[发明专利]基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法，通过荧光显微镜和高速摄像技术记录薄膜内荧光粒子的变化过程，利用matlab分析不同时间下的图像灰度，记录其变化规律并分析得到薄膜振动频率。

背景技术

随着小尺度化学或生物分析系统的大力发展，涉及微全分析系统(micro total analysis ayatems，μTAS)或芯片实验室(lab-on-a-chip)的各种类型的微流控设备被广泛设计和研究，应用于微尺度研究的测量设备和方法得到了广大研究者们的重视。由于微流控设备的尺度很小，涉及到长度的大部分参数的常规测量方法均不能被应用于微尺度研究中，通常需要借助显微镜等一些放大设备或探索新型测量方法等。

图像分析技术在现阶段的实验研究中被广泛应用，在实验流体力学领域的粒子图像测速技术(particle images velocimetry，PIV)为其重要的应用形式之一。其中示踪粒子与激发光源的结合，使记录水流状态的图像信息成为可能，同时图像分析技术又将图像信息转化成为流场的速度信息。借助于显微镜的帮助，PIV技术可以转化为应用于微流动实验中的微尺度粒子图像测速技术(micro particle images velocimetry，micro-PIV)，该技术为微流动实验中最为常见和有效的测速方法。另外，高速摄像技术也是微流控实验中的常用方法之一。由于微流动实验的流速相对于模型尺寸而言通常很大，想要获得较连续的流动状态通常需要拍摄的频次较高，因而需要高速摄像技术提供影像拍摄。

基于常规测量方法在微尺度研究中的局限性，以及图像分析技术和显微镜在微尺度研究中的成熟应用，为得到微尺度下的某些物理参数，尝试各种测量方式的有益结合成为解决问题的突破点。微尺度下测量薄膜的机械振动时，由于不能在其上安装传感器并且薄膜通常都为透明材质不利于采用干涉原理测量，因此需要采用新型的测量方法来实现其机械振动的测量。

发明内容

本发明是基于图像灰度分析技术，测量微尺度薄膜振动频率的一种方法。通过荧光显微镜和高速摄像技术记录薄膜内荧光粒子的变化过程，利用matlab分析不同时间下的图像灰度，记录其变化规律并分析得到薄膜振动频率。

本发明所述基于图像灰度分析技术的微尺度薄膜振动频率的测量方法，主要包括以下步骤：

1)示踪粒子添加：微流控实验中所用薄膜结构通常为PDMS(polydimethylsiloxane)材料浇筑制得。将micro-PIV实验所用微米级示踪粒子干燥后添加到PDMS预制试剂中，混合均匀后将PDMS试剂放于硅片上甩制形成薄层胶质膜(膜厚与PDMS预制试剂的配合比例以及甩胶机的转速有关)，最后放于烘箱中使胶质膜凝固形成固体弹性膜。该固体膜中含有荧光示踪粒子，在荧光显微镜下粒子能够被荧光激发，发出亮光。

2)图像采集：将在微流控实验中受流动或者其他外力作用而发生振动的薄膜放于连接高速摄像机的荧光显微镜之下，在荧光光源下，调节显微镜的焦平面以及放大倍数，使薄膜中的荧光粒子有明显的进入和离开焦平面的过程(即视野内的荧光粒子有明显的忽明忽暗的变化)，设置合适的图像采集频次，得到粒子变化的视频。

3)图像处理：利用matlab编写图像处理程序，分析某个粒子的图像的灰度随时间的变化，并得到各种灰度图像出现频次，出现最多的频率即为薄膜振动的主频。

本发明可以适用于不能安装传感器的微尺度薄膜上，所涉及的测量方法和处理方法成熟，可靠性可以得到保证，并且操作过程简单。

附图说明

图1是本发明基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法的操作步骤流程图。

图2是本发明基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法的用于图像分析的某一工况下粒子灰度变化图示例。

图3是本发明基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法针对某一工况的振动分析结果。

图4是本发明基于图像灰度分析的微尺度薄膜振动频率的测量方法的某一应用实例与该实例其他分析结果的对比。

具体实施方式

下面结合本发明的内容提供下壁面为弹性薄膜壁面的T形微通道中，薄膜随流动振动的频率测量过程，并与该实例的其他方式的频率分析结果进行对比，具体步骤为：

样本制备过程：