CN102564905B - 超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置及其方法，密闭腔室一端有玻璃视窗，CCD观测系统置于玻璃视窗外部，注射器固定在密闭腔室内，通过旋转螺纹推杆实现注射器推杆的推拉，注射器出口通过连接软管连接针头；照明系统安装在密闭腔室底部，照明系统的光源正上方依次是样品夹和针头，针头的针尖垂直于样品夹，利用螺旋推杆的转动控制液体的进样操作，实时捕捉液滴在前进、静止或后退过程中随时间变化的外观灰度图像；利用接触角分析方法分析每帧图片中液滴外观轮廓，进行拟合，求出斜率，计算出前进、静止或后退接触角值。本发明能在超导磁体模拟微重力条件下和常重力条件下准确测量固—液动、静态接触角。

Description

超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种测量固—液动、静态接触角的装置和方法。

背景技术

接触角是指将液体滴在固体水平平面上，在固、液、气三相交点处，固液界面与气液界面两切线把液滴夹在其中所形成的夹角。接触角是表征液体在固体表面润湿性的重要参数。通过对接触角的研究，可以深入理解各种界面现象，获得固气界面、固液界面、气液界面的诸多信息。

文献“接触角测量技术的最新进展.理化试验-物理分册.2008，44：84-89”报道了接触角测量技术的最新进展，目前接触角的测量方法主要有量角法、测力法、小液滴球冠法、液饼法、垂片法、透过法等。方法一：测力法是将测试固体薄板通过金属丝连接于电子天平，当薄板未浸入液体时，薄板只受到重力作用，得到测力装置的读数；当薄板浸入到液体一定深度达到平衡时得到一个读数，然后通过一系列的数学公式计算得出接触角的值。在超导磁体大梯度强磁场中，不同位置物体受力不同，显然，用测力法在超导磁体内测接触角是不可行的。方法二：小液滴球冠法是在液滴足够小时，忽略重力的影响，认为液滴是理想的球冠，通过测量液滴的高和球体的直径应用几何知识计算出接触角值。超导磁体可以长时间模拟微重力环境，即使在这种环境下液滴也不可能是理想的球冠，此外液滴太小时受线张力影响显著，针头对液滴干扰也大，因此测量值不够准确。方法三：液饼法是将待测液滴在固体表面上，不断增加液体的量直到液滴高度不再增加而液滴直径不断增加的情况下，量出液滴的高度，记录液体的体积，再根据相应数学公式计算出接触角值。这种方法测得的接触角是一个临界值，而不是动态的接触角值。方法四：垂片法是将待测薄片插入水中，由于毛细作用，液体会沿薄片上升，量出上升的高度，根据相应数学公式算出接触角值。在超导磁体大梯度强磁场中，受空间和CCD观测系统的限制，此法也难以适用于超导磁体模拟微重力环境下接触角的测量。方法五：透过法只适用于固体粉末接触角的测量，但不适用于表面光滑的材料接触角的测量。

量角法是应用最广泛、最直接的方法。专利“真实液滴法测试固—液动、静态接触角的仪器和方法，CN：101865807 A，2010.10.20”发展了一种基于真实液滴法测量固—液动、静态接触角的方法和仪器。这种方法是通过数学算子自动查找实时捕捉图像的边缘，从而计算出接触角。文献“Low rate dynamic and static contact angles and thedetermination of solid surface tensions.Colloid Surface A，1996，116(1/2)：63-77”发展了一种用于测量接触角的ADSA-P软件，能够自动计算出接触角、液体体积、表面能的参数。文献“The apparent contact angles of liquids on finely grooved solid surfaces a SEMstudy.J.Adhesion.1977，8(1)：223-234.”发展了一种从底部挤出和吸入液体的接触角测量仪，此法很好的避免了针头对液滴的干扰，测量结果较准确。但是，以上方法和仪器只适用于在重力场下接触角的测量，这些仪器自动化程度较高、体积庞大、结构复杂。对于超导磁体圆柱形腔室直径仅为50mm的有限空间来说，根本无法应用。另外超导磁体本身具有高强磁场，而传统接触角测定仪、CCD观测系统一般由铁磁性的材料制成，因此无法适用于超导磁体内接触角的测量。

