液滴冲击的高通量分析

摘要

该协议能够有效地收集液滴撞击的实验高速图像，并批量快速分析这些数据。为了简化这些过程，该方法描述了如何校准和设置设备、生成适当的数据结构以及部署图像分析脚本。

摘要

由于材料性能、冲击条件和实验配置等大量可能的实验参数，液体滴对表面影响的实验研究通常受到限制。此外，滴的影响往往使用数据丰富的高速摄影进行研究，因此很难详细、及时地分析许多实验。该方法的目的是通过使用系统的方法，通过高速摄影有效地研究滴滴的影响。设备经过对齐和校准，以生成可按自定义图像处理代码进行精确处理的视频。此外，此处描述的文件结构设置和工作流可确保数据处理的效率和清晰组织，这在研究人员仍在实验室期间进行。图像处理方法提取视频每帧中影响滴的数字化轮廓，并存储处理的数据，以便根据需要进行进一步分析。该协议假定滴滴在重力下垂直释放，并且由摄像机从侧面观看，使用阴影图照亮滴。许多涉及高速事件图像分析的类似实验可以通过对所使用的协议和设备进行细微调整来解决。

引言

液体滴对表面的影响对理解基本现象¹和工业过程²都很感兴趣。下降的影响已经研究了100多年^，但许多方面还有待充分研究。高速摄影几乎被普遍用于滴冲击⁴的研究，因为它提供了丰富、可访问的数据，能够以良好的时间分辨率进行分析测量。落点撞击固体表面的结果^从简单的沉积到溅溅^8不等。对超疏水表面的影响经常被研究，因为它们可以产生特别有趣的结果，包括滴反弹^{9，10，11，12。}此处描述的协议是研究微尺度图案对聚合物表面的落差影响，特别是该模式对滴的影响影响^13，14。

下降影响实验的结果可能受大量可能的变量的影响。下降的大小和速度可能会有所不同，以及密度、表面张力和粘度等流体特性。下降可以是牛顿¹⁵或非牛顿^16。研究了各种各样的冲击表面，包括液体^7、17、固体¹⁸和弹性¹⁹表面。之前，Rein等人曾描述过各种可能的实验^配置。滴滴可以采用不同的形状。它可以以与表面的角度振荡、旋转或撞击。表面纹理和环境因素（如温度）可能有所不同。所有这些参数使滴位影响范围极其广泛。

由于这个广泛的变量，动态液体润湿现象的研究往往仅限于相对具体或狭窄的主题。许多此类调查使用从手动处理的高速视频^{10、20、21、22}获得的少量实验（例如 50-200 个数据点）。这种研究的广度受到研究人员在合理时间内获得的数据量的限制。手动处理视频要求用户执行重复性任务，例如测量冲击液滴的直径，通常使用图像分析软件实现（斐济²³和跟踪器²⁴是热门选择）。描述落点撞击的用途最广的测量是扩散落点^{25、26、27、28}的直径。

由于图像处理的改进，自动计算机辅助方法开始提高数据收集效率。例如，现在可以使用用于使用吊坠跌落方法³⁰自动测量接触角²⁹和表面张力的图像分析算法。滴冲击的高速摄影可以提高效率，它产生由许多单个图像组成的电影进行分析，事实上，最近的一些研究已经开始使用自动分析^15，18，虽然实验工作流程没有明显改变。滴冲击实验实验设计的其他改进，是商用LED光源的进步，通过阴影技术^{31、32、33、34}与高速摄像机相结合。

本文介绍了一种用于捕获和分析下降影响影片的标准化方法。主要目标是能够有效地收集大型数据集，这一点通常适用于上述各种下降影响研究。使用此方法，可以获取影响下降的时间解析的数字化轮廓，每天 100 个实验。分析会自动计算滴位撞击参数（大小、速度、韦伯和雷诺数）和最大扩散直径。该协议直接适用于任何基本液滴参数（包括液体、尺寸和冲击速度）、基板材料或环境条件。扫描大量实验参数的研究可以在相对较短的时间内进行。该方法还鼓励高分辨率研究，覆盖小范围的变量，进行多次重复实验。

