液晶微流動Micro-PIV系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001]技術領域:
本發(fā)明屬于微流體驅動與控制技術領域，特別是涉及一種液晶微流動Micro-Piv系統(tǒng)。
[0002]【背景技術】:
PIV的全英文名稱是Particle Image Velocimetry，又被叫作粒子圖像測速法，是20世紀發(fā)展起來的一種瞬態(tài)、無接觸式的激光式的流體力學測速系統(tǒng)。在隨后的幾十年，經(jīng)過不斷地發(fā)展和完善，日漸趨向成熟。PIV技術的特點是能在一瞬間以圖像的形式記錄空間點上的速度分布信息，并呈現(xiàn)豐富的流場空間結構以及流動特性。PIV技術除向流場散布示蹤粒子外，所有測量裝置并不介入流場。另外PIV技術具有較高的測量精度。由于PIV技術的上述優(yōu)點，已成為當今流體力學測量研究中的熱門課題，因而日益得到重視。
[0003]PIV測速方法有多種分類，無論何種形式的PIV，其速度測量都依賴于散布在流場中的示蹤粒子，PIV法測速都是通過測量示蹤粒子在已知很短時間間隔內(nèi)的位移來間接地測量流場的瞬態(tài)速度分布。若示蹤粒子有足夠高的流動跟隨性，示蹤粒子的運動就能夠真實地反映流場的運動狀態(tài)。因此示蹤粒子在PIV測速法中非常重要。如果示蹤粒子跟隨性越好，那么示蹤粒子的流動狀態(tài)就越能間接反映流體流場的流動狀態(tài)。理想的示蹤粒子要滿足如下要求:(1)密度和重量最好要和實驗流體一樣；(2)直徑要足夠?。?3)粒子的外形最好是圓形且分布盡可能的均勻；(4)要有高的光散射率。在液體測速實驗中，示蹤粒子通常采用空心微珠或者金屬氧化物顆粒；在空氣測速實驗中，示蹤粒子可采用煙霧或者粉塵狀的細小顆粒；在微管道測速實驗中，示蹤粒子通常采用更細微的微粒，如熒光微粒、量子點等。
[0004]Micro-PIV是在PIV測速技術基礎上發(fā)展而來的，是一套微米級別的即時定量的微流場測速方法。兩者有較大的差別，比如示蹤粒子的選擇、圖像的記錄和處理等方面。Micro-PIV測速在圖像記錄和處理方面采用更高分辨率的顯示技術，來捕捉熒光粒子流動的細微運動，同時減小熒光衍射而帶來的誤差，使后期計算得到的全流場速度矢量圖更加細微和準確。
[0005]Micro-PIV突破了傳統(tǒng)微尺度流體力學測量手段的局限性，使得對微尺度流動元件的研究從過去只能給出流量、阻力特性等有限信息逐步轉向對全流場內(nèi)流結構的直接測量上，并且達到了相當高的分辨率和測量精度。Micro-PIV粒子圖像測速是在PIV的基礎上進一步發(fā)展而來的。其原理和PIV基本相同，但是Micro-PIV技術有無接觸式及高精度全流場檢測的特點，而且Micro-PIV所用到的示蹤粒子直徑更小，幾乎可以到幾十納米，這樣可以減少對流場中的流體的影響。但是，目前對Micro-PIV還處于研究階段，現(xiàn)有的Micro-PIV系統(tǒng)還存在各種問題，不能直接應用于微小器件中流體的流動顯示技術之中。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的是提供一種液晶微流動Micro-PIV系統(tǒng)，針對微小器件中流體的流動顯示技術，特別是針對非牛頓流體的流動顯示技術，設計了一套用于測量非牛頓流體液晶微流動的Micro-PIV系統(tǒng)。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案具體是這樣實現(xiàn)的:
一種液晶微流動Micro-PIV系統(tǒng)，包括:
微流場激發(fā)部分，用于液晶微流場的激發(fā)；所述微流場激發(fā)部分包括液晶盒、顯微鏡冷熱臺、波形發(fā)生器和切換單元，所述液晶盒提供微流動的微流場，所述顯微鏡冷熱臺與自制波形發(fā)生器用于激發(fā)微流場，所述切換單元根據(jù)所激發(fā)的微流場類型進行切換；所述液晶盒內(nèi)裝入熒光示蹤粒子和被測液晶混合后得到的液晶混合液；
