High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts

Matheu A.J. Broom; Geoff  R. Willmott

doi:10.3791/60778

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

Высокоэффективный анализ воздействия жидких капель

Published: March 06, 2020

doi:

10.3791/60778

Matheu A.J. Broom¹, Geoff R. Willmott^1,2

¹The Department of Physics and The MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology,The University of Auckland, ²School of Chemical Sciences,The University of Auckland

Summary

Этот протокол позволяет эффективно собирать экспериментальные высокоскоростные изображения жидких капель ных и быстрый анализ этих данных в пакетах. Для оптимизации этих процессов метод описывает, как откалибровать и настроить аппарат, создать соответствующую структуру данных и развернуть сценарий анализа изображений.

Abstract

Экспериментальные исследования воздействия жидких капель на поверхности часто ограничиваются по своему охвату из-за большого диапазона возможных экспериментальных параметров, таких как свойства материала, условия воздействия и экспериментальные конфигурации. Усугубляя это, падение воздействия часто изучаются с помощью богатых данными высокоскоростной фотографии, так что трудно проанализировать многие эксперименты в подробным и своевременным образом. Цель этого метода заключается в обеспечении эффективного изучения воздействия капель с помощью высокоскоростной фотографии с помощью систематического подхода. Оборудование выровнено и откалибровано для получения видео, которые могут быть точно обработаны пользовательским кодом обработки изображений. Кроме того, настройка структуры файлов и описанный здесь рабочий процесс обеспечивают эффективность и четкую организацию обработки данных, которая осуществляется в то время, когда исследователь все еще находится в лаборатории. Метод обработки изображений извлекает оцифрованный контур воздействующей капли в каждом кадре видео, а обработанные данные хранятся для дальнейшего анализа по мере необходимости. Протокол предполагает, что капля высвобождается вертикально под действием силы тяжести, а удар записывается при просмотре камеры с боковой с падением, освещенным с помощью теневой графики. Многие подобные эксперименты, связанные с анализом изображений высокоскоростных событий, можно было бы решить с незначительной корректировкой на используемый протокол и используемое оборудование.

Introduction

Воздействие жидких капель на поверхности представляет большой интерес как для понимания фундаментальных явлений^1, так и для промышленных процессов^2. Падение воздействия были изучены на протяжении более 100 лет³, но многие аспекты еще предстоит полностью изучить. Высокоскоростная фотография почти повсеместно используется для изучения последствий падения^4, поскольку она обеспечивает богатые, доступные данные, которые позволяют аналитические измерения должны быть сделаны с хорошим разрешением времени. Результаты падения воздействия на твердую поверхность^5,⁶^,⁷ варьируются от простого осаждения до брызг⁸. Воздействие на супергидрофобные поверхности часто изучаются, поскольку они могут генерировать особенно интересные результаты, в том числе падение подпрыгивая⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹². Описанный здесь протокол был разработан для изучения воздействия капли воды на полимерные поверхности с микромасштабным паттернированием, и в частности влияния модели на исходы воздействия на падение¹³^,¹⁴.

На результат эксперимента по воздействию на падение может повлиять широкий спектр возможных переменных. Размер и скорость падения могут варьироваться, наряду с свойствами жидкости, такими как плотность, поверхностное натяжение и вязкость. Падение может быть либо Ньютоновский¹⁵ или не-ньютоновский¹⁶. Было изучено большое разнообразие ударных поверхностей, в том числе жидкость^7,^17,твердые¹⁸и эластичные¹⁹ поверхностей. Различные возможные экспериментальные конфигурации были описаны ранее Рейн и др.¹⁷. Капля может принимать различные формы. Он может колебаться, вращаться или воздействовать под углом к поверхности. Текстура поверхности и факторы окружающей среды, такие как температура, могут варьироваться. Все эти параметры делают поле капельвоздействия чрезвычайно широким.

Из-за этого большого диапазона переменных, исследования динамических явлений смачивания жидкости часто ограничиваются относительно конкретными или узкими темами. Многие такие исследования используют умеренное количество экспериментов (например, 50–200 точек данных), полученных из обработанных вручную высокоскоростных видео^10,^20,^21,²². Масштабы таких исследований ограничены объемом данных, которые могут быть получены исследователем в разумные сроки. Ручная обработка видео требует от пользователя выполнения повторяющихся задач, таких как измерение диаметра воздействующих капель, часто достигаемых с помощью программного обеспечения для анализа изображений (Фиджи²³ и Tracker²⁴ являются популярными вариантами). Наиболее широко используемым измерением для характеристикпадения ударов является диаметр распространения капли^25,^26,^27,²⁸.