发明内容

为了克服现有技术体积庞大且无法在超导磁体内使用的不足，本发明提供一种在超导磁体模拟微重力环境下固—液动、静态接触角测量装置，满足在超导磁体模拟微重力环境下测量固—液动、静态接触角的同时，也可以满足在常重力条件下固—液动、静态接触角的测量，可进行两者的对比实验。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括密闭腔室、CCD观测系统、进液系统、照明系统和样品夹系统。密闭腔室是由密封罩围成一个密闭空间，一端有玻璃视窗，CCD观测系统置于玻璃视窗外部，可以实时观测和捕捉图像；进液系统包括螺纹推杆、进样器(注射器)、连接软管和针头，注射器固定在密闭腔室内，通过旋转螺纹推杆实现注射器推杆的推拉，进而完成液体的挤出与吸入，注射器出口通过连接软管连接针头；照明系统安装在密闭腔室底部，照明系统的光源正上方依次是样品夹和针头，针头的针尖垂直于样品夹。

所述的样品夹系统包括角度调节杆旋钮、样品夹、角度调节杆、小齿轮、扇形齿轮和样品夹固定杆。角度调节杆一端固连角度调节杆旋钮，另一端固连小齿轮，小齿轮与扇形齿轮啮合，扇形齿轮的圆心位置固连样品夹固定杆的一端，样品夹固定杆与样品夹固连。转动角度调节杆旋钮可转动角度调节杆，带动小齿轮转动，进而带动扇形齿轮转动，扇形齿轮的转动通过样品夹固定杆带动样品夹转动。在安装待测材料时，为了避免对针头的损伤，以及针头对材料本身的损伤，通过角度调节杆旋钮的旋转将样品夹移开，待装好待测固体材料后，再旋转到与针头相接触的位置进行试验。

所述的螺纹推杆旋钮上有刻度，可以精确计量旋转的圈数，并且通过指示针观察可精确计算挤出液体的体积；通过旋转螺旋推杆旋钮的速率控制进液和回吸的速率。

所述的密闭腔室的内壁贴有一层反光材料，增强了密闭腔室的亮度。

上述的每组部件由抗磁性材料制作，包括铝、铜、不锈钢、玻璃、有机玻璃或塑料。

所述的接触角测量装置从超导磁体底部装入超导磁体腔室中，在柱身外侧标有刻度，可以精确定位液滴所处的位置。测量位置为液滴所受合力为零(即液滴所受磁化力与重力平衡)的失重悬浮位置。

所述的密闭腔室外形呈长圆柱状。

本发明提供一种在超导磁体模拟微重力环境下测量固—液动、静态接触角的方法，包括以下步骤：

(1)利用螺旋推杆的转动控制液体的进样操作；

(2)利用CCD观测系统实时捕捉液滴在前进、静止或后退过程中随时间变化的外观灰度图像；

(3)利用接触角分析方法分析每帧图片中液滴外观轮廓，进行拟合，求出斜率，计算出前进、静止或后退接触角值。

所述的接触角分析方法包括以下步骤：

(a)根据接触角所在图像区域选择图像上的两个点，这两点设定为图像的矩形ROI(Region of Interest，感兴趣区域)的左上角点和右下角点，使得固、液、气三相接触点处于该区域的中央。然后将矩形ROI的左上角的第一个像素设定为坐标(0，0)，x轴方向向右，y轴方向向上，将所有像素点的整数像素坐标转换为实数坐标系下的坐标值；

(b)对ROI区域使用canny数学算子进行边缘检测，获得相应的二值图像BW。在该图像上边缘点的灰度值等于1，在图像上呈现白色，其它点的灰度值等于0，在图像上呈现黑色。边缘点分别属于样品夹底板和液滴轮廓，底板边缘点位于水平线上，液滴轮廓边缘点呈现为弧线，固、液、气三相接触点为水平线与弧线的交点；

(c)在BW中选择属于样品夹底板边缘上的任意两点b1和b2，获得这两点的坐标。根据这两点的坐标和斜率公式计算出样品夹底板的倾斜角；

(d)对BW中的属于液滴的边缘点使用最小二乘法进行多项式拟合。为了保证拟合精度，先将所有液滴边缘点坐标在坐标系内顺时针旋转30度，再进行多项式拟合，可得到拟合系数；

