基于DPIV和LIF聯用實現對微流場的可視化測量

摘 要:微流場的測量是目前微流體技術研究的一個難點。為了對微流場進行可視化測量，基于DPIV和LIF聯用技術設計了一個微流場的測試系統。該系統以共焦成像的方式，同時測量微流場的速度場、溫度場分布，為微流場的流動分析、熱分析提供技術支持。所測得DPIV和LIF的圖像經過處理，并用圖像相關法將所得到結果進行測量。速度場用流動矢量圖表示，溫度場用偽彩色圖表示，實現了對微流場的可視化測量。DPIV和LIF聯用法具有可操作性好、測量精度、光路調節簡單，測量時間短、效率高等優點。

關鍵詞: 數字離子干涉測速; 激光誘導熒光; 微流場; 可視化測量

中圖分類號:TP216 文獻標識碼:A

文章編號: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

微流動現象研究的是流體在微米、納米尺度下的流動行為，分析各種因素對微流動行為的影響和作用。在微米級通道(如毛細管和微加工制造出來的各種管道等)內液體流動基本上屬于緩慢而穩定的層流狀態。由于流體自身的粘性和通道壁的摩擦會在流體內產生加熱現象。特別在采用電動效應(electrokinetic effect)驅動的流動時會產生大量的焦耳熱，這些熱在流體內擴散并形成溫度梯度，使流體的流動行為發生很大的變化[1-2]。為了充分研究微流動現象，就必須詳細測量和分析流動過程中的自加熱現象，并研究它對微流動現象的影響。為此，在流動展開而達到穩態的過程中同時測量速度和溫度數值，并分析它們之間的相互作用關系。

除了可以使用微加工技術在微流體芯片上布置溫度測量傳感器裝置，測量局部溫度分布并進行整體溫度場擬和外，更重要的是要同時獲取流體場的流動速度分布。布置速度傳感器可以測定局部速度，但對微流場擾動劇烈，因而不適合微流場的可視化測量。常見的測量流體速度的方法有:數字離子干涉測速(digital particle interference velocimeter，DPIV)、激光多普勒測速(laser doppler velocimeter，LDV)[3]。測量溫度的方法主要有:激光誘導熒光法(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，所應用的測量方法必須是基于全場測量的方式。因此本文基于數字離子干涉測速和激光誘導熒光法技術聯用可視化測定微流場，討論微流體內的速度和溫度的同時測量問題，并設計相應的測量系統方案。

1 測量原理

計算機技術、激光技術及圖像采集與處理技術的快速發展，使得流場測試技術得以迅速發掌，進行流場內部的細節測量及整體測量成為可能。數字離子干涉測速(DPIV)傳統粒子圖像測速技術的數字化方法，通過圖像采集設備獲取序列數字圖像，并利用圖像匹配技術得到流體的運動矢量，并根據圖像映射比例計算出速度數值。DPIV 技術是拉格朗日法的一種具體實現。拉格朗日法是研究流體運動的一種基本方法，它跟隨一個選定的流體質點，觀察它的空間位置的變化情況;逐次改變質點選擇，就可以獲得流場內部的運動情況。設流體質點的空間位置x，y是獨立變量x0，y0，t的函數，速度表達式可以用下式表示:

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為時間變量。DPIV 技術是一種用平均速度代替瞬時速度的測量方法。它通過測量粒子的影像在兩幅圖像上的位置變化，并考慮圖像與被測流場的幾何比例系數計算出粒子的移動速度方向與數值。在時間間隔dt足夠小的情況下，測量結果就能夠很好地反映流場的瞬時狀態。

激光誘導熒光法(LIF)是應用物質的發光團在吸收一定頻率的光子后，可以發射出不同頻率的熒光。當紫外光或波長較短的可見光照射到某些物質時，這些物質會發射出各種顏色和不同強度的可見光，而當光源停止照射時，這種光線隨之消失。這種在激發光誘導下產生的光稱為熒光，能發出熒光的物質稱為熒光物質。產生熒光必須具備:該物質分子必須具有與所照射的光線相同的頻率，這與分子的結構密切相關。 吸收了與本身特征頻率相同的能量之后的物質分子，必須具有高的熒光效率。照射光越強，被激發到激發態的分子數越多，因而產生的熒光強度越強，測量時靈敏度越高。對不同的發光物質，需要選擇不同的激發光源和檢測裝置。常見的熒光吸收和發射波長如表1所示[5] 。各種熒光劑都具有溫度依賴性，因此可以針對不同的應用選用相適宜的染色劑。