Благодаря усовершенствованиям в обработке изображений автоматические компьютерные методы начинают повышать эффективность сбора данных. Например, теперь доступны алгоритмы анализа изображений для автоматического измерения угла контакта²⁹ и поверхностного натяжения с помощью метода падения кулона^30. Гораздо больше ежей эффективности может быть сделано для высокоскоростной фотографии падения ударов, которая производит фильмы, состоящие из многих отдельных изображений для анализа, и действительно некоторые недавние исследования начали использовать автоматизированный анализ¹⁵^,¹⁸, хотя экспериментальный рабочий процесс явно не изменилась. Другие улучшения в экспериментальном дизайне для экспериментов падения воздействия возникли из достижений в коммерчески доступных светодиодных источников света, которые могут быть соединены с высокоскоростными камерами с помощью техники теней³¹^,³²^,³³^,³⁴.

В этой статье описывается стандартизированный метод захвата и анализа фильмов о падении. Основная цель заключается в обеспечении эффективного сбора больших наборов данных, которые должны быть в целом полезны для широкого спектра описанных выше исследований воздействия на падение. Используя этот метод, оцифрованный по времени контур ударного падения может быть получен для экспериментов на 100 фунтов в день. Анализ автоматически вычисляет параметры воздействия капель (размер, скорость, числа Вебера и Рейнольдса) и максимальный диаметр распространения. Протокол непосредственно применим к любым основным параметрам капель (включая жидкость, размер и скорость удара), субстратный материал или условия окружающей среды. Исследования, которые сканируют широкий спектр экспериментальных параметров, могут быть проведены в относительно короткие сроки. Метод также поощряет исследования высокого разрешения, охватывающие небольшой диапазон переменных, с несколькими повторными экспериментами.

Преимущества этого метода обеспечиваются стандартизированным экспериментом, а также четкой структурой данных и рабочим процессом. Экспериментальная настройка производит изображения с последовательными свойствами (пространственные и контрастные), которые могут быть переданы в пользовательский код анализа изображений (включен в качестве дополнительного файла кодирования, который работает на MATLAB) для оперативной обработки записанных видео сразу же после эксперимента. Интеграция обработки и сбора данных является основной причиной повышения общей скорости сбора данных. После сеанса сбора данных каждое видео было обработано, и все соответствующие исходные данные хранятся для дальнейшего анализа, не требуя переработки видео. Кроме того, пользователь может визуально проверить качество каждого эксперимента сразу после его проведения и при необходимости повторить эксперимент. Первоначальный шаг калибровки гарантирует, что экспериментальная установка может быть воспроизведена между различными лабораторными сессиями с хорошей точностью.

Предполагается, что для реализации этого метода пользователь имеет доступ к высокоскоростной камере, устроенной так, чтобы она изображения поверхности с горизонтальной (боковой) точки зрения. Схематическое представление этого расположения показано на рисунке 1,включая определение декартовых осей. Система должна иметь возможность точно расположить камеру и образец в трех измерениях (X, Y и No). Метод теней реализован для освещения капли и помещается вдоль оптического пути камеры. Система должна использовать высококачественную систему светодиодного освещения прямого тока (DC) (включая коллимирующий конденсаторный объектив), которая может быть перемещена в направлениях X и No для выравнивания оптического пути с камерой. Предполагается также, что пользователь имеет доступ к шприц насос, который они могут запрограммировать для производства отдельных капель желаемого объема при подключении к конкретной иглы³⁵. Капля попадает под гравитацию так, что ее скорость удара контролируется положением иглы над поверхностью. Хотя эта установка является довольно общей, Таблица материалов перечисляет конкретное оборудование, используемое для получения результатов репрезентативных, и отмечает некоторые потенциальные ограничения, налагаемые выбором оборудования.

