Name: Alta velocidad velocímetro de partículas cerca de superficies (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-06-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 59 s
Description: Aprende a configurar y operar un experimento de velocimetría por imágenes de partículas (PIV) de alta velocidad cerca de superficies. Optimiza parámetros de grabación y densidad de partículas para analizar flujos transitorios en dinámica de fluidos.

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Este material está basado en trabajo apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de los EE.UU. con la subvención No. CBET-1032930 y el trabajo realizado en la Universidad de Quantitative Laboratorio Diagnóstico láser de Michigan.

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<li>Peterson, B., Reuss, D. L., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+analysis+of+misfires+in+a+spray-guided+direct+injection+engine%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Combustion+Institute%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging analysis of misfires in a spray-guided direct injection engine.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 33 (2), 3089-3096 (2011).</li>
</ol>

Los autores tienen nada que revelar.

Como con cualquier técnica de medición de flujo óptico, la planificación de la configuración de alta velocidad velocimetría de imagen de partículas (PIV) requiere evaluación de las restricciones y de la evaluación de las mejores compromisos para la tarea de medición en cuestión. La selección de la magnificación de la imagen, la velocidad de fotogramas, propiedades de la hoja de láser, y algoritmos de análisis depende de detalles del flujo bajo estudio. Si es necesario, las mediciones de exploración deben llevarse a cabo para identificar los ajustes de los parámetros para las mediciones de alta fidelidad. En este artículo se describe el procedimiento general y algunos resultados de muestra para PIV de alta velocidad para el estudio de la capa límite del flujo a lo largo de una placa plana. Una secuencia de 500 imágenes se registró a 5 kHz. Un microscopio de larga distancia se utiliza para lograr un x 2 mm campo de visión 2.4 1.8 situado en la superficie de la placa. Iluminación de alta calidad de las gotitas de aceite de semilla se logró con un haz de un láser bombeado por diodo de estado sólido pulsado que se amplió en una mierda de luzEET utilizando un homogeneizador de haz. El homogeneizador haz contiene una matriz de micro-lente hecha de pequeñas lentes cilíndricas y un telescopio adicional integrado. El arsenal de la micro-lente se expande el haz circular en la dirección vertical por dividir el haz entrante en haces elementales. A continuación, el siguiente telescopio superpone los beamlets para crear una hoja de luz con una distribución de intensidad uniforme de la luz en el plano de lámina de luz normal a la propagación del haz. Las imágenes fueron procesadas utilizando un algoritmo de correlación cruzada de PIV. Cabe señalar que un haz homogeneizada es útil, especialmente cuando se trabaja cerca de superficies, pero no es crucial para la aplicación descrita aquí. El método descrito en este procedimiento permite no intrusivos de alta resolución de las investigaciones y de alta velocidad de los flujos de correlación utilizando algoritmos robustos. Las ventajas clave de esta técnica de medición de alta resolución, de alta velocidad son de alta resolución espacial y temporal y la capacidad de identificar y realizar un seguimientola evolución de las estructuras dentro del flujo. El uso de estas técnicas, Alharbi 6 y Jainski et al. 8 han demostrado la capacidad de visualizar y realizar un seguimiento estructuras de vórtice dentro de la capa límite de un motor de combustión interna. Estas características clave permiten a las investigaciones sobre la estructura y la dinámica de los flujos altamente transitorios. Además, PIV puede ser expandido más allá de la, de dos componentes de dos dimensiones (2D-2C) campos de velocidad (como se describe aquí) para resolver 3-componentes (3C) en un plano (estéreo-PIV) y en un volumen (PIV tomográfico , escaneo PIV, holográfico PIV). Además, PIV se puede implementar con otras técnicas tales como plana fluorescencia inducida por láser (PLIF), se filtró la dispersión de Rayleigh (NIF), y fósforos termográficas para lograr mediciones 2D al mismo tiempo de la velocidad y otros escalares (temperatura, concentración de especies, relaciones de equivalencia) 11 -14. Estos métodos ópticos, basados ​​en láser se pueden aplicar directamente a investigar la masa yprocesos de intercambio de energía en muchas aplicaciones, tales como cerca de la pared de los flujos en un motor de combustión interna.

