液滴衝撃の高スループット解析

1. 高速カメラの設定 カメラの固定視野(FOV)を設定し、ピクセルからmmへの変換係数を計算します。 カメラに向かわせるようにサンプルステージの中央位置に位置合わせマーカー(例えば、画像解析コードを備えた4mm側の長さマーカー)を配置します。カメラの拡大率を調整して、四角いマーカーが FOV 内に収まるようにします。マーカーがフォーカスされていることを確認し、画像をキャプチャします。注: 画像分析コードでは、画像のドロップレットが全 FOV の 1% 以上をカバーする必要があり、それ以外の場合はノイズとして分類されます。同様に、液滴はFOVの40%以上を占めるべきではありません。そうでなければ失敗した画像処理イベントとして識別されます。 レンズの倍率をロックし、実験のバッチ中に変更されていないことを確認します。 MATLAB内のアイコンをクリックして、ドロップレット影響解析ソフトウェアのグラフィカルユーザーインターフェイス(GUI)をロードします。 イメージ解析コードを実行します。GUI で、カメラのキャリブレーションボタンをクリックし、ステップ 1.1.1 で取得した画像を選択します。キャリブレーションの正方形のサイズを mm で入力し、[OK]をクリックします。 画面に表示される四角形を、その中にキャリブレーションの正方形が唯一のオブジェクトになるまで移動します。[OK] をクリックすると、変換係数が自動的に計算されます。自動校正に失敗した場合は、ソフトウェアガイドに従って手動でキャリブレーションを実行します。 実験システムを整列させます。個々の液滴の分配に使用されている液体を準備します。 ニードルマウントをユーザーの目の高さに配置して、読み込みやすさを可能にします。 手動でチューブをパージし、シリンジで空気を押し通して流体を取り除きます。チューブがねじれていないことと、針が安全で清潔であることを確認します。針とチューブを固定して、針が垂直になるようにします。注:必要に応じて、超音波浴中のエタノールでスチールニードルをきれいにします。 調査中の流体(例えば、水)でシリンジを充填し、コンピュータ制御のシリンジポンプに取り付けます。液体に泡が入らなくなるまで、シリンジポンプ(クリックしてディスペンスボタンを押したままにして)を使用して針をパージします。 注射器ポンプをセットして、個々の液滴の放出に必要な容積を分配します。注:代表的な結果では、平均液滴径は0.5 mL/minの分配速度と11 μLの分配された容積を使用して2.6mmでした。ポンピング速度は、液滴が重力下で形成され放出されるように十分に遅くする必要があり、これは試行錯誤によって微調整することができます。液滴の体積は14と近似することができるここで、Dは針径、γLGは液体-気体表面張力、ρは流体密度です。 サンプル(例えば、平らなポリジメチルシロキサン[PDMS])を針の下に置き、シリンジポンプを使用して単一の液滴を分配することによって、サンプルを整列させる。ドロップレットが、目的のサンプルの領域に着地して広がっていることを確認し、必要に応じてサンプル位置を変更しない場合は、それを確認します。メモ:液滴の位置合わせが困難な場合は、針が針ホルダーに正しく取り付けられ、曲がっていないか確認してください。サンプルは X 軸と Y 軸に対して位置合わせされ、実験中は移動できません。 カメラを揃えて焦点を合わせます。 サンプルに単一の液滴を分配します。サンプルホルダーの垂直位置(Z)を、サーフェスがカメラのFOVの中心と同じレベルになるまで調整します。 サンプルの液滴が FOV の中央に揃うように、カメラの水平位置 (X) を調整します。LED の垂直(Z)と水平(X)の位置をカメラの位置に合わせて調整し、光の中心が FOV の中心に表示されるようにします。液滴が焦点を合わせるように、カメラの液滴からの距離(Y)を調整します。注: システムは調整され、調整されます。すべての機器の位置が変更されていない場合、プロトコルを再調整せずに一時停止および再起動できます。縦方向のサンプルの整列(Z)は、さまざまな厚さのサンプルに対して繰り返す必要があります。 カメラの記録条件を設定します。 カメラのフレームレートを、記録するオブジェクトの最適な値に設定します。注:カメラの最適なフレームレート(fps)は31を使用して予測できますここで、Nはサンプリングレート(物体として撮影された画像の数は長さスケールをカバーし、通常は10)、Vは液滴の速度、jはイメージング長スケール(例えばFOV)です。 十分な照明を保持しながら、カメラの露出時間をできるだけ小さい値に設定します。この段階では、レンズの絞りを、十分な照明を保持しながら、使用可能な最小の設定に調整します。注: 最小露光時間の推定値 (te) は31ここでkは長さスケール(ピクセルのサイズなど)、PMAGは主な倍率、Vは液滴の速度です。 カメラのトリガーを設定します。エンドモードトリガーを使用して、カメラが記録をバッファリングし、トリガーで停止します(例えば、ユーザーのマウスクリック)。メモ:自動トリガシステムを使用して、このプロセスを自動化することができます。 2. 実験の実施 実験のバッチ用にコンピュータのファイルシステムを準備します。 現在の実験バッチのムービーを保存するフォルダを作成します。このフォルダをカメラメーカーのガイドに従って、カメラソフトウェアの保存場所として設定します。