Рисунок 1: Схематическое представление минимальной экспериментальной установки. Высокоскоростная камера расположена на каплях изображения, возвырающихся вертикально на образец с боковой. Светодиодный источник света выравнивается с линией видимости камеры для теней. Игла используется для производства отдельных капель, и декартовые оси определяются. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Описание метода сосредоточено на измерении краев жидких капель при падении и воздействии. Изображения получены с часто используемой боковой точки зрения. Можно исследовать распространение капель с обоих стороны на и снизу вверх мнения с помощью двух высокоскоростных камер¹³^,¹⁴, но снизу вверх зрения не представляется возможным для непрозрачных материалов, и сверху вниз вид производит выравнивание осложнений. Основной рабочий процесс может быть использован для улучшения исследований для любых небольших (2-3 мм диаметр) объектов, которые воздействуют на поверхности, и он может быть использован для больших или меньших объектов с дальнейшими незначительными изменениями. В разделе обсуждения рассматриваются усовершенствования и альтернативы экспериментальной установке и методу.

Protocol

1. Настройка высокоскоростной камеры Установите фиксированное поле зрения (FOV) для камеры и вычислите коэффициент преобразования от пикселя до мм. Поместите маркер выравнивания (например, маркер боковой длины 4 мм с предоставленным кодом анализа изображения) на центральное положение стадии образца, чтобы он стоял лицом к камере. Отрегулируйте увеличение камеры так, чтобы квадратный маркер вмещал FOV. Убедитесь, что маркер находится в фокусе и захват изображения.ПРИМЕЧАНИЕ: Код анализа изображений требует, чтобы изображенная капля покрывала более 1% от общего объема FOV, в противном случае она классифицируется как шум. Аналогичным образом, капля не должна занять более 40% от FOV, в противном случае она определяется как неудачное событие обработки изображений. Блокировка увеличения объектива и убедитесь, что это остается неизменным во время серии экспериментов. Загрузите графический пользовательский интерфейс (GUI) для программного обеспечения анализа воздействия капель, нажав на значок в MATLAB. Выполнить код анализа изображений. На ГРАФИЧЕСКОм интерфейсе нажмите кнопку калибровки камеры и выберите изображение, полученное в шаге 1.1.1. Введите размер квадрата калибровки в мм и нажмите OK. Переместите прямоугольник, показанный на экране, пока квадрат калибровки не будет единственным объектом внутри него. Нажмите OK, и программное обеспечение автоматически вычислит коэффициент конверсии. Если автоматическая калибровка не удается, следуйте программному направляю для выполнения ручной калибровки. Выровнять экспериментальную систему.Подготовьте жидкость, используемую для распределения отдельных капель. Расположите иглу крепление на уровне глаз пользователя, чтобы обеспечить легкость загрузки. Вручную очищайте трубки, чтобы удалить любую жидкость, проталкивая воздух шприцем. Убедитесь, что трубка не скручена и что игла безопасна и чиста. Исправить иглу и трубки так, чтобы игла вертикальной.ПРИМЕЧАНИЕ: При необходимости очистите стальную иглу этанолом в ультразвуковой ванне. Заполните шприц исследуемой жидкостью (например, водой) и прикрепите его к управляемому компьютером шприц-насосу. Очистите иглу с помощью шприца насоса (нажмите и удерживайте кнопку дозирования) до тех пор, пока пузырьки не присутствуют в жидкости. Установите шприц насос так, что он будет распределять объем, необходимый для выпуска отдельных капель.ПРИМЕЧАНИЕ: Для репрезентативных результатов средний диаметр капли составлял 2,6 мм с использованием дозирования 0,5 мл/мин и разрозненных объемов 11 л. Скорость накачки должна быть достаточно медленной, чтобы капли образовывались и выпускались под действием силы тяжести, и это можно было доработать методом проб и ошибок. Объем капли может быть приблизительно14где D диаметр иглы,LG является поверхностное натяжение поверхности жидкого газа, и – плотность жидкости. Выровнять образец (например, плоский полидиметилсилоксан (PDMS), поместив его под иглу и раздав одну капельку с помощью шприца насоса. Убедитесь, что капля приземляется и распространяется на область выборки, которая представляет интерес, и если не изменить образец позиции по мере необходимости.