Mediciones multidimensionales de las velocidades y la capacidad de realizar el seguimiento del campo de flujo en el tiempo proporcionan información crítica en muchas áreas de la ciencia, la ingeniería y ciencias de la salud. Entre las técnicas más utilizadas para la proyección de imagen de flujo es velocimetría de imagen de partículas (PIV). Inicialmente establecido como una técnica planar que las instantáneas medidos de los dos en el plano componentes de la velocidad, las variantes de PIV se han desarrollado para proporcionar capacidades de medición de tres componentes y volumétrica. Todos los sistemas de PIV consisten de partículas trazadoras, una o más fuentes de luz, y una o más cámaras. Las partículas sólidas o gotitas se utilizan comúnmente como partículas trazadoras pero burbujas inherentes en el flujo también se pueden utilizar como partículas trazadoras. La cámara (s) a continuación, la imagen (s) dispersa o luz emitida a partir de las partículas trazadoras después de que se irradian por la fuente de luz (s). Entre la amplia gama de variaciones de 1,2 la más común capta dos componentes de la velocidad en un plano en una ratae de unos pocos fotogramas por segundo. Más recientemente, los nuevos instrumentos ha permitido mediciones de la tasa alta de trama (&gt; 1 kHz) que siguen el flujo en escalas de tiempo de turbulencia en el rango de kHz. PIV determina un campo de velocidad mediante el seguimiento del movimiento promedio de grupos de partículas a partir de un par de imágenes que están separadas por un retardo de tiempo conocido. Cada imagen se divide en una cuadrícula de ventanas de interrogación regularmente espaciados. El interrogatorio ventana de tamaño más común es de 32 x 32 píxeles. Un algoritmo calcula la función de correlación cruzada para todas las ventanas de interrogación, lo que resulta en un vector de desplazamiento por ventana de interrogación y por lo tanto produce una rejilla regular de vectores. Dividiendo el campo de vector de desplazamiento por el retardo de tiempo a continuación, determina el campo de vector de velocidad. Al planificar las medidas de PIV es importante darse cuenta de que por lo general la elección de parámetros experimentales es un compromiso entre exigencias contradictorias. En otras palabras, la experienciatrastornos mentales deben ser planificados cuidadosamente para captar los aspectos del flujo que son de importancia para el estudio en cuestión. Los libros de Raffel et. Al 1 y Adrian y Westerweel 2 proporcionan excelentes discusiones en profundidad sobre estas limitaciones. Aquí destacamos algunos que son más críticos en el contexto actual. La elección del campo de visión (FOV) para fijar el punto de partida para la selección de parámetros aquí. El número de píxeles en el chip de la cámara a continuación, determina la resolución espacial y el número de vectores que se obtienen, suponiendo que se opta por utilizar interrogación tamaños de ventana de 32 x 32 píxeles, a menudo con un 50% de solapamiento durante el procedimiento de correlación cruzada. Una densidad de siembra de partículas de 8-10 por ventana de interrogación se desea generalmente para ayudar a la función de correlación cruzada. Sin embargo, hay algoritmos especiales, tales como la velocimetría de seguimiento de partículas (PTV) y los enfoques de correlación promediados en el tiempo, que puedeser utilizado para hacer frente a situaciones de baja densidad de siembra (1-3 partículas / ventana de interrogación) como es el caso de imágenes cerca de superficies. Tenga en cuenta que los gradientes de velocidad dentro de cada ventana de interrogación deben ser pequeñas para evitar un sesgo en el vector representativo resultante para esa ventana. Una regla-de-pulgar establecido es que los desplazamientos de partículas entre la primera y la segunda trama no deben exceder de 8 pixeles (¼ del tamaño de la ventana de interrogación) para reducir el número de pérdidas de emparejamiento (pérdida de imágenes de partículas dentro de la ventana de interrogación desde la primera enmarcar a la segunda trama) para la correlación. Como resultado, el tiempo entre los dos pulsos de láser consecutivos (dt) tiene que ajustarse en consecuencia. Sin embargo, la reducción de DT por debajo del equivalente de desplazamientos 8-pixel será reducir el rango dinámico de velocidad debido a que el límite de resolución extremo inferior es del orden de 0,1 píxeles de desplazamiento. Al igual que el desplazamiento de 8 pixeles wentro del plano de la imagen, las partículas de velocidad más alta no debe atravesar más de ¼ del espesor de la lámina de luz, de nuevo para reducir el número de pérdidas de emparejamiento. Puesto que el retardo de tiempo entre los dos pulsos de láser se utiliza para asegurar las mejores correlaciones dentro del plano de lámina de luz, el espesor de la lámina es una variable en este contexto. Mientras que la uniformidad de la intensidad de la luz no es tan crítico como lo es para las mediciones de la intensidad de base plana como fluorescencia inducida por láser de imágenes 3, un perfil de haz de sombrero de copa cerca de ayuda a la calidad de PIV, especialmente para formación de imágenes de mayor resolución. En general, algunas suposiciones sobre la naturaleza del flujo en estudio se pueden utilizar como punto de partida en la selección de los parámetros experimentales. Entonces, se podrían necesitar experimentos preliminares para afinar los ajustes. Aquí se describe cómo configurar un experimento de PIV que permite mediciones de imagen alta velocidad de cuadro de dos Compone velocidadtes con resolución espacial que es adecuada para resolver las estructuras de la capa límite. Esto se logra con el uso de una alta tasa de repetición de TEM 00 bombeado por diodos láser de estado sólido, un microscopio de larga distancia, y un tipo de cámara de alta CMOS de fotograma. También se incluyen unos detalles en las imágenes cerca de superficies.

