基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動頻率的測量方法
【專利摘要】一種基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動頻率的測量方法，屬于實驗裝置及方法【技術領域】。將微米級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。通過熒光顯微鏡和高速攝像技術記錄薄膜內熒光粒子在顯微鏡下進入和離開焦平面的變化過程，利用matlab分析不同時間下的圖像灰度，記錄其變化規(guī)律并分析得到薄膜振動頻率。本發(fā)明可以適用于不能安裝傳感器的微尺度薄膜上，所涉及的測量方法和處理方法成熟，可靠性可以得到保證，并且操作過程簡單。
【專利說明】基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動頻率的測量方法

【技術領域】
[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頻率的測量方法，通過熒光 顯微鏡和高速攝像技術記錄薄膜內熒光粒子的變化過程，利用matlab分析不同時間下的 圖像灰度，記錄其變化規(guī)律并分析得到薄膜振動頻率。

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


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明是基于圖像灰度分析技術，測量微尺度薄膜振動頻率的一種方法。通過熒 光顯微鏡和高速攝像技術記錄薄膜內熒光粒子的變化過程，利用matlab分析不同時間下 的圖像灰度，記錄其變化規(guī)律并分析得到薄膜振動頻率。
[0006] 本發(fā)明所述基于圖像灰度分析技術的微尺度薄膜振動頻率的測量方法，主要包括 以下步驟：
[0007] 1)示蹤粒子添加：微流控實驗中所用薄膜結構通常為 PDMS(polydimethylsiloxane)材料燒筑制得。將micro-PIV實驗所用微米級示蹤粒子干燥 后添加到PDMS預制試劑中，混合均勻后將PDMS試劑放于硅片上甩制形成薄層膠質膜（膜 厚與PDMS預制試劑的配合比例以及甩膠機的轉速有關），最后放于烘箱中使膠質膜凝固形 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：將在微流控實驗中受流動或者其他外力作用而發(fā)生振動的薄膜放 于連接高速攝像機的熒光顯微鏡之下，在熒光光源下，調節(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入和離開焦平面的過程（即視野內的熒光粒子有明顯的 忽明忽暗的變化），設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編寫圖像處理程序，分析某個粒子的圖像的灰度隨時間 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，所涉及的測量方法和處理方 法成熟，可靠性可以得到保證，并且操作過程簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動頻率的測量方法的操作步驟 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頻率的測量方法的用于圖像 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頻率的測量方法針對某一工 況的振動分析結果。
[0014] 圖4是本發(fā)明基于圖像灰度分析的微尺度薄膜振動頻率的測量方法的某一應用 實例與該實例其他分析結果的對比。

【具體實施方式】
[0015] 下面結合本發(fā)明的內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 振動的頻率測量過程，并與該實例的其他方式的頻率分析結果進行對比，具體步驟為：
[0016] 樣本制備過程：
[0017] a.將micro-PIV (微流體粒子圖像測速儀）實驗所用微米級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膜最后放于烘箱中使膠質膜凝固形成固 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形微通道結構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驗的微流控芯片樣本。
[0021] 流動實驗過程：
[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，將注射泵驅動下的互 不相容的液體分別通過分散相入口和連續(xù)相入口注入芯片中，進行兩相流動實驗。
[0023] b.熒光顯微鏡上連接高速攝像機，在熒光光源下調節(jié)顯微鏡的焦平面，使視野內 產生示蹤粒子的明暗變化過程，在流動維持30分鐘（使流動相對穩(wěn)定）后，拍攝一段時間 內（3-5分鐘）的變化狀態(tài)。
[0024] 薄膜振動頻率分析：
[0025] a.編寫matlab程序，提取并記錄每巾貞圖像上所選取樣本點的灰度，分析不同灰度 出現(xiàn)的時間間隔，進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頻率。
[0026] b.將步驟2)中所得視頻導入到matlab程序中，框選樣本粒子后分析得到頻譜，得 到薄膜的振動頻率。
[0027] 頻率驗證：
[0028] a.將步驟2)中的顯微鏡調成常規(guī)光源照射，高速攝像機拍攝常規(guī)光源下液滴生 成過程的圖像。
[0029] b.人工計算液滴或者利用matlab程序通過記錄液滴通過通道內任意位置的時間 間隔，得到液滴生成的頻率。
[0030] c.通過分析知，該實例中薄膜的振動由液滴生成時的壓力變化所引起，因此該振 動頻率應該與液滴生成頻率一致。即步驟3)中所得頻率與4)中結果一致，如圖4。
【權利要求】
1. 基于圖像灰度分析技術測量微尺度薄膜振動頻率的方法；通過熒光顯微鏡和高速 攝像技術記錄薄膜內突光粒子的變化過程，利用matlab分析不同時間下的圖像灰度，記錄 其變化規(guī)律并分析得到薄膜振動頻率；其特征在于：高速攝像機記錄3?5分鐘內熒光粒 子進入和離開顯微鏡焦平面的過程，即熒光粒子的明暗變化，利用matlab程序分析該過程 中粒子在每幀圖像的灰度，得到該粒子圖像灰度隨時間，即圖像的幀次與相鄰兩幀間隔時 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頻，也就是 薄膜的振動頻率。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于圖像灰度分析技術測量微尺度振動頻率的方法， 其特征在于：利用各幀圖像的灰度隨時間即圖像的幀次與相鄰兩幀間隔時間的乘積變化狀 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狀況。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種基于圖像灰度分析技術測量微尺度振動頻率的方 法，其特征在于：主要包括以下步驟： 1) 示蹤粒子添加：微流控實驗中所用薄膜結構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速儀micro-PIV實驗 所用微米級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膜最后放于烘箱中使膠質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：將在微流控實驗中受流動或者其他外力作用而發(fā)生振動的薄膜放于連 接高速攝像機的熒光顯微鏡之下，在熒光光源下，調節(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)聚焦和失焦的過程，即視野內的熒光粒子有忽明忽暗的變化，設置高 速攝像機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 幀圖像處于一個振動周期之內； 3) 圖像處理：利用matlab編寫圖像處理程序，分析某個粒子的圖像的灰度隨時間的變 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的主頻。
【文檔編號】G01H9/00GK104089696SQ201410307243
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權日:2014年6月30日
【發(fā)明者】劉趙淼, 逄燕, 曹刃拓 申請人:北京工業(yè)大學