Name: high throughput analysis of liquid droplet impacts
Uploaded: 2020-03-06T14:00:00
Duration: 9 min
Description: Watch this Scientific Journal Video about High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts at JoVE.com

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

<ol>
	<li>Josserand, C., Thoroddsen, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+impact+on+a+solid+surface.">Drop impact on a solid surface.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).</li><li>Van Dam, D. B., Le Clerc, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+study+of+the+impact+of+an+ink-jet+printed+droplet+on+a+solid+substrate.">Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate.</a> Physics of Fluids. 16, 3403-3414 (2004).</li><li>Worthington, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A study of splashes. , (1908).</li><li>Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+imaging+of+drops+and+bubbles.">High-speed imaging of drops and bubbles.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).</li><li>Chandra, S., Avedisian, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+collision+of+a+droplet+with+a+solid+surface.">On the collision of a droplet with a solid surface.</a> Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences. 32 (1884), 13-41 (1991).</li><li>Marengo, M., Antonini, C., Roisman, I. V., Tropea, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+collisions+with+simple+and+complex+surfaces.">Drop collisions with simple and complex surfaces.</a> Current Opinion in Colloid and Interface Science. 16, 292-302 (2011).</li><li>Yarin, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+impact+dynamics:+Splashing,+spreading,+receding,+bouncing.">Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 38 (1), 159-192 (2006).</li><li>Thoroddsen, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+making+of+a+splash.">The making of a splash.</a> Journal of Fluid Mechanics. 690, 1-4 (2012).</li><li>Bartolo, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bouncing+or+sticky+droplets:+Impalement+transitions+on+superhydrophobic+micropatterned+surfaces.">Bouncing or sticky droplets: Impalement transitions on superhydrophobic micropatterned surfaces.</a> Europhysics Letters. 74 (2), 299-305 (2006).</li><li>Richard, D., Qu&#233;r&#233;, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bouncing+water+drops.">Bouncing water drops.</a> Europhysics Letters. 50 (6), 769-775 (2000).</li><li>Bird, J. C., Dhiman, R., Kwon, H. M., Varanasi, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reducing+the+contact+time+of+a+bouncing+drop.">Reducing the contact time of a bouncing drop.</a> Nature. 503, 385-388 (2013).</li><li>Khojasteh, D., Kazerooni, M., Salarian, S., Kamali, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+impact+on+superhydrophobic+surfaces:+A+review+of+recent+developments.">Droplet impact on superhydrophobic surfaces: A review of recent developments.</a> Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 42, 1-14 (2016).</li><li>Robson, S., Willmott, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Asymmetries+in+the+spread+of+drops+impacting+on+hydrophobic+micropillar+arrays.">Asymmetries in the spread of drops impacting on hydrophobic micropillar arrays.</a> Soft Matter. 12 (21), 4853-4865 (2016).</li><li>Broom, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Imaging and Analysis of Water Drop Impacts on Microstructure Designs. , (2019).</li><li>Lee, J. B., Derome, D., Guyer, R., Carmeliet, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+maximum+spreading+of+liquid+droplets+impacting+wetting+and+nonwetting+surfaces.">Modeling the maximum spreading of liquid droplets impacting wetting and nonwetting surfaces.</a> Langmuir. 32 (5), 1299-1308 (2016).</li><li>Laan, N., de Bruin, K. G., Bartolo, D., Josserand, C., Bonn, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maximum+diameter+of+impacting+liquid+droplets.">Maximum diameter of impacting liquid droplets.</a> Physical Review Applied. 2 (4), 044018 (2014).</li><li>Rein, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phenomena+of+liquid+drop+impact+on+solid+and+liquid+surfaces.">Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces.</a> Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).</li><li>Wang, M. J., Lin, F. H., Hung, Y. L., Lin, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+behaviors+of+droplet+impact+and+spreading:+Water+on+five+different+substrates.">Dynamic behaviors of droplet impact and spreading: Water on five different substrates.</a> Langmuir. 25 (12), 6772-6780 (2009).</li><li>Weisensee, P. B., Tian, J., Miljkovic, N., King, W. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+droplet+impact+on+elastic+superhydrophobic+surfaces.">Water droplet impact on elastic superhydrophobic surfaces.</a> Scientific Reports. 6, 30328 (2016).