(e)得到拟合系数之后，对所得多项式进行求导计算，就得到了液滴边缘点的斜率。进一步计算该固、液、气三相接触点处斜率的反正切值，并进行“弧度-角度”转换就得到了旋转后的接触角角度值。该角度值加上第(d)步旋转的30度，并减去第(c)步所得到的样品夹底板倾斜角度值就得到了最终的接触角。

本发明的有益效果是：本发明依照超导磁体特殊环境的要求，设计并采用抗磁性材料(铝、不锈钢、玻璃、铜、塑料、有机玻璃)制作了接触角测定仪，发展了接触角测定方法，克服了常规接触角测定仪体积庞大、无法在强磁场条件下测量接触角的缺点，取得了在超导磁体模拟微重力条件下和常重力条件下准确测量固—液动、静态接触角的效果。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1本发明的立体示意图；

图2本发明的进液系统示意图；

图3本发明的样品夹系统示意图。

图中：1-螺纹推杆旋钮，2-角度调节杆旋钮，3-螺纹推杆，4-卡扣，5-注射器推杆，6-注射器，7-针头，8-密封罩，9-样品夹，10-视窗，11-平面光源，12-连接软管，13-角度调节杆，14-小齿轮，15-扇形齿轮，16-样品夹固定杆，17-CCD。

具体实施方式

图1为本发明在超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置整体外观图，包括：螺纹推杆旋钮1，角度调节杆旋钮2，螺纹推杆3，卡扣4，注射器推杆5，注射器6，针头7，密封罩8，样品夹9，视窗10，平面光源11，CCD17。

超导磁体圆柱形腔室直径为51mm，长1020mm。接触角测量装置从超导磁体底部装入超导磁体腔室中。在装置柱身部分标有刻度，可以精确定位液滴所处的位置。测量位置为液滴所受合力为零(即液滴所受磁化力与重力平衡)的失重悬浮位置。

本装置的密封罩8所示的空间是一个密闭空间。密闭腔室顶部为视窗10，由玻璃片制成，CCD17置于玻璃视窗外部，可以实时观测和捕捉图像。样品夹9可通过角度调节杆旋钮2实现转动；样品夹9下方为平面光源11，可通过改变电压调节光的亮度；进样器(注射器)6镶嵌在装置卡槽中；通过旋转螺纹推杆旋钮1实现注射器推杆5的推拉，进而完成液体的挤出与吸入；旋转螺纹推杆旋钮1上有刻度，螺纹推杆旋钮上刻有刻度，可以精确计量旋转的圈数，并且通过指示针观察可精确计算挤出液体的体积；通过旋转螺旋推杆旋钮的速率控制进液和回吸的速率。

见图2本发明接触角测量装置的进液系统，主要包括螺纹推杆旋钮1，螺纹推杆3，卡扣4，注射器6，针头7，连接软管12。

顺时针旋转螺纹推杆旋钮1，传导螺纹推杆3向前缓慢移动，通过卡扣4推动注射器推杆，液体从注射器6进入连接软管12，进而从针头7被挤出。逆时针旋转螺旋推杆旋钮1，拉动注射器推杆与注射器6发生相对位移，从而实现液体回吸的过程。

见图3本发明接触角测量装置样品夹系统，主要包括角度调节杆旋钮2，样品夹9，角度调节杆13，小齿轮14，扇形齿轮15，样品夹固定杆16。

转动角度调节杆旋钮2可转动角度调节杆13，带动小齿轮14转动，小齿轮14的转动带动扇形齿轮15转动，扇形齿轮15的转动通过样品夹固定杆16带动样品夹9转动。在安装待测材料时，为了避免对进液针的损伤，以及进液针头对材料本身的损伤，通过角度调节杆旋钮2的旋转将样品夹9移开，待装好待测固体材料后，再旋转到与针头相接触的位置进行试验。

