CN103163069B - 一种固体材料表面粘附力测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体材料表面粘附力测量方法及系统，利用固体材料表面与微颗粒粘附作用力的平衡原理，采用图像分析软件获得标准微颗粒粒径，进而获得固体材料表面粘附力大小，该系统包括测试水平支架（4）、螺杆Ⅰ（2）、螺杆Ⅱ（3）、水平底座（9）、颗粒容器（10）、摄像头Ⅰ（7）、摄像头Ⅱ（8）、温度传感器（11）、湿度传感器（12）、气压传感器（13）、计算机（14）及图像采集与分析单元（15），结构简单、成本低、具有操作容易、可靠性好等优点，能够满足固体材料表面粘附力大小的测量要求。

Description

一种固体材料表面粘附力测量方法及系统

技术领域

本发明属于力学测试仪器领域，特别涉及一种固体材料表面粘附力测量方法及系统。

背景技术

空气中微颗粒无处不在，充斥于人类活动的各种空间，微颗粒常常悬浮于空气中，并会粘附于各种物体表面，不同物体表面的结构、化学成份、物理特性各异，如何有效测量不同材料表面对微颗粒的粘附能力的大小，一直没有专门的检测仪器和规范程序。

目前，获得物体间粘附力数值往往是通过探针原子力显微镜(AFM)、离心力测量类仪器得到。众所周知，探针原子力显微镜购置、使用成本高，操作技术难度大，专业性强，测量对象的选择具有局限性，往往需要根据不同测试目的、测试对象进行局部结构调整来实现，作为精密仪器传感器灵敏、操作复杂易在使用过程中发生损坏。而对目前力学类测量仪器来说，由于微颗粒与固体表面的粘附力很微弱，通常采用微、纳米力学来衡量粘附力大小，因此对于普通力学测量仪器来说存在测量精度差、操作困难等问题，需要针对性的开发出一种简单易用、使用成本低、可靠性较好的测量方法与测试系统。

发明内容

本发明提供一种固体材料表面粘附力测量方法及系统，其目的在于克服现有技术中的不足，简单且准确的测量固体材料表面粘附力。

本发明采用如下技术方案：

一种固体材料表面粘附力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设置一个用于固定待测固体材料的测试水平支架(4)和一个颗粒容器(10),并将测试水平支架(4)和颗粒容器(10)调整为水平状态；

步骤2：将待测固体材料固定于测试水平支架(4)下表面；

步骤3：选取直径不同的测试用标准微颗粒置于颗粒容器(10)，其中，标准微颗粒粒径范围是0.1～100μm，密度范围是1.0～10×10³kg/m³；

步骤4：调节测试水平支架(4)使待测固体材料表面与颗粒容器中的标准微颗粒发生直接接触后，向上平移测试水平支架直至与颗粒容器中的标准微颗粒分离开，观测待测固体材料表面所能粘附的最大标准微颗粒粒径；

步骤5：选取粒径与步骤4中得到的最大标准颗粒粒径相差在10μm内的各种标准微颗粒，替代步骤3中的标准微颗粒，装入颗粒容器中，重复步骤4，直至待测固体材料表面不能粘附更大粒径的标准微颗粒时，得到待测固体材料表面所能粘附的最大标准微颗粒粒径d；

步骤6：计算待测固体材料表面粘附力F：

$F=\frac{\mathrm{\π}{d}^3}{6}({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_0)g$

其中，ρ₀为空气实际密度，ρ₁为标准微颗粒密度，d为标准微颗粒粒径，g为重力加速度。

所述标准颗粒粒径是利用摄像头拍摄粘附了标准微颗粒的待测固体材料表面，对采集的图像利用现有技术中的图像分析软件进行分析与计算得到。

所述摄像头为100～300万像素的彩色摄像头。

所述图像分析软件为北京泰克仪器的显微电脑图像分析系统、上海中恒仪器的201A-M显微图像分析系统，或北京嘉恒中自的OK_IPAS通用图像处理分析系统中的一种。

一种基于上述方法的固体材料表面粘附力测量系统，包括测试水平支架(4)、螺杆Ⅰ(2)、螺杆Ⅱ(3)、水平底座(9)、颗粒容器(10)、摄像头Ⅰ(7)、摄像头Ⅱ(8)、温度传感器(11)、湿度传感器(12)、气压传感器(13)、计算机(14)及图像采集与分析单元(15)；