ПРИМЕЧАНИЕ: Если выравнивание капли доказывает трудно, убедитесь, что игла установлена правильно в держатель иглы вертикально и не согнуты. Образец теперь выравнивается по отношению к осям X и Y и не должен перемещаться во время экспериментов. Выровнять и фокусировать камеру. Распределите одну каплю на образец. Отрегулируйте вертикальное положение (к) держателя образца до тех пор, пока поверхность не будет сравняна с центром FOV камеры. Отрегулируйте горизонтальное положение (X) камеры так, чтобы капля на образце выровнялась в центре FOV. Отрегулируйте вертикальное (я) и горизонтальное (X) положение светодиода, чтобы соответствовать положению камеры, так что центр света появляется в центре FOV. Отрегулируйте расстояние (Y) камеры от капли так, чтобы капля встраивается в фокус.ПРИМЕЧАНИЕ: Система теперь выровнена и откалибрована. Если позиционирование всего оборудования остается неизменным, протокол может быть приостановлен и перезапущен без перепланировки. Выравнивание образца в вертикальном направлении (к) должно быть повторено для образцов различной толщины. Установите условия записи для камеры. Установите частоту кадров камеры до оптимального значения для записанного объекта.ПРИМЕЧАНИЕ: Оптимальная частота кадров камеры(fps)можно предсказать с помощью31где N является частотой выборки (количество изображений, снятых в виде изображения, покрытого длиной, обычно 10), V — это скорость капли, а j — шкала длины изображения (например, FOV). Установите время экспозиции камеры на значение, максимально возможное, сохраняя при этом достаточное количество освещения. На этом этапе отрегулируйте диафрагму объектива до наименьшей доступной настройки, сохраняя при этом достаточное освещение.ПРИМЕЧАНИЕ: Оценка минимального времени экспозиции(te)дается31где k — это шкала длины (например, размер пикселя), PMAG является первичным увеличением, а V — скоростью капли. Установите спусковой крючок для камеры. Используйте спусковой крючок режима, чтобы камера буферизировать запись, а затем останавливается на спусковом крючке (например, нажмите мышью пользователя).ПРИМЕЧАНИЕ: Автоматическая система триггера может быть использована для автоматизации этого процесса. 2. Проведение экспериментов Подготовьте компьютерную файловую систему для серии экспериментов. Создайте папку для хранения фильмов для текущей партии экспериментов. Установите эту папку в качестве места сохранения для программного обеспечения камеры после руководства производителя камеры. Убедитесь, что формат файла для захваченных изображений .tif. Нажмите кнопку Set Path в графическом интерфейсе анализа изображений и выберите ту же папку, что и в шаге 2.1.1, которая говорит программному обеспечению для мониторинга этой папки для новых видео. Создайте структуру папок для серии экспериментов. Нажмите кнопку Make Folders на GUI анализа изображений и введите четыре значения по мере прошения: 1) минимальная высота выпуска капли, 2) максимальная высота релиза, 3) шаг высоты между каждым экспериментом и 4) количество повторных экспериментов на каждой высоте.ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость удара может быть приближена как V q (2gh)1/2, где g ускорение из-за тяжести и h высота отпуска падения. Нажмите OK, чтобы запустить сценарий Make Folders.ПРИМЕЧАНИЕ: В каталоге для этого эксперимента создан ряд папок. Эти папки называются “height_xx”, где xx является высота высвобождения капель. В каждой из этих папок пустые папки готовы хранить данные для каждого повторного эксперимента. Повторите раздел 2.1 для каждой новой поверхности или жидкости, которые будут изучены. Подготовьте поверхность по мере необходимости для эксперимента. Для удара о сухую, твердую поверхность очистите поверхность соответствующим стандартным протоколом и дайте ей полностью высохнуть. Запись события воздействия капель. Поместите образец на этап егеря. При необходимости поверните поверхность, чтобы выровнять ее с камерой. Переместите иглу на нужную высоту высвобождения капель. Убедитесь, что вид с камеры беспрепятственно, а затем захватить и сохранить изображение (будет использоваться позже во время обработки изображений) с помощью программного обеспечения камеры. Начните видеозапись так, чтобы камера записывала и буферизация (т.