</li><li>Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+splashing+on+a+dry+smooth+surface.">Drop splashing on a dry smooth surface.</a> Physical Review Letters. 94 (18), 184505 (2005).</li><li>Clanet, C., B&#233;guin, C., Richard, D., Qu&#233;r&#233;, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maximal+deformation+of+an+impacting+drop.">Maximal deformation of an impacting drop.</a> Journal of Fluid Mechanics. 517, 199-208 (2004).</li><li>Collings, E., Markworth, A., McCoy, J., Saunders, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Splat-quench+solidification+of+freely+falling+liquid-metal+drops+by+impact+on+a+planar+substrate.">Splat-quench solidification of freely falling liquid-metal drops by impact on a planar substrate.</a> Journal of Materials Science. 25 (8), 3677-3682 (1990).</li><li>Schindelin, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiji:+An+open-source+platform+for+biological-image+analysis.">Fiji: An open-source platform for biological-image analysis.</a> Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).</li><li>. Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education (software) Available from: <a target="_blank" href="https://physlets.org/tracker">https://physlets.org/tracker</a> (2019)</li><li>Bennett, T., Poulikakos, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Splat-quench+solidification:+Estimating+the+maximum+spreading+of+a+droplet+impacting+a+solid+surface.">Splat-quench solidification: Estimating the maximum spreading of a droplet impacting a solid surface.</a> Journal of Materials Science. 28 (4), 963-970 (1993).</li><li>Rioboo, R., Marengo, M., Tropea, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time+evolution+of+liquid+drop+impact+onto+solid,+dry+surfaces.">Time evolution of liquid drop impact onto solid, dry surfaces.</a> Experiments in Fluids. 33 (1), 112-124 (2002).</li><li>Ukiwe, C., Kwok, D. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+maximum+spreading+diameter+of+impacting+droplets+on+well-prepared+solid+surfaces.">On the maximum spreading diameter of impacting droplets on well-prepared solid surfaces.</a> Langmuir. 21 (2), 666-673 (2005).</li><li>Wildeman, S., Visser, C. W., Sun, C., Lohse, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+spreading+of+impacting+drops.">On the spreading of impacting drops.</a> Journal of Fluid Mechanics. 805, 636-655 (2016).</li><li>Biol&#232;, D., Bertola, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+goniometric+mask+to+measure+contact+angles+from+digital+images+of+liquid+drops.">A goniometric mask to measure contact angles from digital images of liquid drops.</a> Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 467, 149-156 (2015).</li><li>Daerr, A., Mogne, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pendent_Drop:+An+ImageJ+plugin+to+measure+the+surface+tension+from+an+image+of+a+pendent+drop.">Pendent_Drop: An ImageJ plugin to measure the surface tension from an image of a pendent drop.</a> Journal of Open Research Software. 4 (1), 3 (2016).</li><li>Versluis, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+imaging+in+fluids.">High-speed imaging in fluids.</a> Experiments in Fluids. 54 (2), 1458 (2013).</li><li>Rydblom, S., Th&#1255;rnberg, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+water+content+and+droplet+sizing+shadowgraph+measuring+system+for+wind+turbine+icing+detection.">Liquid water content and droplet sizing shadowgraph measuring system for wind turbine icing detection.</a> IEEE Sensors Journal. 16 (8), 2714-2725 (2015).</li><li>Castrej&#243;n-Garc&#237;a, R., Castrej&#243;n-Pita, J., Martin, G., Hutchings, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+shadowgraph+imaging+technique+and+its+modern+application+to+fluid+jets+and+drops.">The shadowgraph imaging technique and its modern application to fluid jets and drops.</a> Revista Mexicana de F&#237;sica. 57 (3), 266-275 (2011).</li><li>Castrej&#243;n-Pita, J. R., Castrej&#243;n-Garc&#237;a, R., Hutchings, I. M., Klapp, J., Medina, A., Cros, A., Vargas, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+speed+shadowgraphy+for+the+study+of+liquid+drops.">High speed shadowgraphy for the study of liquid drops.</a> Fluid Dynamics in Physics, Engineering and Environmental Applications. , 121-137 (2013).</li><li>Tripp, G. K., Good, K. L., Motta, M. J., Kass, P. H., Murphy, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+needle+gauge,+needle+type,+and+needle+orientation+on+the+volume+of+a+drop.">The effect of needle gauge, needle type, and needle orientation on the volume of a drop.</a> Veterinary ophthalmology. 19 (1), 38-42 (2016).</li><li>Hugli, H., Gonzalez, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+volume+measurements+by+vision.">Drop volume measurements by vision.</a> Machine Vision Applications in Industrial Inspection VIII. 3966, 60-67 (2000).</li></ol>

Авторам нечего раскрывать.