<table><tbody><tr><td>Láser Nd:YAG de alta velocidad de 532 nm </td><td>Modelo Quantronix</td><td>:</td> Microscopio de larga distancia Hawk I <td></td></tr><tr><td>(QM-100)</td><td>Modelo Questar: Cámara CMOS de alta velocidad QM-100</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>(Phantom v7.3)</td><td>Modelo de investigación de visión</td><td>: Atomizador Phantom v7.3</td><td></td></tr><tr><td>(TSI 9306)</td>Modelo <td>TSI</td><td>: 9306</td><td></td></tr><tr><td>Aceite de silicona </td><td>Dow Corning CST 510</td><td>CST 510 Fluido</td><td></td></tr><tr><td>Homogeneizador de haz </td><td>Fraunhofer</td><td></td><td>Pieza a medida</td></tr><tr><td>45 &deg; alta reflectividad (HR) 532 nm espejo giratorio </td><td>Laser Optik</td><td></td><td>Múltiples proveedores</td></tr><tr><td>Apertura</td><td></td><td></td><td>Múltiples proveedores</td></tr><tr><td>Objetivo</td><td></td><td></td> de calibración <td>Pieza a medida</td></tr><tr><td>Software de registro y procesamiento PIV </td><td></td><td>LaVision Software: Da Vis</td><td></td></tr><tr><td>Controlador de alta velocidad (HSC)</td><td>LaVision</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Carril óptico y soportes </td><td>Múltiples proveedores</td>Bloques y trampas de rayos láser Múltiples proveedores Soportes para elementos ópticos Múltiples proveedores Etapa de traducción Newport Tubos metálicos <td></td><td></td></tr><tr><td> </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> </td><td></td> para crear <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td> </td><td></td><td></td></tr><tr><td> flujo de chorro</td><td>McMaster-Carr</td><td></td><td>Múltiples proveedores</td></tr><tr><td>Combinación de escuadra y escuadra</td><td></td><td></td> de centrado <td>Múltiples proveedores</td></tr></tbody></table>