实施例1：

(1)超导磁体模拟微重力环境下三蒸水在硅晶片上动、静态接触角的测量。

第一步：将三蒸水吸入注射器6，排除气泡后与连接软管12连接，装入卡槽中。打开密封罩8，旋转角度调节杆旋钮2将样品夹9移向一边。旋转螺纹推杆旋钮1将气泡排除干净。盖上密封罩8。打开光源11。

第二步：将接触角测量装置从磁体底部装入超导磁体腔室中。挤出液滴，确定悬浮位置，观察接触角测量装置柱身部分的刻度，并记录。即确定了三蒸水悬浮位点。

第三步：将接触角测量装置从超导磁体中取出，打开密闭罩8，将准备好的硅晶片装在样品夹9上。通过旋转角度调节杆旋钮2将样品夹9调节至密闭空间的中间位置，使进样针头7刚好与硅晶片表面垂直相接。盖上密封罩8。

第四步：将接触角测量装置从磁体底部装入超导磁体腔室中，按照第二部确定的位置固定装置。调整CCD17的位置，使之与待测样品保持在同一平面上。

第五步：CCD17捕捉图像。每隔1秒捕捉1张。开始顺时针旋转螺纹推杆旋钮1，保持一定转速，将三蒸水缓慢挤出，直至三蒸水体积达到80μL(即旋转螺纹推杆旋钮11.25圈)，停止旋转，静止2min，然后逆时针旋转螺纹推杆旋钮1，保持一定转速，将三蒸水缓慢回吸，直至将硅晶片上的三蒸水吸干。液滴在硅晶片上不断增大的过程中形成了前进角，当液滴不再增大，保持静止时，形成了静态接触角，当三蒸水被回吸，液滴减小的过程中形成了后退角。实验结束后，停止图像捕捉。

第六步：接触角的分析。1)根据接触角所在图像区域选择图像上的两个点，这两点设定为图像的矩形ROI(Region of Interest，感兴趣区域)的左上角点和右下角点，使得固、液、气三相接触点处于该区域的中央。然后将矩形ROI的左上角的第一个像素设定为坐标(0，0)，x轴方向向右，y轴方向向上，将所有像素点的整数像素坐标转换为实数坐标系下的坐标值；

2)对ROI区域使用canny数学算子进行边缘检测，获得相应的二值图像BW。在该图像上边缘点的灰度值等于1，在图像上呈现白色，其它点的灰度值等于0，，在图像上呈现黑色。边缘点分别属于样品夹底板和液滴轮廓，底板边缘点位于水平线上，液滴轮廓边缘点呈现为弧线，固、液、气三相接触点为水平线与弧线的交点；

3)在BW中使用鼠标交互选择属于样品夹底板边缘上的任意两点b1和b2，可获得这两点的坐标。根据这些坐标和斜率公式可以计算出底板的倾斜角；

4)然后对BW中的属于液滴的边缘点使用最小二乘法进行多项式拟合。为了保证拟合精度，先将所有液滴边缘点坐标在坐标系内顺时针旋转30度，再进行多项式拟合，得到拟合系数；

5)得到拟合系数之后，对所得多项式进行求导计算，就得到了液滴边缘点的斜率。进一步计算该固、液、气三相接触点处斜率的反正切值，并进行“弧度-角度”转换就得到了旋转后的接触角角度值。该角度值加上第4)步的角度旋转值，并减去第3)步所得到的样品夹底板倾斜角度值就得到了最终的接触角。

(2)对照试验：常重力条件下三蒸水在硅晶片上动、静态接触角的测量。

第一步：将三蒸水吸入注射器6，排除气泡后与连接软管12连接，装入卡槽中。打开密封罩8，旋转角度调节杆旋钮2将样品夹9移向一边，在样品夹底面装上自制的水平仪。旋转螺纹推杆旋钮1将气泡排除干净。将准备好的硅晶片装在样品夹9上。通过旋转角度调节杆旋钮2将样品夹9调节至密闭空间的中间位置，使进样针头7刚好与玻璃表面垂直相接。盖上密封罩8。打开光源11。

第二步：将CCD17与电脑连接好，一端固定在控温箱中。将接触角测量装置由控温箱另一端放入。调整CCD的位置，使之与待测样品保持在同一平面上。观察水平仪，保证样品夹处于水平。