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.

Воздействие жидких капель на поверхности представляет большой интерес как для понимания фундаментальных явлений1, так и для промышленных процессов2. Падение воздействия были изучены на протяжении более 100 лет3, но многие аспекты еще предстоит полностью изучить. Высокоскоростная фотография почти повсеместно используется для изучения последствий падения4, поскольку она обеспечивает богатые, доступные данные, которые позволяют аналитические измерения должны быть сделаны с хорошим разрешением времени. Результаты падения воздействия на твердую поверхность5,6,7 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 жидкость7,17,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 видео10,20,21,22. 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 капли25,26,27,28.
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 кулона30. 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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60778/60778fig1a.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/60778fig1alarge.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>24 gauge blunt tip needle</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>CAD7930</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4 x 4 mm alignment square (chrome on glass)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Made in-house using lithography.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 ml syringe</td>
			<td>~</td>
			<td>~</td>
			<td>Should be compatible with syringe pump. Leur lock connectors join the syringe to the needle.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aspheric condenser lens</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>ACL5040U</td>
			<td>Determines beam width, which should cover the field of view.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cat 5e ethernet cable</td>
			<td>~</td>
			<td>~</td>
			<td>A fast data connection between the high-speed camera and PC, suitable for Photron cameras.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Droplet impact analysis software</td>
			<td>~</td>
			<td>~</td>
			<td>Provided as Supplementary Coding File. Outline data are stored in .mat files. Calculations are output as .csv files.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Front surface high-power LED</td>
			<td>Luminus</td>
			<td>CBT-40-G-C21-JE201 LED</td>
			<td>Separate power supply should be DC to avoid flickering.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed camera</td>
			<td>Photron</td>
			<td>Photron SA5</td>
			<td>Typically operated at ~10,000 fps for drop impacts.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed camera software</td>
			<td>Photron</td>
			<td>Photron Fastcam Viewer</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear translation stages</td>
			<td>Thor Labs</td>
			<td>DTS25/M</td>
			<td>Used to position the LED, sample and camera.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Macro F-mount camera lens</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>Nikkor 105mm f/2.8 Lens</td>
			<td>Choice of lens determines field of view.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PC running Matlab 2018b</td>
			<td>Matlab</td>
			<td>~</td>
			<td>PC processing power and RAM can effect protocol speed and hence efficiency.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td>
			<td>Dow</td>
			<td>SYLGARD&#8482; 184 Silicone Elastomer</td>
			<td>Substrates made using a 10:1 (monomer:cross-linker) ratio.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PTFE tubing</td>
			<td>~</td>
			<td>~</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe pump</td>
			<td>Pump Systems Inc</td>
			<td>NE-1000</td>
			<td>Protocol assumes this can be set to dispense a specific volume.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high throughput analysis of liquid droplet impacts

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.

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)
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60778/60778fig02.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/60778fig02large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
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).
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60778/60778fig3a.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/60778fig3alarge.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
Дополнительный файл кодирования. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60778/Supplementary_Coding_File.zip" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>

Watch this Scientific Journal Video about High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts at JoVE.com

High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts

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.

Высокоэффективный анализ воздействия жидких капель

Experimental studies of liquid drop impacts on surfaces are often restricted in their scope due to the large range of possible experimental parameters ...