alta velocidad velocímetro de partículas cerca de superficies

High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

Flujos multi-dimensionales y transitorios desempeñan un papel clave en muchas áreas de la ciencia, la ingeniería y ciencias de la salud, pero a menudo no se comprenden bien. La compleja naturaleza de estos flujos puede ser estudiada utilizando velocimetría de imágenes de partículas (PIV), una técnica de imagen basada en el láser para flujos ópticamente accesibles. Aunque existen muchas formas de PIV que se extienden más allá de la técnica de la plana original de las capacidades de medición de la velocidad de dos componentes, el sistema básico de PIV se compone de una fuente de luz (láser), una cámara, partículas trazadoras, y algoritmos de análisis. Los parámetros de imagen y la grabación, la fuente de luz, y los algoritmos se ajustan para optimizar la grabación para el flujo de interés y obtener datos de velocidad válidos. Común PIV medida investigaciones velocidades de dos componentes en un avión en unos pocos fotogramas por segundo. Mediciones de la tasa elevada de fotogramas (&gt; 1 kHz) Sin embargo, los acontecimientos recientes en la instrumentación han facilitado capaces de resolver transiciónent fluye con alta resolución temporal. Por lo tanto, las mediciones de alta tasa de fotogramas tienen habilitadas las investigaciones sobre la evolución de la estructura y dinámica de los flujos altamente transitorios. Estas investigaciones juegan un papel crítico en la comprensión de la física fundamental de los flujos complejos. Una descripción detallada de la realización de alta resolución, alta velocidad plana PIV para estudiar un flujo transitorio cerca de la superficie de una placa plana se presenta aquí. Detalles para ajustar las limitaciones de parámetros tales como la imagen y propiedades de grabación, las propiedades de la hoja de láser, y el procesamiento de los algoritmos de adaptación PIV para cualquier flujo de interés se incluyen.