螺杆Ⅰ(2)竖直固定于水平底座(9)上，测试水平支架(4)吊装在螺杆Ⅱ(3)上，调节螺杆Ⅱ(3)带动测试水平支架(4)沿水平方向移动；螺杆Ⅱ(3)安装在螺杆Ⅰ(2)上，调节螺杆Ⅰ(2)使得螺杆Ⅱ(3)带动测试水平支架(4)沿竖直方向平移；

颗粒容器(10)设置于水平底座(9)上，位于测试水平支架下方；摄像头Ⅰ(7)水平设置于水平底座(9)上，位于颗粒容器的一侧，摄像头Ⅱ(8)竖直设置于水平底座(9)上，位于颗粒容器的另一侧；

摄像头Ⅰ(7)用于实时观测待测固体材料与标准微颗粒的接触情况，摄像头Ⅱ(8)用于采集待测固体表面粘附了标准微颗粒的图片；

摄像头Ⅰ(7)、摄像头Ⅱ(8)、温度传感器(11)、湿度传感器(12)、气压传感器(13)及摄像头图像采集与分析单元(15)均与计算机(14)相连。

该系统包括可调支架Ⅰ(18)，至少包含两个，均匀设置在水平底座(9)的底部，所述水平底座(9)上设有水准仪Ⅰ(16)。

该系统包括可调支架Ⅱ(19)，至少包含两个，设置于水平底座(9)上，均匀分布于颗粒容器(10)的下方，所述颗粒容器底端设有水准仪Ⅱ(17)。

所述的测试水平支架(4)上设有水准仪Ⅲ(20)。

该系统包括封闭式操作柜，温度传感器(11)、湿度传感器(12)及气压传感器(13)安装于封闭式操作柜壁上，螺杆Ⅰ(2)、螺杆Ⅱ(3)、水平底座(9)、颗粒容器(10)、摄像头Ⅰ(7)、摄像头Ⅱ(8)、水平底座(9)、水准仪Ⅰ(16)、水准仪Ⅱ(17)、水准仪Ⅲ(20)、可调支架Ⅰ(18)及可调支架Ⅱ(19)均位于封闭式操作柜中；

所述封闭式操作柜采用透明玻璃制成。

所述空气实际密度采用经验公式进行计算：

${\mathrm{\ρ}}_0=3.45\frac{P}{T}$

式中：P为空气压力，从气压传感器获得，单位为KPa，T为空气绝对温度，从温度传感器获得，单位为K。

本方案中所述螺杆为精密螺杆，采用研磨级滚珠丝杆与精密直线导轨配合，滚珠丝杆精度应达到C3级以上，通过手动调节滚珠丝杆转动，带动滑动块在直线导轨上进行平稳、缓慢移动。

有益效果

本发明提供了一种固体材料表面粘附力测量方法及系统，利用固体材料表面与微颗粒粘附作用力的平衡原理，采用显微图像分析软件获得相关测试参数，进而获得固体材料表面粘附力大小，该系统结构简单、成本低、具有操作容易、可靠性好等优点，能够满足固体材料表面粘附力大小的测量要求。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的测量方法原理示意图；

图3为本发明的水平底座俯视示意图；

图4为本发明的测试水平支架结构示意图，其中，图(a)为测试水平支架主视图，图(b)为测试水平支架上水准仪部分的俯视图；

图5为本发明的封闭式操作柜示意图；

图6为螺杆的结构设计示意图；

图7为螺杆Ⅰ的结构示意图；

图8为螺杆Ⅱ的结构示意图；

标号说明：1－封闭式操作柜，2－螺杆Ⅰ，3－螺杆Ⅱ，4－测试水平支架，5－待测试固体材料，6－标准微颗粒，7－摄像头Ⅰ，8－摄像头Ⅱ，9－水平底座，10－颗粒容器，11－温度传感器，12－湿度传感器，13－气压传感器，14－计算机，15－图像采集与分析单元，16－水准仪Ⅰ，17－水准仪Ⅱ，18－可调支架Ⅰ，19－可调支架Ⅱ，20－水准仪Ⅲ，21－可调固定端，22－固定或粘合剂，23－开启门，24－传感器接口，25－电缆口，26－固定端Ⅰ，27－滑动块Ⅰ，28－滚珠丝杆Ⅰ，29－直线导轨Ⅰ，30－滑动块Ⅱ，31－直线导轨Ⅱ，32－固定端Ⅱ，33－滚珠丝杆Ⅱ。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