流動觀察記錄部分，用于觀察并記錄熒光示蹤粒子的運動，獲取熒光示蹤粒子運動的視頻文件；
以及圖像數(shù)據(jù)處理部分；用于將視頻文件進行圖像數(shù)據(jù)處理。
[0008]進一步，所述液晶盒包括平行相對設置的上、下玻璃基片，在上玻璃基片上設有上導電膜層，所述上導電膜層上設有上聚酰亞胺層，所述下玻璃基片上設有下導電膜層，所述下導電膜層上設有下聚酰亞胺層，上聚酰亞胺層和下聚酰亞胺層之間設有液晶層；所述液晶層包括熒光示蹤粒子和液晶混合后形成的混合層。
[0009]進一步，所述波形發(fā)生器包括高電壓四通道波形發(fā)生器和/或高電流波形發(fā)生器；所述高電壓四通道波形發(fā)生器包括顯示電路、單片機最小系統(tǒng)、按鍵電路和四通道高壓輸出電路，所述顯示電路、按鍵電路和四通道高壓輸出電路分別連接到單片機最小系統(tǒng)，所述四通道高壓輸出電路包括依次連接的第一 D/A轉換電路、第一電壓放大電路和通道1，依次連接的第二 D/A轉換電路、第二電壓放大電路和通道2，依次連接的第三D/A轉換電路、第三電壓放大電路和通道3，以及依次連接的第四D/A轉換電路、第四電壓放大電路和通道1。
[0010]進一步，所述顯微鏡冷熱臺包括主體部分，提供冷卻水循環(huán)的蠕動栗及控制部分；所述主體部分包括底座和頂蓋，所述底座上設有冷卻水入口、冷卻水出口和腔體部，所述冷卻水入口、冷卻水出口經(jīng)冷卻水管道連通，所述腔體部內(nèi)設有加熱制冷芯片和溫度傳感器，所述加熱制冷芯片包括加熱制冷半導體芯片。
[0011]進一步，所述流動觀察記錄部分包括落射式熒光顯微鏡、視頻錄制攝像頭和顯示及控制系統(tǒng)；所述視頻錄制攝像頭采用CCD圖像傳感器，所述落射式熒光顯微鏡、視頻錄制攝像頭分別與顯示及控制系統(tǒng)連接。
[0012]進一步，所述圖像數(shù)據(jù)處理部分，包括:
導入待處理的視頻文件；
將導入的視頻文件轉化為圖片，包括:將視頻文件拆分為圖片，并根據(jù)熒光示蹤粒子運動速度的大小確定拆分的圖片數(shù)量；一秒鐘的視頻可以拆分10幀到30幀的待處理圖片，如果視頻中可以看出示蹤粒子速度很慢，就可以選擇一秒鐘視頻拆分為10幀圖像進行處理；如果示蹤粒子較快，可以選擇將一秒鐘視頻拆分為30幀圖像，這樣可以提高處理精度；將所拆分的圖片進行預處理，所述預處理包括濾波處理和腐蝕處理；
對預處理后的圖片進行運算，繪制速度場。
[0013]進一步，所述熒光示蹤粒子采用直徑2 μ m的固體熒光微球顆粒。
[0014]進一步，所述腐蝕處理采用腐蝕運算的方法進行處理。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:
(1)本發(fā)明作為液晶專用系統(tǒng)，示蹤粒子問題與其他系統(tǒng)有著本質(zhì)區(qū)別，首先是示蹤粒子的均勻性問題。本系統(tǒng)構建初期，為了使用盡量小的熒光微球作為示蹤粒子，選擇熒光微球水溶液，微球直徑0.02-0.1 μ m，對于大部分研究微型管道的學者來說，少許的水分對實驗室沒有影響的。但是，作為液晶微流動專用Micro-PIV系統(tǒng)來講，流動介質(zhì)液晶是一種不溶于水的有機物，這一特性使熒光微球溶液很難融入液晶，所以均勻性問題一直難以解決。后期，采用直徑較大(2 μ m)的固體熒光微球顆粒，購于北京立方天地科技有限公司，均勻性問題才得到有效解決。
[0016](2)微流場激發(fā)部分；普通Micro-PIV系統(tǒng)的測速對象大部分為水，粘度遠小于液晶，流速較快，且流場的激發(fā)方式為壓力驅動。本系統(tǒng)主要針對電磁場及溫度場驅動的液晶微流動進行測量，因此微流場激發(fā)部分的四通道信號發(fā)生器及顯微鏡冷熱臺均屬本系統(tǒng)所特有的。
[0017](3)圖像數(shù)據(jù)處理部分；普通PIV系統(tǒng)所使用的傳統(tǒng)處理軟件大部分采用的相關算法，預處理部分主要為各種濾波處理，主要針對示蹤粒子濃度較高，流速較快的圖片進行處理。液晶流動速度較慢，且圖片均為顯微鏡下拍攝，粒