Una foto de la puesta a punto se muestra en la Figura 1. Imágenes de partículas en bruto, de una ventana de 32 x 32 píxeles de interrogación junto a la pared a partir de dos imágenes consecutivas capturadas se muestran en la Figura 2. Las partículas en la figura 2a se desplazan 2-3 píxeles a la derecha en la figura 2b y satisfacen la &quot;regla de la cuarta parte,&quot; que establece que los desplazamientos de partículas en el plano y fuera del plano no debe exceder ¼ del tamaño de la ventana de interrogación . Además, la densidad de las partículas por ventana de interrogación debe ser aproximadamente 8-10 partículas ya que los algoritmos de correlación de PIV seguimiento de grupos de partículas. Sin embargo, la densidad de siembra en cerca de la pared de PIV investigaciones es a menudo del orden de partículas de 1-3. Por lo tanto, los algoritmos especiales se deben utilizar para hacer frente a los estudios con menor densidad de siembra, tales como el seguimiento de los algoritmos de velocimetría de partículas (PTV), que registran las partículas individuales 1,2,4-6. Un enfoque correlación promediada en el tiempo7,8 también se puede usar para abordar los problemas de baja densidad de siembra pero esto generalmente resulta en la pérdida de resolución temporal. Adicionalmente, formación de imágenes cerca de las paredes se ve afectada por los reflejos del láser brillantes que pueden afectar negativamente a las correlaciones de PIV y producir vectores falsos. Estos reflejos brillantes también limitan la posición de la primera vector de velocidad válido en la dirección normal de la pared. Pre-procesamiento de las imágenes de partículas primas es necesaria para reducir el impacto del ruido de fondo a partir de fuentes tales como reflejos del láser. En esta demostración el primer vector válido se encuentra a 23 m de la pared. Después de imágenes de partículas primas son procesadas usando los algoritmos de correlación de PIV, la calidad y la validez de los campos de vectores de velocidad resultantes deben ser evaluados. Vectores espurias son inevitables en los campos de vectores primas, pero hay algunas características distintivas. Vectores incorrectos son comunes cerca de superficies, en los bordes de la hoja de la luz, y en los bordes oflujo de fa. Además, la magnitud y dirección de los vectores no válidos difieren significativamente de vectores vecinos y no tendrán sentido físico. En el caso de este ejemplo de flujo de la capa límite, los vectores de velocidad válidos deben apuntar de izquierda a derecha, como los desplazamientos de partículas de la Figura 2 indican. Además, las velocidades deben disminuir cerca de la pared debido a la condición de no deslizamiento 9. Los campos de velocidades instantáneas que se muestran en la Figura 3 se ajustan ambos de estos criterios físicos. Otra medida útil para evaluar la validez de los resultados de PIV es para determinar la elección del vector de cada vector en el campo de vector de velocidad. En general, el campo de vector debe consistir de&gt; = 95% vectores de primera elección, es decir, aquellos que no requería de post-procesamiento, por lo que los algoritmos de post-procesamiento sólidas se pueden usar para detectar y reemplazar vectores espurias sin producir artefactos considerables 2. Los campos de vectores instantáneas muestran en <strong&gt; Figura 3 se componen enteramente de la primera elección de los vectores. La importancia de, las mediciones de PIV de alta velocidad, o cinematográfica se hace evidente a partir de una inspección de una secuencia de tiempo de imágenes de flujo. Campos de vectores de velocidad instantánea (V i) y la fluctuación de velocidad (V &#39;) al principio, en medio y al final de la secuencia de registro se muestran en la Figura 3. Uso de una descomposición de Reynolds, V i es la suma del campo de velocidad promediada ( <img alt="Ecuación" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" /> ) Y V &#39;10. Para este experimento, <img alt="Ecuación" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" /> se determinó promediando temporalmente todas las imágenes de la secuencia. Los campos de vectores instantáneos a travésla secuencia de grabación son muy similares y muestran el flujo de movimiento de la izquierda a la derecha. Estos resultados también indican que el flujo es predominantemente en la dirección horizontal desde el componente de velocidad horizontal (u) es mucho más grande que el componente vertical de la velocidad (v). Los campos de vectores de fluctuación también indican que las fluctuaciones de la velocidad horizontal (u &#39;) son más grandes que las fluctuaciones de la velocidad vertical (V&#39;). Sin embargo, las fluctuaciones también indican que el flujo se ralentiza puesto que u &#39;invierte su dirección a lo largo de la secuencia de grabación. U El tiempo promedio e instantáneo - perfiles en varios momentos diferentes a lo largo de la secuencia de grabación se muestra en la Figura 4 y verifique que el flujo se ralentiza en el tiempo. La u - perfiles quevolver a determinarse promediando cuatro columnas vector adyacentes juntos para mejorar la significación estadística de los resultados próximos a la pared. El procedimiento fue utilizado en trabajos anteriores 6,8. Las barras de error indican el doble de la desviación estándar de las cuatro columnas de vectores adyacentes. La mayor barra de error se produce cerca de la superficie de la placa y reafirma la dificultad de utilizar algoritmos de correlación de PIV para áreas de baja densidad de siembra. Varios algoritmos de análisis están diseñados para hacer frente a la baja densidad de siembra como PTV 5,6 y enfoques correlación tiempo-un promedio de 7,8. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig1.jpg" /> Figura 1. Montaje de sobremesa. <img alt="La figura 2" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2.jpg" /> Figura 2. Imágenes de partículas en un interrogatorio 32 x 32 píxeles cerca de la pared a una) t = 0,2 mseg y b) t = 0,4 mseg. Las dimensiones físicas de la ventana de interrogación son 96 x 96 micras 2. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig3.jpg" /> Figura 3 A la izquierda:. Instantánea (V i), y el de la derecha: campos de velocidad de fluctuación (V &#39;) al principio, en medio y al final de la secuencia de la grabación. Los campos vectoriales se componen enteramente de los vectores de primera elección. Un subconjunto más pequeño de los campos de vectores se muestra para mayor claridad. Los campos i V indican el flujo se mueve de izquierda a derecha, mientras que la dirección inversa V &#39;. Tenga en cuenta que sólo uno de cada vector columna cuarta en la dirección horizontal se muestra para mayor claridad. Además, La escala de la velocidad entre los campos de V &#39;V i y es diferente según se indica en la esquina superior izquierda de cada imagen. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig4.jpg" /> Figura 4. Velocidad de perfiles horizontales (u) en diferentes momentos a lo largo del flujo. Tiempo promedio de u - perfil se muestra con círculos. Las barras de error que se muestran en t = 0,1 mseg perfil son representativos de las barras de error para todos los otros momentos. La evolución temporal de los perfiles u - muestra una disminución en el flujo a través del tiempo.