表1 常用熒光劑的吸收和發射波長

名稱吸收波長 /nm發射波長 /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法測量溫度利用了熒光強度對溫度的依賴性。當激發光強和熒光劑濃度恒定時，溫度與光強的關系可以表示為[5]:

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

式中:Ic為熒光強度的校準函數;Tc為Ic的反函數;Iref為參考溫度下的熒光強度;Ib為無激發光源時的熒光強度。如用羅丹明B(rhodamine B)作為溫度敏感染色劑，最大吸收波長為540 nm，發射波長為600 nm。將獲得的熒光圖像與標準熒光圖像進行比較和運算，就可獲得能表示溫度分布的偽彩色圖。

2 測量方案設計

采用DPIV和LIF聯用測量微流動的溫度和速度，需要在流體中添加示蹤粒子和溫度敏感熒光染色劑，并用一個激光源照亮流體并激發熒光。然后在計算機控制下，按照設定的曝光時間和采集頻率，用2個高性能CCD分別獲取粒子圖像和熒光圖像并保存。然后應用數字圖像處理技術對兩組圖像分別進行處理和識別，就可分別獲得流體速度場、溫度場分布的圖像。

對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進行，如圖1(a) 所示。入射光束經入射物鏡后照射到物體上，所反射或散射的光束經出射物鏡收集后進入目鏡，然后由CCD或PMT記錄。入射物鏡和出射物鏡具有不同的焦距，但二者的焦點共同對準在待測物上。這種配置方式使得絕大部分光束都進入目鏡，因而效率比較高。另外可以減少光路調節，簡化設計并使測量裝置體積縮小。離焦式通常采用的是如射光以45°的方向射向待測物，反射或散射光由在135°方向的物鏡來收集，再由CCD等記錄，如圖1(b)所示。這種測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或兩側，具有很好的靈活性。惟一的不足是光子產生效率比較低。

圖1 共焦和離焦檢測方式

方案的整體構成如圖2所示，該圖表示的是采用共焦反射方式的測量系統組成。由于測量的是微米級的視場，因而需要采用大數值孔徑、高放大倍率、長工作距離的公交共焦顯微鏡，來實現對整個視場的全范圍照明和聚焦平面控制。在計算機控制下，對激光器的激發和CCD的圖像采集進行同步，切換開關用來分別接通不同CCD攝像機，實現對圖像的拍攝、傳輸、儲存。LIF攝像機前增加濾色片是為了防止干擾激光對熒光圖像的帶來的噪聲污染。

該方案采用的數字粒子干涉測速(DPIV)是一種成熟的流場數字圖像測速技術。采用連續發光的汞弧燈或脈沖激光器照明，用高分辨率、高速CCD拍攝流體中納米級示蹤粒子圖像。對所拍攝的不同時刻圖像進行圖像相關運算，再經過相應的誤差校正技術，就可獲得流體內的速度矢量分布圖，可用于連續測速和流動控制。激光誘導熒光(LIF)也是一種常見的流場可視化技術，針對不同的熒光染色劑需要用不同波長的激光光源激發。熒光圖像用標準的熒光顯微鏡和CCD攝像機拍攝，所以圖像的空間解析度由顯微鏡來決定，時間解析度則由CCD的拍攝頻率來決定。例如采用數值孔徑0.32的物鏡和30 Hz的攝像機，可得出的空間和時間解析度分別為1 μs和33 ms。根據熒光強度對溫度的依賴性，對比標準熒光強度下的圖像，已有報告的分辨率高達0.03 ℃。由此可見，此方案中兩種測量技術都具有很好的可操作性，并能達到相當高的測量精度。

