摘 要:微流場(chǎng)的測(cè)量是目前微流體技術(shù)研究的一個(gè)難點(diǎn)。為了對(duì)微流場(chǎng)進(jìn)行可視化測(cè)量，基于DPIV和LIF聯(lián)用技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)微流場(chǎng)的測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以共焦成像的方式，同時(shí)測(cè)量微流場(chǎng)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布，為微流場(chǎng)的流動(dòng)分析、熱分析提供技術(shù)支持。所測(cè)得DPIV和LIF的圖像經(jīng)過處理，并用圖像相關(guān)法將所得到結(jié)果進(jìn)行測(cè)量。速度場(chǎng)用流動(dòng)矢量圖表示，溫度場(chǎng)用偽彩色圖表示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微流場(chǎng)的可視化測(cè)量。DPIV和LIF聯(lián)用法具有可操作性好、測(cè)量精度、光路調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)間短、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞: 數(shù)字離子干涉測(cè)速; 激光誘導(dǎo)熒光; 微流場(chǎng); 可視化測(cè)量

中圖分類號(hào):TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)14-0183-03

Visual Measurement Technique for Micro-flow Field

Based on the Combination of DPIV and LIF

WANG Shu-xia， DANG Mei

(Department of Automation Engineering， Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi’an 710089， China)

Abstract: The measurement of microflow field is a key point in microfluid research. A visualizing measurement system is proposed to observe the micro flow field with combining digital particle interference velocity meter and laser induce fluorescence methods. This system utilizes co-focus optical scheme and measures the velocity and temperature simultaneously to provide great convenient for the investigation of micro-flow field. The acquired images of DPIV and LIF are processed with digital image process techniques， and the results are computed by correlation method. The velocity field is indicated by vector image and the temperature field pseudocolor map. This combined measurement system has several advantages compared to its counterpart such as good operation， high precision， simply adjusting and high efficiency.

Keywords: digital particle interference velocity meter; laser induce fluorescence; micro flow field; visualizing measurement

0 引 言

微流動(dòng)現(xiàn)象研究的是流體在微米、納米尺度下的流動(dòng)行為，分析各種因素對(duì)微流動(dòng)行為的影響和作用。在微米級(jí)通道(如毛細(xì)管和微加工制造出來(lái)的各種管道等)內(nèi)液體流動(dòng)基本上屬于緩慢而穩(wěn)定的層流狀態(tài)。由于流體自身的粘性和通道壁的摩擦?xí)诹黧w內(nèi)產(chǎn)生加熱現(xiàn)象。特別在采用電動(dòng)效應(yīng)(electrokinetic effect)驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，這些熱在流體內(nèi)擴(kuò)散并形成溫度梯度，使流體的流動(dòng)行為發(fā)生很大的變化[1-2]。為了充分研究微流動(dòng)現(xiàn)象，就必須詳細(xì)測(cè)量和分析流動(dòng)過程中的自加熱現(xiàn)象，并研究它對(duì)微流動(dòng)現(xiàn)象的影響。為此，在流動(dòng)展開而達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中同時(shí)測(cè)量速度和溫度數(shù)值，并分析它們之間的相互作用關(guān)系。

除了可以使用微加工技術(shù)在微流體芯片上布置溫度測(cè)量傳感器裝置，測(cè)量局部溫度分布并進(jìn)行整體溫度場(chǎng)擬和外，更重要的是要同時(shí)獲取流體場(chǎng)的流動(dòng)速度分布。布置速度傳感器可以測(cè)定局部速度，但對(duì)微流場(chǎng)擾動(dòng)劇烈，因而不適合微流場(chǎng)的可視化測(cè)量。常見的測(cè)量流體速度的方法有:數(shù)字離子干涉測(cè)速(digital particle interference velocimeter，DPIV)、激光多普勒測(cè)速(laser doppler velocimeter，LDV)[3]。測(cè)量溫度的方法主要有:激光誘導(dǎo)熒光法(laser Induce fluorescence，LIF)、核磁共振法(nucleus magnet resonance，NMR)、Raman光譜分光法、激光誘導(dǎo)磷光法(leaser induce phosphorescence)等[4]。由于要獲得速度和溫度的分布情況，也就是要直接獲取二者的梯度圖像，所應(yīng)用的測(cè)量方法必須是基于全場(chǎng)測(cè)量的方式。因此本文基于數(shù)字離子干涉測(cè)速和激光誘導(dǎo)熒光法技術(shù)聯(lián)用可視化測(cè)定微流場(chǎng)，討論微流體內(nèi)的速度和溫度的同時(shí)測(cè)量問題，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)方案。