Un procedimiento para el estudio de flujos transitorios cerca de las fronteras con alta resolución, alta velocidad de velocimetría de imágenes de partículas (PIV) se describe aquí. PIV es una técnica de medición no invasiva aplicable a cualquier flujo óptico accesible mediante la optimización de varias restricciones de parámetros tales como la imagen y la grabación de las propiedades, las propiedades de la hoja de láser, y algoritmos de análisis.

Alta velocidad velocímetro de partículas cerca de superficies

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The ...

El objetivo general de este video es demostrar cómo configurar y operar un experimento de velocimetría por imágenes de partículas en banco de trabajo. En primer lugar, estime los parámetros de grabación necesarios para resolver las velocidades y gradientes esperados en el flujo. El segundo paso consiste en ajustar la densidad de siembra para lograr de ocho a diez partículas por ventana de interrogación.A continuación, ajuste la frecuencia de fotogramas de la cámara y el tiempo entre los pulsos láser. Para lograr un desplazamiento de partículas entre pares de imágenes inferior a un cuarto del tamaño de la ventana de interrogación, el paso final consiste en registrar los datos y procesar los resultados con algoritmos de procesamiento adecuados. En definitiva, la anemometría por imágenes de partículas puede utilizarse para estudiar la estructura y la dinámica de cualquier flujo que tenga acceso óptico suficiente. Las principales ventajas de esta técnica frente a los métodos existentes de medición de flujo, como la anemometría con hilo caliente o los tubos PTO, son que es no invasiva y multidimensional.Este método puede ayudar a responder preguntas clave sobre el campo de velocidad de flujo en muchas aplicaciones, como la estructura y dinámica del flujo de capa límite transitoria formado en un motor de combustión interna. Estos experimentos utilizan láseres, por lo que es fundamental revisar las normas de seguridad con láseres y obtener el equipo de seguridad adecuado antes de comenzar. Cada experimentador debe usar gafas de seguridad apropiadas.Cuelgue cortinas de seguridad láser. Para aislar el experimento con láser, utilice una luz de advertencia para alertar a otras personas cuando el láser esté en funcionamiento. Como primer paso, determine una lente de cámara adecuada, una lente de microscopio de larga distancia para este montaje.Además, determine la frecuencia de cuadros de la cámara y el retardo temporal según pautas prácticas para la simetría de imágenes de partículas. En este video se estudiará el flujo cerca de la superficie de una placa. La frecuencia de cuadros y el retardo temporal se basan en estimaciones de las velocidades de flujo en la región cercana a la pared.Asegúrese de que el láser esté nivelado y de que las ópticas formadoras del haz estén colocadas. En esta demostración, la luz se dispersa a partir de gotas de aceite de silicona creadas. Utilizando un atomizador de aceite, encienda el flujo y ajuste la densidad de asentamiento mediante los chorros del atomizador y las válvulas de derivación del mismo.Comience la optimización asegurándose de que el controlador de alta velocidad y el software estén configurados correctamente. Configure la cámara para grabar continuamente. Encienda el láser y el atomizador.Enfocar el microscopio de larga distancia para obtener imágenes nítidas de las partículas. Asimismo, asegurarse de que la intensidad de las imágenes de las partículas no sature la cámara. Una vez que se obtengan imágenes enfocadas de las partículas, desactivar el modo de adquisición continua.Registre varios cientos de imágenes del flujo al finalizar y revise las imágenes registradas para verificar el enfoque, la colocación adecuada de las partículas y una deriva de partículas de aproximadamente ocho píxeles entre imágenes. A continuación se muestra un ejemplo de siembra dispersa y una deriva de partículas