通过标准化实验，以及清晰的数据结构和工作流程，提供了该方法的优点。实验设置生成具有一致属性（空间和对比度）的图像，这些图像可以传递给自定义图像分析代码（包含在 MATLAB 上运行的补充编码文件），以便在实验后立即对录制的视频进行快速处理。数据处理和采集的集成是数据收集总体速度提高的主要原因。数据采集会话后，已处理每个视频，并存储所有相关的原始数据以进行进一步分析，而无需对视频进行再处理。此外，用户可以在实验结束后立即目视检查每个实验的质量，并在必要时重复实验。初始校准步骤可确保实验设置可以在不同实验室会话之间以良好的精度重现。

假定要实现此方法，用户可以访问设置的高速摄像机，以便从水平（侧视）的角度对表面进行图像。图 1显示了这种排列的原理图表示形式，包括笛卡尔轴的定义。系统应能够精确定位摄像机和样品的三维（X、Y 和 Z）。实现了阴影图方法，用于照亮水滴，并沿摄像机的光学路径放置。系统应使用高质量直流 （DC） LED 照明系统（包括可以 X 和 Z 方向移动的拉合冷凝器镜头），以便将光学路径与摄像机对齐。还假设，用户可以访问注射器泵，他们可以编程，以产生单个液滴所需的体积时，连接到特定的针^35。水滴在重力下，因此其冲击速度由指针在表面上方的位置控制。尽管此设置相当通用，但"材料表"列出了用于获取具有代表性结果的特定设备，并注意到设备选择带来的一些潜在限制。

图 1:最小实验设置的原理图表示形式。高速摄像机定位成像液滴，从侧面垂直撞击样品。LED 光源与摄像机的视线对齐，用于阴影。针用于单个水滴生产，并定义了笛卡尔轴。请点击此处查看此图形的较大版本。

方法描述侧重于液滴下降和撞击时边缘的测量。图像是从常用的侧视点获得的。使用两个高速摄像机^13、14可以从侧向和自下而上的视图上展开液滴，但不透明材料无法自下而上视图，自上而下视图会产生对齐并发症。基本工作流程可用于改进对影响表面的任何小（2⁄3 毫米）物体的研究，并且可用于具有进一步轻微变化的较大或更小的物体。讨论部分进一步考虑实验设置和方法的改进和替代方法。

研究方案

1. 设置高速摄像机

1. 设置摄像机的固定视场 （FOV），并计算从像素到 mm 的转换系数。
   1. 在采样阶段的中心位置放置对齐标记（例如，带有图像分析代码的 4 mm 侧长标记），使其面向摄像机。调整摄像机的放大倍率，使方形标记适合 FOV。确保标记位于焦点中并捕获图像。
      注: 图像分析代码要求图像滴覆盖超过 FOV 总数的 1%，否则将其归类为噪声。同样，滴滴不应占用超过 FOV 的 40%，否则将标识为失败的映像处理事件。
   2. 锁定镜头的放大倍率，并确保在一批实验中保持不变。
   3. 通过单击 MATLAB 中的图标加载滴体影响分析软件的图形用户界面 （GUI）。
   4. 运行图像分析代码。在 GUI 上，单击校准相机按钮并选择步骤 1.1.1 中获得的图像。输入校准方块的大小（以毫米为单位），然后单击"确定"。
   5. 移动屏幕上显示的矩形，直到校准方块是其中唯一的对象。单击"确定"，软件将自动计算转换系数。如果自动校准失败，请按照软件指南执行手动校准。
2. 对齐实验系统。
   1. 准备用于点出单个液滴的液体。
      1. 将针支座放置在用户眼部周围，以便轻松装载。
      2. 使用注射器将空气推入，手动清除油管以去除任何液体。确保油管没有扭曲，并且针头是安全和干净的。固定针和管，使针是垂直的。
         注:如果需要，在超声波浴中用乙醇清洁钢针。
      3. 将注射器充满被调查的液体（例如水），并将其连接到计算机控制的注射器泵上。使用注射器泵清洗针头（单击并按住点胶按钮），直到液体中不存在气泡。
      4. 设置注射器泵，以便释放单个滴滴所需的体积。
         注:对于具有代表性的结果，平均滴径为2.6毫米，分配速率为0.5 mL/min，分配体积为11μL。泵送速度应足够慢，以便液滴在重力下形成和释放，这可以通过反复试验进行微调。滴的体积可以近似为¹⁴
         
