn)中所用薄膜結(jié)構(gòu)通常為聚二甲基硅氧烷 PDMS(polydimethylsiloxane，）材料燒筑制得；將微流體粒子圖像測(cè)速儀micro-PIV實(shí)驗(yàn) 所用微米級(jí)示蹤粒子干燥后添加到聚二甲基硅氧烷PDMSA膠和B膠混合劑中，混合均勻后 將PDMS試劑放于硅片上甩制形成薄層膠質(zhì)膜最后放于烘箱中使膠質(zhì)膜凝固形成固體彈性 膜；該固體膜中含有熒光示蹤粒子，在熒光顯微鏡下粒子能夠被熒光激發(fā)，發(fā)出亮光； 2) 圖像采集：將在微流控實(shí)驗(yàn)中受流動(dòng)或者其他外力作用而發(fā)生振動(dòng)的薄膜放于連 接高速攝像機(jī)的熒光顯微鏡之下，在熒光光源下，調(diào)節(jié)顯微鏡的焦平面以及放大倍數(shù)，使薄 膜中的熒光粒子呈現(xiàn)聚焦和失焦的過(guò)程，即視野內(nèi)的熒光粒子有忽明忽暗的變化，設(shè)置高 速攝像機(jī)合適的圖像采集頻次，得到粒子變化的視頻；所述合適的圖像采集頻次為保證10 幀圖像處于一個(gè)振動(dòng)周期之內(nèi)； 3) 圖像處理：利用matlab編寫(xiě)圖像處理程序，分析某個(gè)粒子的圖像的灰度隨時(shí)間的變 化，并得到各種灰度圖像出現(xiàn)頻次，出現(xiàn)最多的頻率即為薄膜振動(dòng)的主頻。
【文檔編號(hào)】G01H9/00GK104089696SQ201410307243
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】劉趙淼, 逄燕, 曹刃拓 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)