е. заполняла внутреннюю память камеры). Распределите одну каплю на образец с помощью шприца насоса (шаг 1.2.1.4). Запустите запись, чтобы остановить, как только событие удара завершено. Удалите поверхность из держателя образца и высушите ее, по мере необходимости. Подготовьте видеофайл для дальнейшего анализа. Обрезать видео. Используя подходящее программное обеспечение (например, высокоскоростное программное обеспечение камеры), сканировать через видео, чтобы найти первый кадр, в котором капля полностью в пределах FOV. Обрезать начало видео в этом кадре. Двигайтесь вперед по количеству кадров, необходимых для отражения явлений, представляющих интерес в ходе эксперимента по воздействию (например, 250 кадров обычно достаточны для воздействия, зафиксированного при 10 000 кадров в секунду). Обрезать конец видео в этом кадре. Сохраните видео в виде файла .avi, установив путь сохранения к соответствующей папке для текущей экспериментальной партии, высоте выпуска и номеру повтора. В графическом интерфейсе анализа изображений нажмите кнопку Sort Files. Визуально подтвердите, что фоновое изображение, сделанное в шаге 2.3.2, теперь отображается на экране. Это находит последний сохраненный файл .avi и файл .tif и перемещает их в ту же папку, предполагая, что они были приняты в то же время. Нажмите кнопку Отслеживания выполнения, чтобы начать обработку изображений. Видео будет отображаться с наложенной обработкой изображений. Качественно проверяйте, правильно ли работает обработка изображений, просматривая видео.ПРИМЕЧАНИЕ: По завершении обработки изображений код обработки изображений будет отображать изображение капли с максимальным спредом. Неспособность правильно откалибровать камеру может привести к неправильной обработке изображений. При необходимости повторите калибровку до тех пор, пока обработка изображений не будет успешной. Повторите разделы 2.3 и 2.4, регулируя высоту иглы по мере необходимости для проведения всех экспериментов в этой партии.ПРИМЕЧАНИЕ: Каждая экспериментальная папка теперь будет содержать ряд файлов .mat. Эти файлы содержат данные, извлеченные программным обеспечением обработки изображений и сохраненные для будущего анализа, включая контур падения, область, ограничивающий ящик и периметр для каждого кадра. 3. Анализ необработанных данных В графическом интерфейсе анализа изображений нажмите кнопку Process Data, чтобы начать расчет основных переменных из обработанных данных. Если это происходит после экспериментального сеанса, пользователю будет предложено выбрать папку, содержащую пакет экспериментов для обработки. Введите четыре значения по мере запроса: 1) частота записи (fps), 2) плотность жидкости (кг/м3),3) поверхностное натяжение жидкости (N/m) и 4) вязкость жидкости (Паис).ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение по умолчанию частоты кадров 9300 кадров в секунду и жидкости свойства воды в условиях окружающей среды. Введенные значения используются для расчета чисел Вебера и Рейнольдса. Сохранить данные в файле videofolders.mat и экспортировать в виде файла .csv.ПРИМЕЧАНИЕ: Код загрузит файл prop_data.mat для одного эксперимента, вычислит положение центра капли, найдёт раму удара (определяется как последний кадр перед замедлением центра капля), а также рамку, в которой горизонтальное распространение капли максимизируется. Сохраненными выходными данными будет скорость удара (с помощью полиномиальной посадки1-го порядка в вертикальном положении центра капель в качестве функции времени), эквивалентного диаметра капли (рассчитанной при условии вращенной симметрии о оси, чтобы найти объем капли, затем найти диаметр сферы с этим объемом36),диаметр капли при максимальном спреде, а также воздействие вибера И. Рейнольдса.

