基于图像处理与控制技术的微滴检测、计数与控制

发布时间：2020-08-27 19:06

【摘要】：液滴微流体作为微流体的一个重要分支,由于其跨学科特性和在生物医学等多领域的广泛应用,近年来引起了研究者们极大的关注。液滴控制、液滴计数与液滴检测等诸多技术得到革新,通过应用小型化集成系统取代化学实验室内的繁复实验。然而,液滴微流体系统的发展仍然面临诸多挑战,其中之一便是在微型管道内检测并准确地控制液滴的运动。虽然很多研究人员通过流速实现了液滴大小的控制,但是有效的液滴检测和计数方法却十分匮乏,且鲜有深入的研究工作。针对上述问题,本文首次引入了一个有效且高效的系统并利用控制策略来解决这些难点。本文的贡献在于以下两个方面。首先成功地检测微流体通道内的液滴并对其进行计数,首次提出了一种基于图像处理的自动系统以用于液滴检测与计数。该图像处理技术基于时间差分运动检测算法实现连续流动的液滴检测和计数。为考虑液滴图像的强度特性,本文所提技术首先对每帧中所有移动的液滴进行检测,之后针对每帧中检测到的移动液滴进行计数。此外,本文分别利用磷酸盐缓冲溶液和8%聚乙二醇二丙烯酸酯预聚物的液滴对系统进行测试。实验结果表明本文所提算法能够检测到液滴并取得了最低的计数误差。其次,本文利用模糊逻辑控制器(PLC)、图像处理算法以及安置于微流体通道内的微阀,开发了一整套微流体通道内的液滴运动控制系统.微阀是微流体系统中最重要的控制组件之一,其用于控制微流体系统中液滴产生的时间、位置和流速。微阀应具有便宜、易于制造、占地面积小等特性,并可安置于通道内部,易于与复杂的微流体网络集成。针对控制器的选择,本文比较了 PLD与FLC两种不同控制器的性能,根据实验结果选择并部署了 FLC控制器。利用模糊矩阵和隶属函数所设计的FLC实现了对注射泵流量的自动调节,一旦达到特定的液滴位置,控制器就会关闭阀门。此外,基于贪心策略的图像处理算法被设计用于跟踪微流体通道内的液滴运动。该算法有助于向控制器反馈液滴的当前位置、误差(微流体通道中液滴的期望位置和当前位置之间的距离)和误差的变化(液滴从初始位置到期望位置的距离)等输入参数。在上述参数的基础上,控制器实现对流速和阀门的精确位置控制。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O652;TP391.41;TP273

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本文编号：2806501