【摘要】：液滴微流體作為微流體的一個重要分支,由于其跨學(xué)科特性和在生物醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,近年來引起了研究者們極大的關(guān)注。液滴控制、液滴計數(shù)與液滴檢測等諸多技術(shù)得到革新,通過應(yīng)用小型化集成系統(tǒng)取代化學(xué)實驗室內(nèi)的繁復(fù)實驗。然而,液滴微流體系統(tǒng)的發(fā)展仍然面臨諸多挑戰(zhàn),其中之一便是在微型管道內(nèi)檢測并準(zhǔn)確地控制液滴的運動。雖然很多研究人員通過流速實現(xiàn)了液滴大小的控制,但是有效的液滴檢測和計數(shù)方法卻十分匱乏,且鮮有深入的研究工作。針對上述問題,本文首次引入了一個有效且高效的系統(tǒng)并利用控制策略來解決這些難點。本文的貢獻在于以下兩個方面。首先成功地檢測微流體通道內(nèi)的液滴并對其進行計數(shù),首次提出了一種基于圖像處理的自動系統(tǒng)以用于液滴檢測與計數(shù)。該圖像處理技術(shù)基于時間差分運動檢測算法實現(xiàn)連續(xù)流動的液滴檢測和計數(shù)。為考慮液滴圖像的強度特性,本文所提技術(shù)首先對每幀中所有移動的液滴進行檢測,之后針對每幀中檢測到的移動液滴進行計數(shù)。此外,本文分別利用磷酸鹽緩沖溶液和8%聚乙二醇二丙烯酸酯預(yù)聚物的液滴對系統(tǒng)進行測試。實驗結(jié)果表明本文所提算法能夠檢測到液滴并取得了最低的計數(shù)誤差。其次,本文利用模糊邏輯控制器(PLC)、圖像處理算法以及安置于微流體通道內(nèi)的微閥,開發(fā)了一整套微流體通道內(nèi)的液滴運動控制系統(tǒng).微閥是微流體系統(tǒng)中最重要的控制組件之一,其用于控制微流體系統(tǒng)中液滴產(chǎn)生的時間、位置和流速。微閥應(yīng)具有便宜、易于制造、占地面積小等特性,并可安置于通道內(nèi)部,易于與復(fù)雜的微流體網(wǎng)絡(luò)集成。針對控制器的選擇,本文比較了 PLD與FLC兩種不同控制器的性能,根據(jù)實驗結(jié)果選擇并部署了 FLC控制器。利用模糊矩陣和隸屬函數(shù)所設(shè)計的FLC實現(xiàn)了對注射泵流量的自動調(diào)節(jié),一旦達到特定的液滴位置,控制器就會關(guān)閉閥門。此外,基于貪心策略的圖像處理算法被設(shè)計用于跟蹤微流體通道內(nèi)的液滴運動。該算法有助于向控制器反饋液滴的當(dāng)前位置、誤差(微流體通道中液滴的期望位置和當(dāng)前位置之間的距離)和誤差的變化(液滴從初始位置到期望位置的距離)等輸入?yún)?shù)。在上述參數(shù)的基礎(chǔ)上,控制器實現(xiàn)對流速和閥門的精確位置控制。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O652;TP391.41;TP273

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