Representative Results

Преобразование расстояний, измеренных от изображений в пикселях, в миллиметрах достигается с использованием известного эталонного квадрата. Этот квадрат должен быть беспрепятственным в FOV камеры, и в фокусе(Рисунок 2A). Неправильный фокус эталонного квадрата(рисунок 2B)приведет к систематической ошибке в расчетных переменных, например, скорости. Для уменьшения ошибки при расчете коэффициента конверсии эталонная квадратная площадь должна охватывать как можно больше FOV. Боковая длина квадрата должна быть известна как можно более высокой точностью, учитывая предел разрешения камеры. Программное обеспечение для идентификации капель опирается на поверхность образца, представленного горизонтально камере, как показано на рисунке 2C. Поверхности, которые согнуты или плохо решены(рисунок 2D) приведет к погрешности обработки изображений. Программное обеспечение может быть использовано для анализа капель, влияющих на плоские поверхности, которые не являются горизонтальными, до тех пор, как край поверхности производит резкий контраст на фоне. Для обеспечения того, чтобы весь спред капель отслеживается программным обеспечением, капля должна приземлиться в центре образца(рисунок 2E). Если система неправильно выровнена, то капля может дрейфовать от центрального положения, и будет не в фокусе(рисунок 2F). Если выпадение не в фокусе, расчетный размер будет неверным. Этот эффект часто вызван плохим выравниванием системы, используемой для перемещения иглы вертикально от поверхности, что приведет к дрейфу в месте удара в качестве функции высоты. Предлагается, чтобы пользователь реализовывал оптическую систему доски (или аналогичный) для обеспечения параллельного и перпендикулярного выравнивания. Для обеспечения того, чтобы изображенные края воздействующей капли казались острыми, предлагается использовать максимально возможное время экспозиции с доступным источником света(рисунок 2G). Неправильное выравнивание траектории освещения по отношению к камере часто приводит к корректировке других параметров, таких как диафрагма камеры и время экспозиции. Это производит нечеткие края путешествия капли (Рисунок 2H) Рисунок 2: Общие проблемы с неправильной калибровкой системы. (A)Квадрат калибровки правильно выровнены и сфокусированы. (B) Квадрат калибровки вне фокуса, производя неправильный фактор калибровки. (C) Поверхность образца горизонтальна и обеспечивает высокий контраст между поверхностью образца и фоном. (D) Образец находится под углом к камере, производя отражающую поверхность. (E) Капля приземляется в центре образца в плоскости фокусировки. (F) Droplet земли от центра и не находится в центре из-за широкой диафрагмы используется. (G) Капля изображена с острыми краями из-за короткого времени экспозиции (10 s). (H) Субоптимальное освещение и более длительное время экспозиции (99 х) производят размытие движения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Неправильное освещение и выравнивание образца может создавать блики и тени на записанных изображениях. Они часто производят артефакты на этапах обработки изображений, что может уменьшить количество собранных точек данных хорошего качества. Блеск является общим для прозрачных жидкостей, если путь освещения не выровнены горизонтально. Программное обеспечение должно быть в состоянии проследить весь контур капли в видеоизображениях(Рисунок 3A). Если трасса не завершена, измеренные значения, такие как длина капли распространения, будут неправильными(рисунок 3B). Рисунок 3: Длина воздействующей капли в качестве функции номера видеокадра (ударная рама No 0). Каждая синяя точка данных соответствует изображениям всета. (A) Правильное освещение позволяет программному обеспечению отслеживать весь контур капли (желтая линия). Контактные точки (зеленые кресты) правильно определены, а записанная длина распространяющейся капли является гладкой функцией номера кадра. (B) Плохое освещение производит блики на жидкости и левый край капли не прослеживается правильно. Записанная длина распространения капли демонстрирует неточности в данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Дополнительный файл кодирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

Этот метод зависит от управления положением и выравнивания нескольких частей системы. Минимальным требованием для использования этого метода является возможность выравнивания образца, камеры и освещения светодиода. Неправильное выравнивание источника света с датчиком камеры является общей проблемой. Если световой путь входит в камеру под углом, нежелательные артефакты производятся и препятствуют обработке изображений. Пользователь должен стремиться к достижению почти идеального горизонтального освещения пути между светодиодом и датчиком камеры. Для этого аспекта метода полезны точные элементы управления позиционированием (например, микрометровые этапы).

Выбор объектива зависит от FOV, необходимого для эксперимента. Хотя общедоступные объективы переменного зума позволяют адаптировать систему на лету, они часто страдают от других проблем. При использовании переменных зум-объективов пользователь должен убедиться, что общее увеличение не изменяется во время серии экспериментов (как только система калибруется, протокол раздел 1). Этой проблемы можно избежать с помощью фиксированных линз увеличения. При фиксированном увеличении положение фокусной плоскости любого типа объектива может быть изменено путем перемещения камеры относительно образца.

При выравнивании системы желательно использовать пустой образец той же толщины, что и исследованные образцы. Это останавливает образцы интереса от повреждения или мокрой до экспериментов. Если толщина образца изменяется во время серии экспериментов, то система должна быть перестроена в направлении К.

Хотя это и не необходимо, добавление управляемой компьютером системы позиционирования иглы может значительно увеличить скорость и разрешение метода. Можно использовать обычно доступные ступенчатые моторные железнодорожные системы, позволяющие позиционировать иглу с точностью микрометра. Цифровой контроль над иглой также позволяет пользователю с большей точностью обнулять высоту относительно поверхности. Этот дополнительный шаг гарантирует, что экспериментальная настройка может быть точно восстановлена в начале нового лабораторного сеанса.

Сообщается, что пользователь учится использовать программное обеспечение управления для высокоскоростной камеры. Большинство современных систем могут использовать спусковой крючок изображения. Этот метод использует внутреннюю высокоскоростную электронику камеры для мониторинга области FOV для изменений. Если откалибровать тщательно, это может быть использовано для запуска камеры автоматически, как капля воздействия на поверхность. Этот метод сокращает время, затрачиваемые на поиск правильных кадров видео для обрезки после записи видео.

