FFT-based viscosity sensing for a micropillar-based microfluidic chip
Mikrosütun tabanlı mikroakışkan çip için FFT tabanlı viskozite ölçümü
- Tez No: 854817
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN, DOÇ. ONUR FERHANOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Bilişim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Viskozite, biyolojik ve kimyasal sıvıların önemli bir malzeme özelliğidir. Birçok endüstriyel işlemde üretim verimliliğini artırmak için, polimerlerin, yağların, boyaların, gıdaların, ilaçların ve diğer malzemelerin viskozitesi doğru bir şekilde ölçülmelidir. Sonuç olarak, düşük numune hacimleri kullanarak viskoziteyi ölçmek için basit, hızlı ve ucuz yöntemler geliştirilmesi, endüstriyel ve tıbbi alanda çok önemlidir. Geleneksel viskozimetreler genellikle iki kategoriye ayrılır: döner ve kılcal viskozimetreler, biyolojik ve endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Yine de hantal, pahalı enstrümantasyon ve operasyonel karmaşıklık, rutin kullanımlarını genellikle sınırlar ve daha verimli alternatiflerin geliştirilmesini gerektirir. Maddenin önemli bir özelliği olan viskozite ölçümü, bazı tıbbi uygulamalarda çok önemli bir parametre olarak adlandırılır. Bu hedefe ulaşmak için, araştırmacılar sadece küçük bir örnek kullanarak viskoziteyi kesin ölçebilecek çeşitli mikroakışkan viskozimetreler önerdiler. Yapılan araştırma 4 ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde bir literatür araştırması yapıldı ve daha önce yapılan araştırmalarda kullanılan yöntemler ve deneyler incelendi. Çalışmanın ikinci bölümünde yeni tasarlanan çipin fabrikasyon yöntemleri ele alındı ve devamında kullanılan deneysel düzlem detaylı bir şekilde bahsedildi. Çalışmanın üçüncü bölümünde kullanılan hesaplama yöntemleri, görüntü işleme yöntemleri ve sinyal işleme yöntemlerinde bahsedildi. Bu bölümde yeni önerilen iki boyutlu FFT yöntemi ve bu yöntemin alan bulma ve dairesel Hough transform yöntemine karşı artıları ele alındı. Çalışmanın son bölümünde yeni önerilen algoritmanın artıları ve yeni çalışmalarda nasıl bir yol izlenmesi gerektiğine yönelik bazı öneriler bulundu. Son bölümde daha önce kullanılan dairesel Hough transform yöntemi, bir sınıflandırma yöntemi olan k-mean algoritmasıyla birleştirildi ve bu yöntemin artı ve eksikliklerinden bahsedildi. Ek olarak yeni önerilen iki boyutlu FFT algoritması kullanılarak tasarlanan çiplerin, tasarım aşamasına geçmeden önce nasıl boyut ve uzunluğunun optimize edilmesine yönelik bir çalışma yapıldı. Bu çalışma, bir mikro sütun tabanlı mikroakışkan viskozimetre araştırmasına odaklanmıştır. Tasarlanan viskozimetre, akışkan sıvıya tepki olarak esnek polidimetilsiloksan (PDMS) yapılmış mikro sütun dizilerinin eğilmesini değerlendirir. Bu nedenle yapının Young Module değerleri sistem için ölçümlerini gerçekleştirilebilir. Mikroakışkan çipler tanınmış bir yumuşak litografi prosedürü kullanılarak üretilir. Mikro sütunların optik deneysel yapıda lazer tarafından yayılan ışığı emmesini sağlamak için, siyah pigmentler yapım aşamasından önce PDMS'e karıştırıldı ve sütunların görsel görünümü değiştirildi. Siyah pigment, iyileşme ajanı ve PDMS'nin oranı başka bir araştırmadan alınmıştır. Daha önce yapılan çalışmalardan PDMS maddesine karıştırılan pigment boyaların, malzemelerin fiziksel özelliğini herhangi bir etki etmediği gözlemlenmişti. PDMS malzemesinin fiziksel özelliği değişmemesine karşı bu yapının görsel özelliği değişiyor ve ışığın PDMS tarafında absorbe edilmesini sağlamaktadır. Bu tarz çalışma PDMS malzeme ve mikroakışkan çiplerin araştırılmasında yenilikçi