基于Micro-PIV技术的电动微流体测量研究

摘要

Micro-PIV即显微粒子图像测速技术是20世纪90年代末在传统PIV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、CCD、高压电源等构成Micro-PIV系统的硬件部分。分析倒置荧光显微镜、CCD、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0-8000V，电压的最小分辨率为1.95V，实际输出电压波动3-5V。 给出完整的Micro-PIV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0.05pixel；利用已知位移分别为0-1pixel和3-4pixel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0.02pixel。 使用Micro-PIV技术测量等宽弯曲微沟道中流体速度，分别测量在40V、60V、80V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。

目录

文摘

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1绪论

1.1电动微流体测量技术

1.1.1称重法

1.1.2电流监测法

1.1.3激光诱导荧光技术

1.2 Micro-PIV技术

1.2.1 Micro-PIV技术的发展及现状

1.2.2 Micro-PIV算法综述

1.3本论文的主要工作

2电动微流体理论

2.1电渗理论

2.1.1双电层模型

2.1.2电渗流动量方程

2.2电泳

2.3小结

3 Micro-PIV的硬件系统

3.1硬件系统组成和基本原理

3.2荧光显微镜

3.3 CCD

3.4激发光源

3.5荧光示踪粒子选择

3.6高压电源设计

3.7 小结

4 Micro-PIV的软件系统

4.1粒子图像的实时采集

4.2粒子图像预处理

4.2.1噪声处理

4.2.2掩模技术

4.3粒子图像计算方法

4.3.1粒子图像计算的影响因素

4.3.2粒子图像模板匹配

4.3.3金字塔算法

4.3.4金字塔算法和模板匹配的结合

4.3.5像素算法

4.3.6平均算法

4.4后处理算法

4.5精度校验

4.5.1粒子图像模拟

4.5.2算法的验证

4.5.3算法的误差分析

4.5.4几种算法的误差比较

4.6小结

5弯曲沟道微流体速度测量

5.1实验目的

5.2实验装置

5.3实验准备

5.3.1弯曲沟道的微流控芯片制作

5.3.2外接储液池

5.4实验过程及计算结果

5.5数据分析

5.6数值计算

5.7小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