如图1、图3和图4所示，一种固体材料表面粘附力测量系统，包括测试水平支架4、螺杆Ⅰ2、螺杆Ⅱ3、水平底座9、颗粒容器10、摄像头Ⅰ7、摄像头Ⅱ8、温度传感器11、湿度传感器12、气压传感器13、计算机14及摄像头图像采集与分析单元15；

螺杆Ⅰ2竖直固定于水平底座9上，测试水平支架4吊装在螺杆Ⅱ3上，调节螺杆Ⅱ3带动测试水平支架4沿水平方向移动；螺杆Ⅱ3安装在螺杆Ⅰ2，调节螺杆Ⅰ2使得螺杆Ⅱ3带动测试水平支架4沿竖直方向平移；

颗粒容器10设置于水平底座9上，位于测试水平支架下方；摄像头Ⅰ7水平设置于水平底座9上，位于颗粒容器的一侧，摄像头Ⅱ8竖直设置于水平底座9上，位于颗粒容器的另一侧；

摄像头Ⅰ7用于实时观测待测固体材料与标准微颗粒的接触情况，摄像头Ⅱ8用于采集待测固体表面粘附了标准微颗粒的图片；

摄像头Ⅰ7、摄像头Ⅱ8、温度传感器11、湿度传感器12、气压传感器13及摄像头图像采集与分析单元15均与计算机14相连。

本方案中所述螺杆为精密螺杆，采用研磨级滚珠丝杆与精密直线导轨配合，滚珠丝杆精度应达到C3级以上，通过手动调节滚珠丝杆转动，带动滑动块在直线导轨上进行平稳、缓慢移动，螺杆结构示意图如图6、图7及图8所示。

如图5所示为封闭式操作柜1，温度传感器11、湿度传感器12及气压传感器13安装于封闭式操作柜壁上，螺杆Ⅰ2、螺杆Ⅱ3、水平底座9、颗粒容器10、摄像头Ⅰ7、摄像头Ⅱ8、水平底座9、水准仪Ⅰ16、水准仪Ⅱ17、水准仪Ⅲ20、可调支架Ⅰ18及可调支架Ⅱ(19)均位于封闭式操作柜中。

水平底座9、测试支架4及颗粒容器10上分别均设有水准仪Ⅰ16、水准仪Ⅱ17、水准仪Ⅲ20，通过这三个水准仪形成三个水平面；

所述摄像头为北京嘉恒中自的OK_SC3010摄像头，所述图像分析单元选用北京泰克仪器的显微电脑图像分析系统。

所述封闭式操作柜1由透明玻璃制成，其形状为长方体或正方体，长度L为40～80cm，宽度W为30～60cm，高度H为40～60cm，在右侧壁或后侧壁设置传感器、电缆及数据线端口。

如图2所示，为本发明的本发明的测量方法原理示意图，通过水平支架4将待测固体材料固定于水平支架下表面，通过观测待测固体材料表面所能粘附最大质量微颗粒，实现在空气中形成力的平衡，从而根据公式(1)计算出固体表面最大粘附力数值。

$F=G-f=\mathrm{mg}-{\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{Vg}=\frac{\mathrm{\π}{d}^3}{6}({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_0)g---\left(1\right)$

其中：ρ₀为空气实际密度，ρ₁为标准微颗粒密度，d为标准微颗粒粒径，g为重力加速度。

一种固体材料表面粘附力测量方法，采用图1所示的系统，包括以下步骤：

步骤1：设置一个用于固定待测固体材料的测试水平支架4和一个颗粒容器10；调节可调支架Ⅰ18将水平底座9的水准仪Ⅰ16调制水平状态；将测试水平支架4固定于螺杆Ⅱ3上，通过可调固定端21调整至水准仪Ⅲ20处于水平状态；盖上封闭式操作柜1，启动计算机预热，打开图像采集与分析单元15；