         其中D为针直径，β_LG为液-气表面张力，β为流体密度。
   2. 通过将样品放在针头下并使用注射器泵分配单个滴，即可对齐样品（例如，扁平聚二甲基硅氧烷 [PDMS]）。检查水滴是否落在感兴趣的样品区域上，如果没有根据需要更改样品位置。
      注:如果滴位对齐困难，请检查针头是否垂直安装在针架上且未弯曲。样本现在相对于 X 轴和 Y 轴对齐，不应在实验期间移动。
   3. 对齐和聚焦摄像机。
      1. 将单个滴滴分配到样品上。调整采样支架的垂直位置 （Z），直到表面与摄像机 FOV 的中心平。
      2. 调整摄像机的水平位置 （X），使样品上的滴位在 FOV 的中心对齐。调整 LED 的垂直 （Z） 和水平 （X） 位置以匹配摄像机的位置，以便灯光中心显示在 FOV 的中心。调整相机与滴滴的距离 （Y），使滴入对焦。
         注: 系统现已对齐和校准。如果所有设备的定位保持不变，则协议可以暂停并重新启动，而无需重新调整。对于厚度不同的样品，必须重复垂直方向 （Z） 的样品对齐。
   4. 设置摄像机的录制条件。
      1. 将摄像机的帧速率设置为要记录的对象的最佳值。
         注: 摄像机的最佳帧速率 （fps） 可以使用³¹预测
         
         其中 N是采样率（当对象覆盖长度刻度时捕获的图像数，通常为 10），V 是滴脚的速度，j是成像长度刻度（例如 FOV）。
      2. 将摄像机的曝光时间设置为尽可能小的值，同时保留足够的照明。在此阶段，将镜头光圈调整到最小的可用设置，同时保留足够的照明。
         注:最小暴露时间的估计值 （t_e） 由³¹给出
         
         其中 k是长度刻度（例如，像素的大小），PMAG是主要放大倍数，V是滴层的速度。
      3. 设置摄像机的触发器。使用结束模式触发器，以便摄像机缓冲录制，然后在触发器上停止（例如，用户单击鼠标）。
         注: 自动触发系统可用于自动执行此过程。

2. 进行实验

1. 准备计算机文件系统进行一批实验。
   1. 创建一个文件夹来存储当前批处理的实验的影片。按照相机制造商指南，将此文件夹设置为相机软件的保存位置。确保捕获的图像的文件格式为 .tif。
   2. 单击图像分析 GUI 中的"设置路径"按钮，然后选择与步骤 2.1.1 中的文件夹相同的文件夹，该步骤告诉软件监视此文件夹以访问新视频。
   3. 为一批实验创建文件夹结构。
      1. 单击图像分析 GUI 上的"使文件夹"按钮，然后按提示输入四个值:1） 最小滴放高度，2） 最大释放高度，3） 每个实验之间的高度步长，以及 4） 每个高度的重复实验数。
         注: 冲击速度可以近似为V = （2gh）^1/2，其中g是重力引起的加速度，h是跌落释放高度。
      2. 单击"确定"以运行"使文件夹"脚本。
         注: 此实验的目录中现已创建了一系列文件夹。这些文件夹名为"height_xx"，其中 xx 是滴滴释放的高度。在每个文件夹中，空文件夹都可用于存储每个重复实验的数据。对要研究的每个新表面或流体重复第 2.1 节。
2. 根据实验所需的准备表面。对于对干燥、固体表面的影响，请使用适当的标准协议清洁表面，使其完全干燥。
3. 记录滴滴影响事件。
   1. 将样品放在采样舞台上。如果需要，请旋转曲面使其与摄像机对齐。将针移到所需的滴下释放高度。
   2. 确保摄像机的视图畅通无阻，然后使用相机软件捕获并保存图像（稍后在图像处理期间使用）。开始视频录制，以便摄像机录制和缓冲（即填充摄像机的内部内存）。
   3. 使用注射器泵将单个滴滴分配到样品上（步骤 1.2.1.4）。在影响事件完成后触发录制以停止。从样品支架上取下表面，并酌情将其干燥。
4. 准备视频文件以进行进一步分析。
   1. 裁剪视频。
      1. 使用合适的软件（例如高速摄像机软件）扫描视频，以找到滴滴完全在 FOV 内的第一帧。将视频的开头裁剪到此帧。
      2. 按在冲击实验期间捕获感兴趣现象所需的帧数前进（例如，250 帧通常足以用于以 10，000 fps 捕获的冲击）。将视频的结尾裁剪到此帧。
      3. 将视频保存为 .avi 文件，为当前实验批处理、释放高度和重复编号设置保存路径到相应的文件夹。
   2. 在图像分析 GUI 中，单击"排序文件"按钮。直观地确认步骤 2.3.2 中拍摄的背景图像现在显示在屏幕上。这将查找最新保存的 .avi 文件和 .tif 文件，并将它们移动到同一文件夹，前提是它们同时被拍摄。
   3. 单击"运行跟踪"按钮开始图像处理。视频将显示，并覆盖生成的图像处理。通过观看视频，定性地检查图像处理是否正常工作。
      注: 完成图像处理后，图像处理代码将以最大分布时显示滴滴的图像。未能正确校准摄像机可能会导致图像处理不正确。如果需要，重复校准，直到图像处理成功。
   4. 重复第 2.3 节和 2.4 节，根据需要调整针头的高度，以执行此批次中的所有实验。
      注:每个实验文件夹现在将包含一系列 .mat 文件。这些文件包含图像处理软件提取的数据，并保存以供将来分析，包括每个帧的放置轮廓、区域、边界框和周长。