第三步：CCD17捕捉图像。每隔1秒捕捉1张。开始顺时针旋转螺纹推杆旋钮1，保持一定转速，将三蒸水缓慢挤出，直至三蒸水体积达到80μL，停止旋转，静止2min，然后逆时针旋转螺纹推杆旋钮1，保持一定转速，将三蒸水缓慢回吸，直至将硅晶片上的三蒸水吸干。液滴在硅晶片上不断增大的过程中形成了前进角，当液滴不再增大，保持静止时，形成了静态接触角，当三蒸水被回吸，液滴减小的过程中形成了后退角。实验结束后，停止图像捕捉。

第四步：接触角的分析。1)根据接触角所在图像区域选择图像上的两个点，这两点设定为图像的矩形ROI(Region of Interest，感兴趣区域)的左上角点和右下角点，使得固、液、气三相接触点处于该区域的中央。然后将矩形ROI的左上角的第一个像素设定为坐标(0，0)，x轴方向向右，y轴方向向上，将所有像素点的整数像素坐标转换为实数坐标系下的坐标值；

2)对ROI区域使用canny数学算子进行边缘检测，获得相应的二值图像BW。在该图像上边缘点的灰度值等于1，在图像上呈现白色，其它点的灰度值等于0，，在图像上呈现黑色。边缘点分别属于样品夹底板和液滴轮廓，底板边缘点位于水平线上，液滴轮廓边缘点呈现为弧线，固、液、气三相接触点为水平线与弧线的交点；

3)在BW中使用鼠标交互选择属于样品夹底板边缘上的任意两点b1和b2，可获得这两点的坐标。根据这些坐标和斜率公式可以计算出底板的倾斜角；

4)然后对BW中的属于液滴的边缘点使用最小二乘法进行多项式拟合。为了保证拟合精度，先将所有液滴边缘点坐标在坐标系内顺时针旋转30度，再进行多项式拟合，得到拟合系数；

5)得到拟合系数之后，对所得多项式进行求导计算，就得到了液滴边缘点的斜率。进一步计算该固、液、气三相接触点处斜率的反正切值，并进行“弧度-角度”转换就得到了旋转后的接触角角度值。该角度值加上第4)步的角度旋转值，并减去第3)步所得到的样品夹底板倾斜角度值就得到了最终的接触角。

实施例2：

(1)超导磁体模拟微重力条件下乙二醇在硅化硅晶片上动、静态接触角的测量。

第一步：将乙二醇吸入注射器6，排除气泡后与连接软管12连接，装入卡槽中。打开密封罩8，旋转角度调节杆旋钮2将样品夹9移向一边。旋转螺纹推杆旋钮1将气泡排除干净。盖上密封罩8。打开光源11。

第二步：将CCD17与电脑连接好，打开软件。将接触角测量装置从磁体底部装入超导磁体腔室中。挤出液滴，确定悬浮位置，观察接触角测量装置柱身部分的刻度，并记录。即确定了乙二醇悬浮位点。

第三步：将接触角测量装置从超导磁体中取出，打开密闭罩8，将准备好的硅化硅晶片装在样品夹9上。通过旋转角度调节杆旋钮2将样品夹9调节至密闭空间的中间位置，使进样针头7刚好与硅化硅晶片表面垂直相接。盖上密封罩8。

第四步：将接触角测量装置从磁体底部装入超导磁体腔室中，按照第二部确定的位置固定装置。调整CCD17的位置，使之与待测样品保持在同一平面上。

第五步：CCD17捕捉图像。每隔1秒捕捉1张。开始顺时针旋转螺纹推杆旋钮1，保持一定转速，将乙二醇缓慢挤出，直至乙二醇体积达到80μL，停止旋转，静止2min，然后逆时针旋转螺纹推杆旋钮1，保持一定转速，将乙二醇缓慢回吸，直至将硅化硅晶片上的乙二醇吸干。液滴在硅化硅晶片上不断增大的过程中形成了前进角，当液滴不再增大，保持静止时，形成了静态接触角，当乙二醇被回吸，液滴减小的过程中形成了后退角。实验结束后，停止图像捕捉。