bir yaklaşım olduğu varsayıldı. Mikroakışkan Sütunların eğiminin hesaplanması için İki kamera, biri üst, diğeri ise yan bakış açısıyla, eşzamanlı, belirli zaman aralığında verileri aynı anda yakalar. Deneysel kurulum, iki kamera, lens ve ND filtre ve bir lazer ile oluşturuldu. Deneysel kurulum için THOR Labs malzemeleri kullanıldı. Kameralar tarafından çekilen görüntüler PDMS tabanlı mikro sütunların eğim açılarını ölçmek için işlendi. Üst kameradan çekilen görüntülerin verileri çok gürültülü olmasından dolayı, MATLAB ortamında görüntü işleme fonksiyonları kullanarak filtrelendi. Çember tespiti algoritması üst görüntüden sütunun konumunu belirlemek için kullanıldı. Çember bulma algoritması için MATLAB tarafında imfindcircle fonksiyonu kullanıldı ve bütün parametreler optimize edildi. Deney videosunun her karesinde sütuna karşılık gelen çemberin merkezi, Dairesel Hough Dönüşüm yöntemini kullanarak bulundu. Daha sonra, çerçevelerin merkez konumlarının karşılaştırılması yoluyla yer değiştirme sonuçları belirlendi.Hızlı Fourier Dönüşümü, yan kameradan alınan görüntü verilerini analiz etmek ve mikro sütunların eğim açılarını belirlemek için kullanıldı. Yan taraftan elde edilen görüntülerin sinüzoidal bir yapısı olduğundan bu yapının frekans domaininde davranışı görselleştirildi. Yapının dört ana parametresi olan genlik, frekans, faz ve açısı frekans domainininde görselleştirildi. Yapının herhangi bir parametresinde uygulanan değişiklik frekans domaininde elde edilebilir olduğu görüntülendi. Yapıdan oluşan bir eğiklik açısı, FFT fonksiyonu uygulandıktan sonra görselleştirildi ve eğiklik açısı hesaplanıldı. İki kameradan elde edilen görüntü verileri, her birinin hesaplama süresini ve doğruluğunu iki yöntemle incelemek için görüntülerin piksel sayısını artırmak için interpolasyon uygulandı. İki yöntemin hesaplama süresi farklı senaryolar için hesaplanmış ve uygulanan yöntem aynı çerçeveler için hesaplama zamanını önemli ölçüde azaltmıştır. İki hesaplama yönteminden elde edilen sonuçlar, ortalama %0,74'lik bir oran ile dikkat çekici bir benzerlik gösteriyor. Ek olarak iki yöntemin sonuç ve performansı görüntülere eklenen ekstra gürültü ile karşılaştırıldı.\\ Devam eden çalışmalar için K-Means yöntemi ve çember bulma algoritması birleştirildi ve sonuç olarak yeni algoritma gürültüye karşı etkin bir performans gösterdi. K-Means yöntemi hesaplama zamanı açısından FFT ve Çember bulma yöntemine karşı çok düşük performans gösterdi. Ek olarak geliştirilen FFT yöntemini kullanarak tasarlanan mikro akışkan çiplerin boyut ve aralıklarını optimize edebiliriz. Tasarlanan çiplerin sütunlarının uzunluk/çap oranını ve sütunların birbiri ile olan mesafesini, çipi tasarlamadan önce optimize edebiliriz. Çalışmanın asıl amacı olan hesaplama yöntemlerinde ciddi bir miktarda artış gözlemlendi. Yeni önerilen yöntemi ekstradan eklenen gürültüye karşı performansı eski yöntemlere karşı ciddi bir başarı sağladı. Ek olarak yeni yöntemin eski yöntemler ve çember bulma yöntemine karşı hesaplama zaman açısından ciddi bir miktarda iyileşme sağlanıldı. Yeni tasarlanan yöntemi kullanarak tasarlanan çiplerin boyutlarında optimizasyon yapılacağına yönelik bir çalışma gerçekleştirildi ve yeni tasarlanan çip bu tarz çalışmalarda ciddi miktarda hesaplama açısından kolaylık sağladığı gözlemlendi. Bütün yapılan çalışmalar ve hesaplama yöntemleri MATLAB ve Fiji uygulamalarında ve İstanbul teknik Üniversitesi Elektro optik laboratuvarında gerçekleştirildi. Ek olarak çip fabrikasyon ve yapım aşamaları Koç Üniversitesi Nano optik laboratuvarın temiz odasında gerçekleştirildi.