3. 原始数据分析

1. 在图像分析 GUI 中，单击"处理数据"按钮开始计算原始处理数据中的主要变量。如果在实验会话后运行，系统将提示用户选择包含要处理的实验批处理的文件夹。
2. 输入提示时的四个值:1） 记录帧速率 （fps），2） 流体密度 （kg/m³），3） 流体表面张力 （N/m） 和 4 流体粘度 （Paμs）。
   注: 软件默认为 9，300 fps 的帧速率和水在环境条件下的流体特性。输入的值用于计算韦伯和雷诺数字。
3. 将数据保存在视频文件夹.mat 文件中，并作为 .csv 文件导出。
   注: 代码将加载单个实验的文件 prop_data.mat，计算滴滴中心的位置，查找冲击帧（定义为滴滴中心减速前的最后一帧）和滴滴水平展开最大化的帧。保存的输出数据将是冲击速度（使用 1^阶多边形拟合到液滴中心的垂直位置作为时间函数）、液滴的等效直径（通过假设 Z 轴上的旋转对称来查找液滴体积，然后查找具有该体积³⁶的球体的直径）、最大展开的液滴直径以及冲击韦伯和雷诺数。

结果

使用已知的参考平方实现了从图像（以像素为单位）到毫米的距离转换。此正方形必须在摄像机的 FOV 中畅通无阻，且对焦（图2A）。参考平方的对焦不正确（图2B）将在计算变量（例如速度）中产生系统误差。为了减少计算转换系数时的错误，参考平方应尽可能多地覆盖 FOV。考虑到摄像机的分辨率限制，正方形的侧面长度应尽可能高。

滴滴识别软件依赖于水平呈现给摄像机的样品表面，如图2C所示。弯曲或解析不佳的表面（图 2D）将生成图像处理错误。该软件可用于分析影响平面的落液，只要表面边缘产生与背景的鲜明对比度。

为了确保整个水滴扩散由软件跟踪，滴滴应降落在样品的中心（图2E）。如果系统对齐不正确，则滴滴可能会偏离中心位置，并且将脱离焦点（图 2F）。如果滴滴的焦点不正确，则计算的大小将不正确。这种影响通常是由于用于将针头垂直移离表面的系统对齐不良造成的，这将在撞击位置产生漂移，作为高度函数。建议用户实现光学面包板系统（或类似）以确保平行和垂直对齐。

为了确保冲击滴的图像边缘看起来锋利，建议使用可用光源尽可能缩短曝光时间（图2G）。相对于摄像机的照明路径对齐不正确，通常会导致其他设置（如相机光圈和曝光时间）的调整。这将产生一个模糊边缘到行驶的滴滴 （图 2H）