Этот протокол позволяет эффективно изучать воздействие жидких капель на твердые поверхности, повседневное явление, которое действительно важно в промышленности. Результаты могут быть очень сложными и зависеть от многих различных экспериментальных параметров. По мере координации сбора и анализа данных многие эксперименты могут проводиться в течение короткого периода времени, и качество данных можно быстро оценить.Этот метод полезен для изучения любых основных параметров воздействия падения. Любые жидкости, размер капли, скорость падения удара, любой субстрат материала, и при любых условиях окружающей среды. Этот метод действительно эффективен, но есть ряд важных шагов, необходимых для его правильной настройки.После демонстрации это лучший способ избежать ошибок. Чтобы настроить высокоскоростную камеру, поместите маркер выравнивания на центральное положение образца сцены, обращенной к камере, и отрегулируйте увеличение камеры так, чтобы квадратный маркер вписывается в поле зрения. Когда маркер находится в фокусе, захват изображения.Загрузите графический пользовательский интерфейс для программного обеспечения анализа воздействия капель в MATLAB, нажмите Calibrate Camera и выберите захваченное изображение для запуска кода анализа изображений. Введите размер квадрата калибровки в миллиметрах и нажмите OK. Переместите прямоугольник до тех пор, пока квадрат калибровки не будет единственным объектом в прямоугольнике, и нажмите кнопку «Хорошо». Программное обеспечение автоматически вычисляет коэффициент конверсии.Для выравнивания экспериментальной системы, положение иглы горе на уровне глаз для удобства загрузки, и проверить, что трубки не витой. Используя шприц с надежной, чистой иглой, вручную очистите трубы от любой остаточной жидкости, удерживая трубки и иглу в вертикальном положении. И заполнить шприц с жидкостью интереса.Прикрепите шприц к управляемому компьютером насосу шприца, нажмите и удерживайте кнопку дозирования шприц-насоса, чтобы очистить иглу до тех пор, пока в жидкости не будет пузырьков. Установите насос, чтобы распределить соответствующий объем для выпуска отдельных капель жидкости, и выровнять образец под иглой. Затем используйте насос, чтобы выдать одну каплю на образец, и подтвердить, что капля земли и распространяется по всей области интереса на образец.Когда параметры капли подтверждены, отрегулируйте вертикальное положение держателя образца до тех пор, пока поверхность не выровняна с центром поля зрения камеры, и отрегулируйте горизонтальное положение камеры так, чтобы капля на образце была выровнена по центру поля зрения. Затем отрегулируйте вертикальное и горизонтальное положение светодиода, чтобы соответствовать положению камеры так, чтобы центр света появился в центре поля зрения. И отрегулируйте расстояние камеры от капли так, чтобы капля была в центре внимания.После выравнивания и калибровки системы установите частоту кадров камеры до оптимального значения для записанного объекта. Установите время экспозиции камеры до как можно меньшего значения, сохраняя при этом достаточное освещение. И отрегулируйте диафрагму объектива до самой маленькой доступной настройки, сохраняя при этом достаточное освещение.Затем установите спусковой крючок для камеры с помощью триггера в конечном режиме, так что камера буферов записи перед остановкой на спусковой крючок. Для проведения эксперимента создайте папку для хранения фильмов для текущей партии экспериментов и установите эту папку в качестве сохраненного местоположения для программного обеспечения камеры в соответствии с руководством производителя для камеры. Убедитесь, что формат файла для захваченных изображений установлен на TIFF.Нажмите Установите Путь в графическом пользовательском интерфейсе анализа изображений и выберите папку сохранения местоположения, чтобы программное обеспечение отслеживало эту папку для новых видео. Чтобы создать структуру папки для пакетных экспериментов, нажмите Make Folders и введите минимальную высоту выпуска капель, максимальную высоту релиза, шаг высоты между каждым экспериментом и количество повторных экспериментов на каждой высоте. И нажмите OK, чтобы запустить скрипт папок.Для воздействия на сухую, твердую поверхность очистите поверхность в соответствии с подходящим стандартным протоколом и дайте поверхности полностью высохнуть. Чтобы записать событие удара капли, поместите образец на этапе образца так, чтобы он выровнялся с камерой, и переместите иглу на нужную высоту выпуска капель. Подтвердите, что вид с камеры беспрепятственно перед захватом и сохранением изображения в программном обеспечении камеры.Начните видеозапись так, что камера записывает и буферизации, и использовать шприц насос для дозирования одной капли на образец. Затем запустите запись, чтобы остановить после завершения события удара. Удалите поверхность из держателя образца и высушите поверхность по мере необходимости.Чтобы подготовить захваченный видео файл для анализа, в высокоскоростной камеры программного обеспечения, сканировать видео, чтобы найти первый кадр, в котором капля полностью находится в поле зрения, и обрезать начало видео на этот кадр. Двигайтесь вперед по количеству кадров, необходимых для захвата явлений, представляющих интерес во время эксперимента воздействия, и обрезать конец видео на этот кадр. Затем сохраните видео в качестве файла AVI и сохраните путь к соответствующей папке для текущей экспериментальной партии, высоты релиза и повторного числа.В интерфейсе анализа изображений щелкните Sort Files и визуально подтвердите, что полученное фоновое изображение теперь отображается на экране. Затем нажмите отслеживание запуска, чтобы начать обработку изображения. Видео будет отображаться с наложенной на изображение обработкой изображений.Качественно убедитесь, что обработка изображения работает правильно, наблюдая за видео. Для анализа необработанных данных в графическом пользовательском интерфейсе анализа изображений нажмите Process Data, чтобы начать вычисление основных переменных из необработанных данных процесса. Затем введите частоту кадров записи, плотность жидкости, натяжение поверхности жидкости и значения вязкости жидкости, и нажмите OK. Данные будут сохранены в файле MAT папки видео и экспортируются в качестве файла CSV.Справочный квадрат должен быть беспрепятственным в поле зрения камеры, и в фокусе. Неправильный фокус эталонного квадрата приведет к систематической ошибке в рассчитанных значениях. Программное обеспечение для идентификации капель опирается на поверхность образца, представленного горизонтально камере, как это наблюдается на этом изображении.Поверхности, которые согнуты или плохо решены, будут приводить к ошибкам обработки изображений. Чтобы убедиться, что весь спред капли отслеживается программным обеспечением, капля должна приземлиться в центре образца. Если система неправильно выровнена, капля может дрейфовать из положения центра и будет не в фокусе.Для того, чтобы изображенные края ударной капли были острыми, следует использовать максимально короткое время экспозиции с доступным источником света. Неправильное выравнивание пути освещения по отношению к камере часто влияет на другие настройки, такие как диафрагма камеры, и время экспозиции, в результате чего нечеткий край к капле путешествия. Программное обеспечение должно быть в состоянии проследить весь контур капли в видео-изображений.Если трассировка не завершена, измеренные значения, такие как длина распространяемой капли, будут неверными. Важно, чтобы камера была правильно сфокусирована и приведена в соответствие с образцом, и чтобы сохраненное видео соответствует пути, предоставленного в программном обеспечении. В противном случае анализ провалится.Мы смогли изучить различия в результатах воздействия по ряду экспериментальных параметров. Например, при определении скорости, когда капля начинает плескаться.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Mechanical Engineering