de alrededor de un píxel en una ventana de 32 por 32 píxeles para corregir la densidad de siembra de partículas. Aumente o disminuya el número de inyectores del atomizador para ajustar la deriva entre imágenes.Aumente o disminuya el intervalo de tiempo entre los pulsos láser. Este ejemplo es cercano al ideal con ocho a 10 partículas por ventana de interrogación de 32 por 32 píxeles, y las partículas se desplazan menos de ocho píxeles. Si es difícil rastrear grupos de partículas a través de una serie de imágenes, como en estas imágenes, puede haber demasiado movimiento fuera del plano.Ajuste el desplazamiento de la cámara desde el punto focal o aumente su distancia de trabajo respecto a la lámina de luz para compensar un exceso de movimiento fuera del plano. Finalmente, tras todos los ajustes, registre varias centenas de imágenes y verifique la partícula. Cambie la densidad de saturación y enfoque.Repita los ajustes hasta que se cumplan los criterios. Antes de cada ejecución del experimento, realice una calibración de intensidad de la cámara con la tapa colocada en el ensamblaje de la cámara para establecer un referente de intensidad. Una vez finalizada la calibración, retire la tapa.Configure el láser a la frecuencia de repetición y corriente que se determinaron como óptimas. Antes de cambiar el láser al modo externo, asegúrese de que el láser reciba una señal de disparo continua que coincida con la frecuencia establecida. Encienda el láser en modo grabación.Una secuencia de imágenes de fondo en las que solo el haz de luz roza la superficie de la placa. No hay dispersión de fondo significativa, por lo tanto, la mayoría de las imágenes son oscuras. Guarde estas imágenes para su posterior procesamiento.Ahora inicie el flujo y permita que se estabilice con la cámara configurada para adquirir imágenes continuamente; verifique que esté recopilando imágenes enfocadas de las partículas. Una vez hecho esto, desactive el modo de adquisición continua. Para cada ejecución, ingrese el número deseado de imágenes que se recopilarán.Luego presione grabar. Una vez finalizada la grabación, apague el flujo y el láser. Revise la secuencia de imágenes para comprobar la densidad de asentamiento de las partículas y el enfoque de las imágenes de las partículas.Si está satisfecho, guarde la grabación. Realice tantas repeticiones como sean necesarias para garantizar una configuración adecuada o para obtener datos estadísticos. Cada vez que se cambie el ensamblaje de la cámara o el enfoque, tome imágenes para ayudar a determinar la ubicación de la superficie en el análisis posterior.Primero, aumente el tiempo de exposición de la cámara. A continuación, coloque un objetivo de calibración sobre el plano de la lámina de luz y asegúrese de que esté en contacto con la placa. Ilumine el objetivo desde atrás con una fuente de luz mientras la cámara registra imágenes continuamente.Ajuste el objetivo para que la imagen registrada esté enfocada y no distorsionada. Asegúrese de que el punto de contacto entre la placa y el objetivo sea visible en la imagen. Esto es crucial para determinar la ubicación de la placa en la imagen; registre 10 imágenes del objetivo de calibración. El procesamiento de datos se realiza en software.Primero, promedie cada conjunto de 10 imágenes de calibración. Utilice la imagen promedio resultante en el cuadro de diálogo de calibración. Esto determinará las dimensiones reales del mundo de las imágenes adquiridas.Aplique cada imagen de calibración al conjunto correspondiente de imágenes de esta. Determine la ubicación de la placa en las imágenes calibradas. A continuación, promedie las imágenes de fondo.Compare los recuentos de intensidad de la imagen promedio del fondo con los de las partículas sedimentadas para determinar si la reflexión del láser desde la superficie contribuye significativamente al ruido de fondo. En este experimento, las reflexiones no contribuyeron significativamente al fondo. Preprocese