Özet (Çeviri)
The measurement of viscosity, a fundamental characteristic of substances, is crucial in specific medical contexts. In order to achieve this objective, scientists have put forward a range of microfluidic viscometers that are capable of accurately determining viscosity with minimal sample size. The research consists of four main parts. In the first chapter, a literature research was conducted and the methods and experiments used in previous research were examined. In the second part of the study, the fabrication methods of the newly designed chip were discussed and the experimental plane used was mentioned in detail. In the third part of the study, the calculation methods, image processing methods and signal processing methods used were mentioned. In this section, the newly proposed two-dimensional FFT method and its advantages over area finding and circular Hough transform method are discussed. In the last part of the study, the advantages of the newly proposed algorithm and some suggestions on what path should be followed in new studies were found. In the last section, the previously used circular Hough transform method was combined with the k-mean algorithm, a classification method, and the pros and cons of this method were mentioned. In addition, a study was conducted to optimize the size and length of chips designed using the newly proposed two-dimensional FFT algorithm before moving on to the design phase. The objective of this study is to examine a microfluidic viscometer that utilizes micropillars. The viscometer measures the flexing of arrays of micropillars composed of flexible polydimethylsiloxane (PDMS) in reaction to the movement of fluid. The microfluidic chips are manufactured using a widely used soft lithography technique. In order to enhance the light absorption of the micropillars in the optical experimental setup, black pigments are included into the PDMS prior to the baking process. The proportions of the black pigment, curing agent, and PDMS have been adopted from a previous study. To determine the deflection of the pillars Two cameras, one positioned above and the other from a side angle, simultaneously record data during a synchronized time period. The experimental configuration consists of two cameras and a laser. The cameras process the recorded frames to quantify the bending angles of the micropillars made from PDMS. The circle detection technique has been employed to ascertain the precise position of the pillar based on the top-down perspective. The Fast Fourier Transform (FFT) is employed to analyze the frame data captured by the side camera and ascertain the bending angles of the micropillars. The acquired image data from two cameras has been processed by interpolation in order to enhance the pixel count of the images for the purpose of evaluating the calculation time and accuracy of two different approaches. The computation time of two approaches has been measured for various conditions, and the introduced method has greatly decreased the calculation time for identical frames. The findings produced from the two calculating approaches exhibit a significant resemblance, with an average inaccuracy of %0.74.
Benzer Tezler
- Silindirik geometrideki bir ısıtıcıya dik akış halinde kritik ısı akısının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
SALİM ÖZÇELEBİ
- Geniş bantlı RF spektrum analizi için FFT tabanlı gerçek zamanlı spektrum analizörü tasarımı
Design of FFT based real time spectrum analyzer system for analysis of wide band RF spectrum
MEHMET ESKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT KAÇAR
- An optimized FFT based accquisition method for GPS receivers
GPS alıcıları için optimize edilmiş FFT tabanlı sinyal yakalama yöntemi
NEJAT YENİGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilim ve TeknolojiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENVER ÇAVUŞ
- OFDMA sistemlerinde alternatif modülasyon teknikleri
OFDMA sistemlerinde alternatif modülasyon teknikleri
LERZAN ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Bilim ve TeknolojiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. LÜTFİYE DURAK
- Computer aided design of an adaptive digital filter and its application to signal processing
Bilgisayar destekli uyarlamalı sayısal süzgeç tasarımı ve onun işaret işlemeye uygulanması
ERGUN ERÇELEBİ
Doktora
İngilizce
1999
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARİF NACAROĞLU