1 測(cè)量原理

計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)及圖像采集與處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)得以迅速發(fā)掌，進(jìn)行流場(chǎng)內(nèi)部的細(xì)節(jié)測(cè)量及整體測(cè)量成為可能。數(shù)字離子干涉測(cè)速(DPIV)傳統(tǒng)粒子圖像測(cè)速技術(shù)的數(shù)字化方法，通過圖像采集設(shè)備獲取序列數(shù)字圖像，并利用圖像匹配技術(shù)得到流體的運(yùn)動(dòng)矢量，并根據(jù)圖像映射比例計(jì)算出速度數(shù)值。DPIV 技術(shù)是拉格朗日法的一種具體實(shí)現(xiàn)。拉格朗日法是研究流體運(yùn)動(dòng)的一種基本方法，它跟隨一個(gè)選定的流體質(zhì)點(diǎn)，觀察它的空間位置的變化情況;逐次改變質(zhì)點(diǎn)選擇，就可以獲得流場(chǎng)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況。設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)的空間位置x，y是獨(dú)立變量x0，y0，t的函數(shù)，速度表達(dá)式可以用下式表示:

vx=vx(x0，y0，t)≈x(x0，y0，t+dt)-x(x0，y0，t)dt

vy=vy(x0，y0，t)≈y(x0，y0，t+dt)-y(x0，y0，t)dt (1)

式中:x0與y0是初始位置，t為時(shí)間變量。DPIV 技術(shù)是一種用平均速度代替瞬時(shí)速度的測(cè)量方法。它通過測(cè)量粒子的影像在兩幅圖像上的位置變化，并考慮圖像與被測(cè)流場(chǎng)的幾何比例系數(shù)計(jì)算出粒子的移動(dòng)速度方向與數(shù)值。在時(shí)間間隔dt足夠小的情況下，測(cè)量結(jié)果就能夠很好地反映流場(chǎng)的瞬時(shí)狀態(tài)。

激光誘導(dǎo)熒光法(LIF)是應(yīng)用物質(zhì)的發(fā)光團(tuán)在吸收一定頻率的光子后，可以發(fā)射出不同頻率的熒光。當(dāng)紫外光或波長(zhǎng)較短的可見光照射到某些物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)發(fā)射出各種顏色和不同強(qiáng)度的可見光，而當(dāng)光源停止照射時(shí)，這種光線隨之消失。這種在激發(fā)光誘導(dǎo)下產(chǎn)生的光稱為熒光，能發(fā)出熒光的物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)。產(chǎn)生熒光必須具備:該物質(zhì)分子必須具有與所照射的光線相同的頻率，這與分子的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 吸收了與本身特征頻率相同的能量之后的物質(zhì)分子，必須具有高的熒光效率。照射光越強(qiáng)，被激發(fā)到激發(fā)態(tài)的分子數(shù)越多，因而產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度越強(qiáng)，測(cè)量時(shí)靈敏度越高。對(duì)不同的發(fā)光物質(zhì)，需要選擇不同的激發(fā)光源和檢測(cè)裝置。常見的熒光吸收和發(fā)射波長(zhǎng)如表1所示[5] 。各種熒光劑都具有溫度依賴性，因此可以針對(duì)不同的應(yīng)用選用相適宜的染色劑。

表1 常用熒光劑的吸收和發(fā)射波長(zhǎng)

名稱吸收波長(zhǎng) /nm發(fā)射波長(zhǎng) /nm 備注

CY3550570

CY5640667

CY7730750～777

魯米諾380420

羅丹明500~550600

異硫氰熒光素 FITC480492～520

ROX587607

LIF法測(cè)量溫度利用了熒光強(qiáng)度對(duì)溫度的依賴性。當(dāng)激發(fā)光強(qiáng)和熒光劑濃度恒定時(shí)，溫度與光強(qiáng)的關(guān)系可以表示為[5]:

T(x，y)=TcI(xiàn)cTref#8226;I(x，y)-Ib(x，y)Iref(x，y)-Ib(x，y) (2)

式中:I(xiàn)c為熒光強(qiáng)度的校準(zhǔn)函數(shù);Tc為I(xiàn)c的反函數(shù);I(xiàn)ref為參考溫度下的熒光強(qiáng)度;I(xiàn)b為無(wú)激發(fā)光源時(shí)的熒光強(qiáng)度。如用羅丹明B(rhodamine B)作為溫度敏感染色劑，最大吸收波長(zhǎng)為540 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為600 nm。將獲得的熒光圖像與標(biāo)準(zhǔn)熒光圖像進(jìn)行比較和運(yùn)算，就可獲得能表示溫度分布的偽彩色圖。