las imágenes de flujo calibradas utilizando un filtro de paso alto para eliminar las fluctuaciones grandes de intensidad en el fondo; esto no afectará las señales de las partículas en este caso.Ahora defina una región en la que se realizará el análisis de imágenes de partículas de toda asimetría en este software, utilizando una máscara geométrica. A continuación, elija un procedimiento para calcular los vectores. La opción del software realiza aquí dos pasos iniciales con ventanas de interrogación cuadradas de 64 por 64 píxeles con un solapamiento del 50 %.A continuación, se realizan tres pasadas utilizando ventanas de interrogación cuadradas de 32 por 32 píxeles con un solapamiento del 50 % en el software. Aplique subrutinas para eliminar los vectores de velocidad que no satisfagan los criterios establecidos para garantizar la calidad de los resultados de la correlación cruzada. Estos datos de ejemplo muestran en rojo el campo de vectores de velocidad cerca de la superficie de una placa en función de la distancia a lo largo de la superficie y la altura sobre la superficie.Inmediatamente después del cálculo. Primero, aplique una subrutina para redefinir la región de análisis; las subrutinas determinan primero la relación de picos, que compara los picos de correlación más altos con la correlación común. Los vectores de fondo con relaciones de picos cercanas a uno indican un pico falso y se eliminan, reflejado aquí por los cuadros blancos y las flechas ausentes.A continuación, las rutinas rechazan los vectores que tienen una componente que no se encuentra dentro de una desviación estándar respecto a la mediana de esa componente, calculada a partir de un subconjunto de vectores. Asimismo, las rutinas eliminan los vectores espurios que surgen de una gran superposición en el cálculo del vector de velocidad. En una última etapa, las rutinas rellenan los espacios vacíos en el campo mediante interpolación entre vectores vecinos distintos de cero. Estos vectores se muestran en magenta.Como paso final, se evaluó la calidad de los resultados; cerca de la superficie de una placa plana se midió el flujo y se obtuvieron datos sobre los campos de velocidad instantánea y de velocidad de fluctuación en este gráfico. Se muestra a la izquierda un subconjunto del campo de velocidad instantánea en el tiempo T igual a 0,1 milisegundos y a la derecha el campo de velocidad de fluctuación. Los vectores proporcionados como escala en la parte superior izquierda de cada gráfico en un momento posterior, en el paso intermedio de la secuencia de grabación, indican que el campo de velocidad instantánea de la izquierda permanece estable, pero el campo de fluctuación ha cambiado drásticamente.La magnitud de los vectores ha disminuido y hay menos uniformidad en la dirección cerca del final de la secuencia de grabación. El campo de velocidad instantánea aún muestra la dirección general del flujo de izquierda a derecha. El campo de fluctuación ha invertido su dirección.Esta figura muestra el perfil de velocidad horizontal en diferentes momentos durante el flujo. Las barras de error mostradas en el perfil de T igual a 0,1 milisegundos son representativas de las barras de error para todos los demás tiempos. Obsérvese que el historial temporal muestra una disminución del flujo con el tiempo.El perfil promediado en el tiempo se muestra con círculos. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo ajustar y optimizar los parámetros de simetría de imagen de partículas para adaptar el procedimiento a cualquier investigación de flujo. No olvide que trabajar con láseres puede ser extremadamente peligroso y que siempre se deben tomar precauciones, como usar gafas protectoras y señales de advertencia para alertar a otras personas, mientras se realiza este procedimiento.

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Investigación

JoVE Journal

Engineering

Ingeniería

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