キャプチャされたイメージのファイル形式が .tif であることを確認します。 画像解析 GUI の [パスの設定] ボタンをクリックし、ステップ 2.1.1 と同じフォルダを選択します。 実験のバッチのフォルダー構造を作成します。 画像解析 GUI の[フォルダを作成]ボタンをクリックし、プロンプトに従って、ドロップレットリリースの最小高さ、2)最大リリース高さ、3)各実験間の高さのステップ、および4)各高さで繰り返し実験の回数の4つの値を入力します。注: 衝撃速度はV = (2gh)1/2と近似することができ、gは重力による加速度、hはドロップ リリース高さです。 [OK] をクリックして、[フォルダの作成] スクリプトを実行します。注: この実験のディレクトリに、さまざまなフォルダが作成されました。これらのフォルダは”height_xx”という名前で、xxは液滴リリースの高さです。これらの各フォルダでは、空のフォルダに繰り返しの実験のデータを格納する準備が整います。研究する新しいサーフェスまたは流体ごとにセクション 2.1 を繰り返します。 実験に必要なサーフェスを準備します。乾燥した固体表面への衝撃のために、適切な標準プロトコルで表面をきれいにし、完全に乾燥させます。 ドロップレットの影響イベントを記録します。 サンプルステージにサンプルを配置します。必要に応じて、サーフェスを回転させてカメラに合わせます。針を希望の液滴放出高さに移動します。 カメラからのビューが遮られないことを確認し、カメラソフトウェアを使用して(画像処理時に後で使用する)画像をキャプチャして保存します。ビデオ録画を開始して、カメラが録画およびバッファリングを行う(つまり、カメラの内部メモリを埋める)ようにします。 スポイトポンプを使用して、単一の液滴をサンプルに分配します(ステップ1.2.1.4)。影響イベントが完了したら、記録を停止するようにトリガーします。サンプルホルダーから表面を取り除き、適宜乾燥させます。 さらに分析できるようにビデオ ファイルを準備します。 ビデオをトリミングします。 適切なソフトウェア(例えば、高速カメラソフトウェア)を使用して、ビデオをスキャンして、液滴が完全にFOV内にある最初のフレームを見つけます。ビデオの開始位置をこのフレームにトリミングします。 衝撃実験中に対象の現象をキャプチャするために必要なフレーム数を進めます(例えば、通常、10,000 fpsでキャプチャされた影響には250フレームで十分です)。ビデオの終わりをこのフレームにトリミングします。 ビデオを .avi ファイルとして保存し、現在の実験用バッチの対応するフォルダーへの保存パスを設定し、リリースの高さ、繰り返し番号を繰り返します。 イメージ解析 GUI で、[ファイルの並べ替え] ボタンをクリックします。ステップ 2.3.2 で撮影した背景画像が画面に表示されることを視覚的に確認します。これにより、保存された最新の .avi ファイルと .tif ファイルが検出され、同時に取得されたと仮定して、同じフォルダーに移動されます。 [トレースの実行] ボタンをクリックして、イメージ処理を開始します。結果の画像処理がオーバーレイされた状態でビデオが表示されます。ビデオを見て、画像処理が正しく機能していることを定性的に確認します。注:画像処理が完了すると、画像処理コードは最大拡散時に液滴の画像を表示します。カメラを正しく調整しないと、誤った画像処理が発生する可能性があります。必要に応じて、画像処理が成功するまでキャリブレーションを繰り返します。 セクション 2.3 と 2.4 を繰り返し、このバッチですべての実験を行うために必要に応じて針の高さを調整します。注: 各実験用フォルダには、一連の .mat ファイルが含まれます。これらのファイルは、画像処理ソフトウェアによって抽出され、各フレームのドロップアウトライン、領域、境界ボックス、および周囲を含む、将来の分析のために保存されたデータが含まれています。 3. 生データの分析 画像解析 GUI で「データの処理」ボタンをクリックして、未処理の処理データから主要変数の計算を開始します。実験セッションの後に実行すると、ユーザーは処理する実験のバッチを含むフォルダを選択するように求められます。 1)フレームレート(fps)、2)流体密度(kg/m 3)、3)流体表面張力(N/m)、4)流体粘度(Pa·s)の4つの値を入力します。注: ソフトウェアは、デフォルトでフレームレート 9,300 fps、周囲の環境下での水の流体特性に設定されます。入力された値は、ウェーバーとレイノルズ数の計算に使用されます。 データを videofolders.mat ファイルに保存し、.csv ファイルとしてエクスポートします。注: コードは、単一の実験のためにファイルprop_data.matをロードし、液滴の中心の位置を計算し、衝撃フレーム(ドロップレットの中心が減速する前の最後のフレームとして定義される)を見つけ、そして、ドロップレットの水平広がりを最大化するフレームを見つけます。保存される出力データは、衝撃速度(時間の関数として、液滴中心の垂直位置に1stの多項式フィットを使用する)、液滴の等価直径(Z軸を中心とした回転対称を仮定して液滴体積を求め、その体積36の球体の直径を求めることによって計算される)、最大スプレッドにおける液滴直径、およびインパクトウェブアーとレイノルズ数である。