基于纳米颗粒群布朗运动图像分析的微流体温度测量算法-NSFC.PDF

第9 卷增刊2 过 程 工 程 学 报 Vol.9 Suppl. No.2 2009 年 9 月 The Chinese Journal of Process Engineering S ept. 2009 基于纳米颗粒群布朗运动图像分析的微流体温度测量算法 王昊利, 杨 蒙 ( 中国计量学院计量测试工程分院，浙江 杭州 310018) 摘 要：为解决传统测温技术在微流体温度场测量中的困难，发展了基于纳米颗粒群布朗运动图像分析的微流体温度 测量算法. 利用显微颗粒图像测速技术及互相关算法获得因布朗运动引起的纳米颗粒群互相关函数峰值扩散系数. 对 250 nm 颗粒的模拟结果表明，因颗粒布朗运动产生的绝对系综相关函数峰值面积大于不发生布朗运动的情形. 相关峰 值扩散系数随流体绝对温度的增加呈近似线性递增，与 Einstein−Stokes 公式给出的规律一致. 在一定的颗粒浓度范围 内，对于相同像素的判读域，峰值扩散系数随绝对温度线性增加规律基本保持不变. 对于不同像素的判读域，相关峰 −4 −4 值扩散系数变化范围不同，但拟合直线的斜率在 3.03×10 ~4.28×10 ，线性规律无明显变化. 关键词：微流体温度测量；纳米颗粒群；布朗运动；显微颗粒图像测速技术；绝对系综相关函数 中图分类号：O357 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2009)S2−0112−05 的微流体温度可视化测量算法，并对纳米颗粒进行了模 1 前 言 拟研究. 近年来，由于科学研究、工业技术、生物医学、能 2 纳米颗粒图像分析算法 源科学等朝向显微尺度方向发展，微电子机械系统 (MEMS)技术得到迅速发展，微流体流动和传热问题已 2.1 速度测量的互相关及系综相关算法 成为其中的重要分支和热点研究领域之一. 到目前为 采用显微颗粒图像测速技术求解速度场时需采用 止，多种方法用于微流体流动和传热问题的研究，包括 互相关算法来确定判读域内颗粒群的位移. 互相关算法 了理论分析、数值求解和实验研究，其中实验研究仍然 要经过 3 次二维快速傅立叶变换(FFT)获得，计算过程 占有重要地位. 由于尺度微小，常规尺度实验研究已经 如下：在判读域内，假设颗粒的位移是均匀的，则第二 很难实现对微流体流场和温度场的测量. 随着测量技术 个脉冲光形成的图像可视为第一个脉冲光形成的图像 的进步，非接触可视化测量技术已经成为揭示微流体现 经过平移后得到的. 象的重要手段. 目前已经出现多种微流体流体流场可视 对第一帧图像进行 FFT 变换： 化测量手段，其中微流体颗粒图像测速技术(Micro-PIV, ˆ g (ω ,ω)=(1/2π)∫∫g (x ,y )exp[i(ωx+ωy )]dxdy . (1) Microscopic Particle Image Velocimetry) 因具有瞬态、非 1 x y 1 x y 接触、高空间分辨率等特点已经成为微流体研究领域应 对第二幅图像进行