Unit 1

Kinetics of a Particle: Impulse and Momentum

Fluid Mechanics

SCIENTISTS IN ACTION

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Синтез и микродифракции при экстремальных давлениях и температурах

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

Визуализация Высокоскоростной струи жидкости столкновение на движущейся поверхности

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

Synthesis of Ionic Liquid Based Electrolytes, Assembly of Li-ion Batteries, and Measurements of Performance at High Temperature

Синтез Ионные электролиты жидкость, основанная, Сборка литий-ионных батарей, и измерения производительности при высокой температуре

The chemical instability of the traditional electrolyte remains a safety issue in widely used energy storage devices such as Li-ion batteries. Li-ion ...

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

Высокоскоростной непрерывном стимулировали Бриллюэна рассеяния спектрометр для анализа материалов

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs

Метод записи широкополосной широкополосной высокой разрешения выбросов спектра лабораторных дуг молнии

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional ...

A Pipette-Tip Based Method for Seeding Cells to Droplet Microfluidic Platforms

Пипетки Tip на основе метода для заполнения клеток капелька Microfluidic платформ

Amongst various microfluidic platform designs frequently used for cellular analysis, droplet-microfluidics provides a robust tool for isolating and ...

Film Control to Study Contributions of Waves to Droplet Impact Dynamics on Thin Flowing Liquid Films

Фильм управления для изучения взносов волн капелька влияние динамики на тонких течет жидкость фильмы

Droplet impact is a very common phenomenon in nature and attracts attention due to its aesthetic fascination and wide-ranging applications. Previous ...

Measuring Magnetically-Tuned Ferroelectric Polarization in Liquid Crystals

Измерения в жидких кристаллов сегнетоэлектриков поляризации, магнитно настроенный

Materials showing coupling phenomena between magnetism and (ferro)electricity, i.e., magnetoelectric effects, have attracted a great deal of attention due ...

Impacts of Free-falling Spheres on a Deep Liquid Pool with Altered Fluid and Impactor Surface Conditions

Воздействие сфер в свободном падении на глубокий жидкого бассейн с измененной жидкости и ударного элемента состояния поверхности

Vertical impacts of spheres on clean water have been the subject of numerous water entry investigations characterizing cavity formation, splash crown ...

Determination of Aggregate Surface Morphology at the Interfacial Transition Zone (ITZ)

Determination of Aggregate Surface Morphology at the Interfacial Transition Zone ITZ

Определение агрегированной морфологии поверхности в межлицкой переходной зоне (ИТС)

Here, we present a comprehensive method to illustrate the uneven distribution of the interfacial transition zone (ITZ) around the aggregate and the effect ...