Этот метод может быть расширен, чтобы использовать более одной камеры для анализа направленно зависимых явлений. При использовании нескольких камер, рекомендуется, что пользователь использует аппаратное срабатывание и синхронизацию. Большинство высокоскоростных камер позволяют синхронизировать несколько камер для записи с одинаковой частотой кадров. Используя общий аппаратный триггер (например, транзисторно-транзисторный импульс), пользователь может записывать одновременные представления одного и того же эксперимента. Этот метод можно было бы дополнительно адаптировать для записи одного и того же события при двух различных увеличениях.

Этот протокол направлен на обеспечение быстрого сбора и обработки высокоскоростных видеоданных для капель, влияющих на поверхности. Как показано на доказано, он является универсальным в диапазоне условий воздействия. При относительно незначительных изменениях в коде анализа он может быть расширен для предоставления дополнительных данных (например, зависимости от времени и профилей брызг) или для изучения различных геометрий воздействия. Дальнейшие улучшения могут включать автоматическое обрезку видео, включив в него ключевые рамки, представляющие интерес. Этот шаг, наряду с автоматизацией высоты иглы, позволит собирать пакетные видео в полностью автоматическом режиме, требуя от пользователя изменения образца между ударами.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана Фондом Марсдена, управляемым Королевским обществом Новой Зеландии.

Materials

24 gauge blunt tip needle	Sigma Aldrich	CAD7930
4 x 4 mm alignment square (chrome on glass)			Made in-house using lithography.
5 ml syringe	~	~	Should be compatible with syringe pump. Leur lock connectors join the syringe to the needle.
Aspheric condenser lens	Thor Labs	ACL5040U	Determines beam width, which should cover the field of view.
Cat 5e ethernet cable	~	~	A fast data connection between the high-speed camera and PC, suitable for Photron cameras.
Droplet impact analysis software	~	~	Provided as Supplementary Coding File. Outline data are stored in .mat files. Calculations are output as .csv files.
Front surface high-power LED	Luminus	CBT-40-G-C21-JE201 LED	Separate power supply should be DC to avoid flickering.
High-speed camera	Photron	Photron SA5	Typically operated at ~10,000 fps for drop impacts.
High-speed camera software	Photron	Photron Fastcam Viewer	Protocol assumes camera has an end trigger; that movie files can be saved in .avi format, and screenshots in .tif format, to a designated folder; and that movies can be cropped.
Linear translation stages	Thor Labs	DTS25/M	Used to position the LED, sample and camera.
Macro F-mount camera lens	Nikon	Nikkor 105mm f/2.8 Lens	Choice of lens determines field of view.
PC running Matlab 2018b	Matlab	~	PC processing power and RAM can effect protocol speed and hence efficiency.
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Dow	SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer	Substrates made using a 10:1 (monomer:cross-linker) ratio.
PTFE tubing	~	~
Syringe pump	Pump Systems Inc	NE-1000	Protocol assumes this can be set to dispense a specific volume.