第六步：接触角的分析。1)根据接触角所在图像区域，使用鼠标交互选择图像上的两个点，这两点设定为图像的矩形ROI(Region of Interest，感兴趣区域)的左上角点和右下角点。然后将ROI的左上角的第一个像素设定为坐标(0，0)，x轴方向向左，y轴方向向上，将所有像素点的像素整数索引值，转换为实数坐标系下的坐标值；

2)对ROI区域使用canny数学算子进行边缘检测，获得相应的二值图像BW，在该图像上边缘点的灰度值等于1，其它点的灰度值等于0，边缘点分别属于样品夹底板和液滴轮廓。；

3)在BW中使用鼠标交互选择属于样品夹底板边缘上的任意两点b1和b2，可获得这两点的坐标。根据这些坐标和斜率公式可以计算出底板的倾斜角；

4)然后对BW中的属于液滴的边缘点使用最小二乘法进行多项式拟合。为了保证拟合精度，先将所有液滴边缘点坐标在坐标系内顺时针旋转30度，再进行多项式拟合；

5)得到拟合系数之后，对所得多项式进行求导计算，就得到了液滴边缘点的斜率。进一步计算该固、液、气三相接触点处斜率的反正切值，并进行“弧度-角度”转换就得到了旋转后的接触角角度值。该角度值加上第4)步的角度旋转值，并减去第3)步所得到的样品夹底板倾斜角度值就得到了最终的接触角。

(2)对照试验：常重力条件下乙二醇在硅化硅晶片上动、静态接触角的测量。

第一步：将乙二醇吸入注射器6，排除气泡后与连接软管12连接，装入卡槽中。打开密封罩8，旋转角度调节杆旋钮2将样品夹9移向一边，在样品夹底面装上自制的水平仪。旋转螺纹推杆旋钮1将气泡排除干净。将准备好的硅化硅晶片装在样品夹9上。通过旋转旋转角度调节杆旋钮2将样品夹9调节至密闭空间的中间位置，使进样针头7刚好与玻璃表面垂直相接。盖上密封罩8。打开光源11。

第二步：将CCD17与电脑连接好，固定在控温水浴的一端。将接触角测量装置由控温水浴另一端放入。调整CCD17的位置，使之与待测样品保持在同一平面上。观察水平仪，保证样品夹处于水平。

第三步：CCD17捕捉。每隔1秒捕捉1张。开始顺时针旋转螺纹推杆旋钮1，保持一定转速，将乙二醇缓慢挤出，直至乙二醇体积达到80μL，停止旋转，静止2min，然后逆时针旋转螺纹推杆旋钮1，保持一定转速，将乙二醇缓慢回吸，直至将硅化硅晶片上的乙二醇吸干。液滴在硅化硅晶片上不断增大的过程中形成了前进角，当液滴不再增大，保持静止时，形成了静态接触角，当乙二醇被回吸，液滴减小的过程中形成了后退角。实验结束后，停止图像捕捉。

第四步：1)根据接触角所在图像区域选择图像上的两个点，这两点设定为图像的矩形ROI(Region of Interest，感兴趣区域)的左上角点和右下角点，使得固、液、气三相接触点处于该区域的中央。然后将矩形ROI的左上角的第一个像素设定为坐标(0，0)，x轴方向向右，y轴方向向上，将所有像素点的整数像素坐标转换为实数坐标系下的坐标值；

2)对ROI区域使用canny数学算子进行边缘检测，获得相应的二值图像BW。在该图像上边缘点的灰度值等于1，在图像上呈现白色，其它点的灰度值等于0，，在图像上呈现黑色。边缘点分别属于样品夹底板和液滴轮廓，底板边缘点位于水平线上，液滴轮廓边缘点呈现为弧线，固、液、气三相接触点为水平线与弧线的交点；

3)在BW中使用鼠标交互选择属于样品夹底板边缘上的任意两点b1和b2，可获得这两点的坐标。根据这些坐标和斜率公式可以计算出底板的倾斜角；

4)然后对BW中的属于液滴的边缘点使用最小二乘法进行多项式拟合。为了保证拟合精度，先将所有液滴边缘点坐标在坐标系内顺时针旋转30度，再进行多项式拟合，得到拟合系数；