图 2:系统校准不正确的常见问题。（A） 校准方块正确对齐并聚焦。（B） 校准平方失对，产生不正确的校准系数。（C） 样品表面是水平的，在样品表面和背景之间提供高对比度。（D） 样品与摄像机的角度，产生反射面。（E） 滴滴落在焦点平面的样本中心。（F） 滴滴落在中心外，由于使用的宽孔径，因此没有聚焦。（G） 由于曝光时间短（10 μs），滴滴以锋利的边缘进行成像。（H） 次优照明和更长的曝光时间 （99 μs） 会产生运动模糊。请点击此处查看此图形的较大版本。

样本的照明和对齐不正确可能会在录制的图像中产生眩光和阴影。这些通常在图像处理阶段生成伪影，这可以减少收集的高质量数据点的数量。如果照明路径未水平对齐，则透明流体中常见的眩光。软件应该能够跟踪视频图像中滴滴的整个轮廓（图3A）。如果跟踪未完成，则测量值（如展开的滴滴的长度）将不正确（图 3B）。

图 3:作为视频帧数（冲击帧 = 0）的函数，冲击滴的长度。每个蓝色数据点对应于内位图像。（A） 正确的照明允许软件跟踪滴管的整个轮廓（黄线）。接触点（绿色十字架）被正确识别，并且分布滴的录制长度是帧数的平滑函数。（B） 光线不足会产生液体眩光，液滴的左边缘无法正确追踪。分布滴的录制长度显示数据中的不准确性。请点击此处查看此图形的较大版本。

补充编码文件。请点击此处下载此文件。

讨论

此方法取决于对系统多个部分的位置和对齐的控制。使用此方法的最低要求是能够对齐样品、摄像机和照明 LED。光源与摄像机传感器对齐不正确是一个常见问题。如果光路以一定角度进入摄像机，则会产生不需要的伪影，并阻碍图像处理。用户应致力于实现 LED 和摄像机传感器之间的近乎完美的水平照明路径。精确的定位控制（例如，微米级）有助于该方法的这一方面。

镜头的选择取决于实验所需的 FOV。虽然常用的可变变焦镜头允许系统动态调整，但它们经常遇到其他问题。如果使用可变变焦镜头，用户必须确保在一批实验期间总放大率不会更改（校准系统后，协议第 1 节）。使用固定放大镜片可以避免此问题。在固定放大倍率后，通过相对于样品移动相机，可以改变任一镜头的焦平面位置。

对齐系统时，建议使用与要调查的样品相同的厚度的空白样品。这样可以阻止感兴趣的样品在实验前损坏或湿润。如果样品厚度在一批实验中发生变化，则需要在 Z 方向上重新对齐系统。

虽然没有必要，但添加计算机控制的针头定位系统可以大大提高该方法的速度和分辨率。常用的步进电机轨系统可用于以微米精度定位针头。对针进行数字控制还允许用户以更高的精度将相对于表面的高度归零。此附加步骤可确保在新的实验会话开始时能够准确还原实验设置。

建议用户学习使用高速摄像机的控制软件。大多数现代系统可以使用图像触发器。此方法使用摄像机的内部高速电子装置来监视 FOV 的区域以进行更改。如果仔细校准，这可用于在滴滴撞击表面时自动触发摄像机。此方法减少了在录制视频后查找视频正确帧以裁剪的时间。

此方法可以扩展为使用多个摄像机来分析方向相关现象。如果使用多台摄像机，建议用户使用硬件触发和同步。大多数高速摄像机系统允许同步多个摄像机以相同的帧速率进行录制。使用共享硬件触发器（例如晶体管-晶体管逻辑 [TTL] 脉冲），用户可以同时记录同一实验的视图。此方法可以进一步调整，以两种不同的放大倍数记录同一事件。

该协议旨在快速收集和处理高速视频数据，用于影响表面的飞沫。如所示，它在一系列冲击条件下是多功能的。对分析代码进行相对较小的更改后，可以扩展以提供进一步数据（例如时间依赖和溅溅配置文件）或研究不同的影响几何体。进一步的改进可能涉及自动裁剪视频，以包括感兴趣的关键帧。此步骤与针高度的自动化一起，将允许以全自动方式收集批处理视频，只需要求用户在影响之间更改样本。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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.