References

Josserand, C., Thoroddsen, S. T. Drop impact on a solid surface. Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).
Van Dam, D. B., Le Clerc, C. Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate. Physics of Fluids. 16, 3403-3414 (2004).
Worthington, A. M. . A study of splashes. , (1908).
Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubbles. Annual Review of Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).
Chandra, S., Avedisian, C. On the collision of a droplet with a solid surface. Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences. 32 (1884), 13-41 (1991).
Marengo, M., Antonini, C., Roisman, I. V., Tropea, C. Drop collisions with simple and complex surfaces. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 16, 292-302 (2011).
Yarin, A. L. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing. Annual Review of Fluid Mechanics. 38 (1), 159-192 (2006).
Thoroddsen, S. T. The making of a splash. Journal of Fluid Mechanics. 690, 1-4 (2012).
Bartolo, D., et al. Bouncing or sticky droplets: Impalement transitions on superhydrophobic micropatterned surfaces. Europhysics Letters. 74 (2), 299-305 (2006).
Richard, D., Quéré, D. Bouncing water drops. Europhysics Letters. 50 (6), 769-775 (2000).
Bird, J. C., Dhiman, R., Kwon, H. M., Varanasi, K. K. Reducing the contact time of a bouncing drop. Nature. 503, 385-388 (2013).
Khojasteh, D., Kazerooni, M., Salarian, S., Kamali, R. Droplet impact on superhydrophobic surfaces: A review of recent developments. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 42, 1-14 (2016).
Robson, S., Willmott, G. R. Asymmetries in the spread of drops impacting on hydrophobic micropillar arrays. Soft Matter. 12 (21), 4853-4865 (2016).
Broom, M. . Imaging and Analysis of Water Drop Impacts on Microstructure Designs. , (2019).
Lee, J. B., Derome, D., Guyer, R., Carmeliet, J. Modeling the maximum spreading of liquid droplets impacting wetting and nonwetting surfaces. Langmuir. 32 (5), 1299-1308 (2016).
Laan, N., de Bruin, K. G., Bartolo, D., Josserand, C., Bonn, D. Maximum diameter of impacting liquid droplets. Physical Review Applied. 2 (4), 044018 (2014).
Rein, M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).
Wang, M. J., Lin, F. H., Hung, Y. L., Lin, S. Y. Dynamic behaviors of droplet impact and spreading: Water on five different substrates. Langmuir. 25 (12), 6772-6780 (2009).
Weisensee, P. B., Tian, J., Miljkovic, N., King, W. P. Water droplet impact on elastic superhydrophobic surfaces. Scientific Reports. 6, 30328 (2016).
Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop splashing on a dry smooth surface. Physical Review Letters. 94 (18), 184505 (2005).
Clanet, C., Béguin, C., Richard, D., Quéré, D. Maximal deformation of an impacting drop. Journal of Fluid Mechanics. 517, 199-208 (2004).
Collings, E., Markworth, A., McCoy, J., Saunders, J. Splat-quench solidification of freely falling liquid-metal drops by impact on a planar substrate. Journal of Materials Science. 25 (8), 3677-3682 (1990).
Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
. Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education (software) Available from: https://physlets.org/tracker (2019)
Bennett, T., Poulikakos, D. Splat-quench solidification: Estimating the maximum spreading of a droplet impacting a solid surface. Journal of Materials Science. 28 (4), 963-970 (1993).
Rioboo, R., Marengo, M., Tropea, C. Time evolution of liquid drop impact onto solid, dry surfaces. Experiments in Fluids. 33 (1), 112-124 (2002).
Ukiwe, C., Kwok, D. Y. On the maximum spreading diameter of impacting droplets on well-prepared solid surfaces. Langmuir. 21 (2), 666-673 (2005).
Wildeman, S., Visser, C. W., Sun, C., Lohse, D. On the spreading of impacting drops. Journal of Fluid Mechanics. 805, 636-655 (2016).
Biolè, D., Bertola, V. A goniometric mask to measure contact angles from digital images of liquid drops. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 467, 149-156 (2015).
Daerr, A., Mogne, A. Pendent_Drop: An ImageJ plugin to measure the surface tension from an image of a pendent drop. Journal of Open Research Software. 4 (1), 3 (2016).
Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Experiments in Fluids. 54 (2), 1458 (2013).
Rydblom, S., Thӧrnberg, B. Liquid water content and droplet sizing shadowgraph measuring system for wind turbine icing detection. IEEE Sensors Journal. 16 (8), 2714-2725 (2015).
Castrejón-García, R., Castrejón-Pita, J., Martin, G., Hutchings, I. The shadowgraph imaging technique and its modern application to fluid jets and drops. Revista Mexicana de Física. 57 (3), 266-275 (2011).
Castrejón-Pita, J. R., Castrejón-García, R., Hutchings, I. M., Klapp, J., Medina, A., Cros, A., Vargas, C. High speed shadowgraphy for the study of liquid drops. Fluid Dynamics in Physics, Engineering and Environmental Applications. , 121-137 (2013).
Tripp, G. K., Good, K. L., Motta, M. J., Kass, P. H., Murphy, C. J. The effect of needle gauge, needle type, and needle orientation on the volume of a drop. Veterinary ophthalmology. 19 (1), 38-42 (2016).
Hugli, H., Gonzalez, J. J. Drop volume measurements by vision. Machine Vision Applications in Industrial Inspection VIII. 3966, 60-67 (2000).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Broom, M. A., Willmott, G. R. High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts. J. Vis. Exp. (157), e60778, doi:10.3791/60778 (2020).

Automatically Generated