5)得到拟合系数之后，对所得多项式进行求导计算，就得到了液滴边缘点的斜率。进一步计算该固、液、气三相接触点处斜率的反正切值，并进行“弧度-角度”转换就得到了旋转后的接触角角度值。该角度值加上第4)步的角度旋转值，并减去第3)步所得到的样品夹底板倾斜角度值就得到了最终的接触角。

Claims (7)

1.一种超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，包括密闭腔室、CCD观测系统、进液系统、照明系统和样品夹系统，其特征在于：密闭腔室是由密封罩围成一个密闭空间，一端有玻璃视窗，CCD观测系统置于玻璃视窗外部，实时观测和捕捉图像；进液系统包括螺纹推杆、进样器、连接软管和针头，注射器固定在密闭腔室内，通过旋转螺纹推杆实现注射器推杆的推拉，进而完成液体的挤出与吸入，注射器出口通过连接软管连接针头；照明系统安装在密闭腔室底部，照明系统的光源正上方依次是样品夹和针头，针头的针尖垂直于样品夹；所述的样品夹系统包括角度调节杆旋钮、样品夹、角度调节杆、小齿轮、扇形齿轮和样品夹固定杆，角度调节杆一端固连角度调节杆旋钮，另一端固连小齿轮，小齿轮与扇形齿轮啮合，扇形齿轮的圆心位置固连样品夹固定杆的一端，样品夹固定杆与样品夹固连；转动角度调节杆旋钮转动角度调节杆，带动小齿轮转动，进而带动扇形齿轮转动，扇形齿轮的转动通过样品夹固定杆带动样品夹转动；上述的每组部件由抗磁性材料制作，包括铝、

铜、不锈钢、玻璃、有机玻璃或塑料。

2.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：所述的螺纹推杆旋钮上有刻度。

3.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：所述的密闭腔室的内壁贴有一层反光材料。

4.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：所述的接触角测量装置从超导磁体底部装入超导磁体腔室中，在柱身外侧标有刻度，测量位置为液滴所受合力为零的失重悬浮位置。

5.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：所述的密闭腔室外形呈长圆柱状。

6.一种权利要求1所述装置测量超导磁体模拟微重力环境下接触角的方法，其特征在于包括下述步骤：

（1）利用螺旋推杆的转动控制液体的进样操作；

（2）利用CCD观测系统实时捕捉液滴在前进、静止或后退过程中随时间变化的外观灰度图像；

（3）利用接触角分析方法分析每帧图片中液滴外观轮廓，进行拟合，求出斜率，计算出前进、静止或后退接触角值。

7.根据权利要求6所述测量超导磁体模拟微重力环境下接触角的方法，其特征在于所述的接触角分析方法包括以下步骤：

（a）根据接触角所在图像区域选择图像上的两个点，这两点设定为图像的矩形ROI的左上角点和右下角点，使得固、液、气三相接触点处于该区域的中央；然后将矩形ROI的左上角的第一个像素设定为坐标（0,0），x轴方向向右，y轴方向向上，将所有像素点的整数像素坐标转换为实数坐标系下的坐标值；

（b）对ROI区域使用canny数学算子进行边缘检测，获得相应的二值图像BW；在该图像上边缘点的灰度值等于1，在图像上呈现白色，其它点的灰度值等于0，在图像上呈现黑色；边缘点分别属于样品夹底板和液滴轮廓，底板边缘点位于水平线上，液滴轮廓边缘点呈现为弧线，固、液、气三相接触点为水平线与弧线的交点；

（c）在BW中选择属于样品夹底板边缘上的任意两点b1和b2，获得这两点的坐标；根据这两点的坐标和斜率公式计算出样品夹底板的倾斜角；

（d）先将所有液滴边缘点坐标在坐标系内顺时针旋转30度，对BW中的属于液滴的边缘点使用最小二乘法进行多项式拟合，可得到拟合系数；

（e）得到拟合系数之后，对所得多项式进行求导计算，得到液滴边缘点的斜率；进一步计算该固、液、气三相接触点处斜率的反正切值，并进行弧度-角度转换得到旋转后的接触角角度值；该角度值加上第（d）步旋转的30度，并减去第（c）步所得到的样品夹底板倾斜角度值就得到了最终的接触角。

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