圖2 DPIV和LIF聯用測量方案

3 測量圖像處理方法

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法、MQD法、粒子圖像模式匹配法、四幀PIV法、二值化圖像相關法。采用圖像相關法，當2幅圖像記錄后并轉化為矩形粒子圖像對時，每對粒子圖像子區域通過互相關可定義一個位移矢量 S 。已知2幅圖像的拍攝時間間隔Δt，根據V= S /Δt就會計算出相應的平均速度。假設f(x，y)和g(x，y)分別是第一、二子區域的光強分布函數，互相關函數由下式給出:

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)為第二子區域內流體示蹤粒子的位移矢量。2個子區域間的平均位移 S 與像素間的關系同互相關函數峰值與子區域幾何中心間的距離相對應。對于2幅m×n像素的數字圖像，其相關函數為[7]:

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

微流動時由于尺寸效應，使得流體分子間的作用力明顯，而且因為流動速度比較很低，粒子的布朗運動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速度，就必須消除布朗運動帶來的負面影響。消除的方法有2種，多幅圖像平均法和矢量平滑技術。前一種技術適用于穩定的流動場，可以將速度誤差降低到很小的水平。后一種適用于時變流場，它通過單個矢量與周圍矢量的關系來糾正誤差，設立一定的統計偏差閾值，對超過閾值的矢量進行平滑處理。

由于人眼對彩色的識別能力遠高于對黑白灰度圖像，所以將黑白圖像轉化成彩色可以提高對圖像細節的辨別力，從而達到圖像增強的目的。偽彩色處理即是將黑白灰度圖像轉化為彩色圖像。利用RGB三基色原理，采用一定的映射關系將256級灰度轉化為一幅按可見彩色光的波長來表示其灰度值分布的偽彩色圖像。采用如下的映射關系[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準光強的為彩色圖像進行對比，就可獲取流場的溫度分布。圖像對比的方法同樣可以采用最大相關法，獲取準確的溫度分布曲線及變化矢量。

4 測量實驗結果

圖3給出的是采用DPIV和LIF測量一個T型流道內的速度場和溫度場，經圖像處理以后的結果。從結果可以看出，二者測量出的數值具有很好的一致性。流體從上方的支管流進直流道內，并形成相應的擴散形式，溫度的分布說明了熱傳導的過程，速度分布也很好的吻合這一點。

圖3T型流道的測量結果

5 結 語

對微流體內速度場和溫度場數值的測量是研究微流動行為的一種主要方法，同時測量二者的數值則是分析不同情況下二者之間相互影響的關鍵。本文主要討論了一種可視化的測量方案，不僅可以得到所需的速度、溫度數值，而且可以直接獲得相應的數值分布情況。相比較而言，DPIV加LIF法就有更好的可操作性和測量精度，具有光路調節機構簡單，測量時間短、效率高等優點。隨著測量技術的不斷進步，相信將會有更多更優秀的測量方法可應用于微流體的測量中。

參考文獻

[1]HORIUCHI K， DUTTA P. Joule heating effects in electroosmotically driven microchannel flows[J]. Int. Heat and Mass Transfer， 2004， 47: 3085.

[2]KANG Y， YANG C. Joule heating induced transient temperature field and its effects on electroosmosis in a microcapillary packed with microspheres[J]. Langmuir， 2005，25: 7598.

[3]謝海波，傅新，楊華勇.微流場可視化測速技術及其應用[J].中國機械工程，2007，18(9):1100-1103.

[4]戴敬，王世立，方肇倫.微流體溫度測量技術[J].化學進展，2004，16(6):886-890.

[5]齊華，程光偉.基于熒光標記的生物芯片信號檢測技術[J].現代電子技術，2003，26(5):41-44.

[6]馬立人，蔣中華.生物芯片[M].北京:化學工業出版社，2002.

[7]段俐，康琦，申功.PIV技術的粒子圖像處理方法[J].北京航空航天大學學報，2000，26(1):79-83.

[8]韓躍平，李瑞紅，韓焱.振動速度場測試的偽彩色分頻顯示研究[J].山西電子技術，2004(3):3-4.