2 測(cè)量方案設(shè)計(jì)

采用DPIV和LIF聯(lián)用測(cè)量微流動(dòng)的溫度和速度，需要在流體中添加示蹤粒子和溫度敏感熒光染色劑，并用一個(gè)激光源照亮流體并激發(fā)熒光。然后在計(jì)算機(jī)控制下，按照設(shè)定的曝光時(shí)間和采集頻率，用2個(gè)高性能CCD分別獲取粒子圖像和熒光圖像并保存。然后應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)兩組圖像分別進(jìn)行處理和識(shí)別，就可分別獲得流體速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布的圖像。

對(duì)圖像采集方式通常有兩種，即:共焦式和離焦式。共焦式通常采用共焦顯微鏡來(lái)進(jìn)行，如圖1(a) 所示。入射光束經(jīng)入射物鏡后照射到物體上，所反射或散射的光束經(jīng)出射物鏡收集后進(jìn)入目鏡，然后由CCD或PMT記錄。入射物鏡和出射物鏡具有不同的焦距，但二者的焦點(diǎn)共同對(duì)準(zhǔn)在待測(cè)物上。這種配置方式使得絕大部分光束都進(jìn)入目鏡，因而效率比較高。另外可以減少光路調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并使測(cè)量裝置體積縮小。離焦式通常采用的是如射光以45°的方向射向待測(cè)物，反射或散射光由在135°方向的物鏡來(lái)收集，再由CCD等記錄，如圖1(b)所示。這種測(cè)量方式可采用光線透射或反射的方式，記錄裝置可以布置在光源的同側(cè)或兩側(cè)，具有很好的靈活性。惟一的不足是光子產(chǎn)生效率比較低。

圖1 共焦和離焦檢測(cè)方式

方案的整體構(gòu)成如圖2所示，該圖表示的是采用共焦反射方式的測(cè)量系統(tǒng)組成。由于測(cè)量的是微米級(jí)的視場(chǎng)，因而需要采用大數(shù)值孔徑、高放大倍率、長(zhǎng)工作距離的公交共焦顯微鏡，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)視場(chǎng)的全范圍照明和聚焦平面控制。在計(jì)算機(jī)控制下，對(duì)激光器的激發(fā)和CCD的圖像采集進(jìn)行同步，切換開關(guān)用來(lái)分別接通不同CCD攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的拍攝、傳輸、儲(chǔ)存。LIF攝像機(jī)前增加濾色片是為了防止干擾激光對(duì)熒光圖像的帶來(lái)的噪聲污染。

該方案采用的數(shù)字粒子干涉測(cè)速(DPIV)是一種成熟的流場(chǎng)數(shù)字圖像測(cè)速技術(shù)。采用連續(xù)發(fā)光的汞弧燈或脈沖激光器照明，用高分辨率、高速CCD拍攝流體中納米級(jí)示蹤粒子圖像。對(duì)所拍攝的不同時(shí)刻圖像進(jìn)行圖像相關(guān)運(yùn)算，再經(jīng)過相應(yīng)的誤差校正技術(shù)，就可獲得流體內(nèi)的速度矢量分布圖，可用于連續(xù)測(cè)速和流動(dòng)控制。激光誘導(dǎo)熒光(LIF)也是一種常見的流場(chǎng)可視化技術(shù)，針對(duì)不同的熒光染色劑需要用不同波長(zhǎng)的激光光源激發(fā)。熒光圖像用標(biāo)準(zhǔn)的熒光顯微鏡和CCD攝像機(jī)拍攝，所以圖像的空間解析度由顯微鏡來(lái)決定，時(shí)間解析度則由CCD的拍攝頻率來(lái)決定。例如采用數(shù)值孔徑0.32的物鏡和30 Hz的攝像機(jī)，可得出的空間和時(shí)間解析度分別為1 μs和33 ms。根據(jù)熒光強(qiáng)度對(duì)溫度的依賴性，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)熒光強(qiáng)度下的圖像，已有報(bào)告的分辨率高達(dá)0.03 ℃。由此可見，此方案中兩種測(cè)量技術(shù)都具有很好的可操作性，并能達(dá)到相當(dāng)高的測(cè)量精度。

圖2 DPIV和LIF聯(lián)用測(cè)量方案

3 測(cè)量圖像處理方法

DPIV的圖像處理方法主要有:高密度粒子圖像采用灰度分布相關(guān)法、MQD法、粒子圖像模式匹配法、四幀PIV法、二值化圖像相關(guān)法。采用圖像相關(guān)法，當(dāng)2幅圖像記錄后并轉(zhuǎn)化為矩形粒子圖像對(duì)時(shí)，每對(duì)粒子圖像子區(qū)域通過互相關(guān)可定義一個(gè)位移矢量 S 。已知2幅圖像的拍攝時(shí)間間隔Δt，根據(jù)V= S /Δt就會(huì)計(jì)算出相應(yīng)的平均速度。假設(shè)f(x，y)和g(x，y)分別是第一、二子區(qū)域的光強(qiáng)分布函數(shù)，互相關(guān)函數(shù)由下式給出:

Rxy( τ x， τ y)=f(x，y)g(x+τ，y+τ)dxdy (3)

式中:( τ x， τ y)為第二子區(qū)域內(nèi)流體示蹤粒子的位移矢量。2個(gè)子區(qū)域間的平均位移 S 與像素間的關(guān)系同互相關(guān)函數(shù)峰值與子區(qū)域幾何中心間的距離相對(duì)應(yīng)。對(duì)于2幅m×n像素的數(shù)字圖像，其相關(guān)函數(shù)為[7]:

Rxy( τ x， τ y)=∑mk=0∑nl=0f(x，y)g(x+k，y+l) (4)

微流動(dòng)時(shí)由于尺寸效應(yīng)，使得流體分子間的作用力明顯，而且因?yàn)榱鲃?dòng)速度比較很低，粒子的布朗運(yùn)動(dòng)影響就顯得十分明顯尤其在溫度升高以后。為了獲取正確的微流動(dòng)速度，就必須消除布朗運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的負(fù)面影響。消除的方法有2種，多幅圖像平均法和矢量平滑技術(shù)。前一種技術(shù)適用于穩(wěn)定的流動(dòng)場(chǎng)，可以將速度誤差降低到很小的水平。后一種適用于時(shí)變流場(chǎng)，它通過單個(gè)矢量與周圍矢量的關(guān)系來(lái)糾正誤差，設(shè)立一定的統(tǒng)計(jì)偏差閾值，對(duì)超過閾值的矢量進(jìn)行平滑處理。

由于人眼對(duì)彩色的識(shí)別能力遠(yuǎn)高于對(duì)黑白灰度圖像，所以將黑白圖像轉(zhuǎn)化成彩色可以提高對(duì)圖像細(xì)節(jié)的辨別力，從而達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。偽彩色處理即是將黑白灰度圖像轉(zhuǎn)化為彩色圖像。利用RGB三基色原理，采用一定的映射關(guān)系將256級(jí)灰度轉(zhuǎn)化為一幅按可見彩色光的波長(zhǎng)來(lái)表示其灰度值分布的偽彩色圖像。采用如下的映射關(guān)系[8]:

R(x，y)=0， 0≤I<630， 63≤I<1274I(x，y)-510， 127≤I≤191

255， 191≤I<255(5)

G(x，y)=254-4I(x，y)， 0≤I<634I(x，y)-254， 63≤I<127255， 127≤I<1911 022-4I(x，y)， 191≤I≤255(6)

B(x，y)=255， 0≤I<63510-4I(x，y)， 63≤I<127

0， 127≤I<1910， 191≤I≤255(7)

轉(zhuǎn)換后的偽彩色圖比之前的黑白灰度圖相比，分辨率得到了大幅度提高。將獲得的偽彩色圖與標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的為彩色圖像進(jìn)行對(duì)比，就可獲取流場(chǎng)的溫度分布。圖像對(duì)比的方法同樣可以采用最大相關(guān)法，獲取準(zhǔn)確的溫度分布曲線及變化矢量。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3給出的是采用DPIV和LIF測(cè)量一個(gè)T型流道內(nèi)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，經(jīng)圖像處理以后的結(jié)果。從結(jié)果可以看出，二者測(cè)量出的數(shù)值具有很好的一致性。流體從上方的支管流進(jìn)直流道內(nèi)，并形成相應(yīng)的擴(kuò)散形式，溫度的分布說(shuō)明了熱傳導(dǎo)的過程，速度分布也很好的吻合這一點(diǎn)。

圖3T型流道的測(cè)量結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)微流體內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值的測(cè)量是研究微流動(dòng)行為的一種主要方法，同時(shí)測(cè)量二者的數(shù)值則是分析不同情況下二者之間相互影響的關(guān)鍵。本文主要討論了一種可視化的測(cè)量方案，不僅可以得到所需的速度、溫度數(shù)值，而且可以直接獲得相應(yīng)的數(shù)值分布情況。相比較而言，DPIV加LIF法就有更好的可操作性和測(cè)量精度，具有光路調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)間短、效率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信將會(huì)有更多更優(yōu)秀的測(cè)量方法可應(yīng)用于微流體的測(cè)量中。

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