步骤2：将待测固体材料固定于测试水平支架4下表面，待测固体材料为普通载玻片：长7.6cm×宽2.7cm；；

步骤3：选用均质石英石(SiO₂)材料制备标准微颗粒，通过筛分确定标准微颗粒粒径，粒径范围5～50μm，密度ρ₁＝2.65×10³kg/m³；

将各种粒径的标准微颗粒置于颗粒容器10内，通过可调支架Ⅱ19调整至水准仪Ⅱ17处于水平状态；

步骤4：通过综合调整螺杆Ⅰ2和螺杆Ⅱ3，使测试水平支架缓慢移动到颗粒容器10正上方，平稳、缓慢的调节螺杆Ⅰ2，同时通过摄像头Ⅰ7和计算机14的显示器进行观测，直至测试样品5与颗粒容器10内测试微颗粒表面发生直接接触为止，然后平稳、缓慢调节螺杆Ⅰ2使固定于测试水平支架4上的测试样品离开颗粒容器10；

步骤5：选取粒径与步骤4中得到的最大标准颗粒粒径相差在10μm内的各种标准微颗粒，替代步骤3中的标准微颗粒，装入颗粒容器中，重复步骤4，直至待测固体材料表面不能有效粘附更大粒径的标准微颗粒时，得到待测固体材料(载玻片)表面所能粘附的最大标准微颗粒粒径d，然后进入步骤6；

步骤6：平稳、缓慢调节螺杆Ⅱ3使测试水平支架位于摄像头Ⅱ8正上方，通过螺杆Ⅱ3和摄像头Ⅱ8配合调节，直至图像采集与分析单元15获得清晰的微颗粒与待测固体材料表面粘附图像；通过图像采集与分析单元15获得分析图像，通过图像分析单元确定粘附的最大粒径标准微颗粒；

通过温度传感器11、湿度传感器12及气压传感器13采集的数据计算出测试环境中空气的空气实际密度ρ₀，根据测试地点的经纬度查询当地重力加速度g值，最后按照公式(1)计算测试样品粘附力F＝2.95×10^-10N；

其中，空气实际密度ρ₀可以根据道尔顿定律推导公式进行计算，也可以根据经验公式进行计算：

1)道尔顿定律推导公式：

${\mathrm{\ρ}}_0=3.48\frac{P}{T}(1-0.378\frac{\mathrm{\ψ}{P}_b}{P})$

式中：P为空气压力，从气压传感器获得，单位为KPa，T为空气绝对温度，从温度传感器获得，单位为K，ψ为空气相对湿度，从湿度传感器获得，单位为％，P_b为饱和水蒸气压力，单位为KPa，从表1中获得。

表1不同温度下饱和水蒸汽压力

2)一般条件下，通常采用以下经验公式进行计算：

${\mathrm{\ρ}}_0=3.45\frac{P}{T}$

式中：P为空气压力，从气压传感器获得，单位为KPa，T为空气绝对温度，从温度传感器获得，单位为K。

Claims (9)

1.一种固体材料表面粘附力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设置一个用于固定待测固体材料的测试水平支架(4)和一个颗粒容器(10)，并将测试水平支架(4)和颗粒容器(10)调整为水平状态；

步骤2：将待测固体材料固定于测试水平支架(4)下表面；

步骤3：选取直径不同的测试用标准微颗粒置于颗粒容器(10)，其中，标准微颗粒粒径范围是0.1～100μm，密度范围是1.0～10×10³kg/m³；

步骤4：调节测试水平支架(4)使待测固体材料表面与颗粒容器中的标准微颗粒发生直接接触后，向上平移测试水平支架直至与颗粒容器中的标准微颗粒分离开，观测待测固体材料表面所能粘附的最大标准微颗粒粒径；

步骤5：选取粒径与步骤4中得到的最大标准颗粒粒径相差在10μm内的各种标准微颗粒，替代步骤3中的标准微颗粒，装入颗粒容器中，重复步骤4，直至待测固体材料表面不能粘附更大粒径的标准微颗粒时，得到待测固体材料表面所能粘附的最大标准微颗粒粒径d；

步骤6：计算待测固体材料表面粘附力F：

$F=\frac{\mathrm{\π}{d}^3}{6}({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_0)g$

其中，ρ₀为空气实际密度，ρ₁为标准微颗粒密度，d为标准微颗粒粒径，g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的固体材料表面粘附力测量方法，其特征在于，所述标准颗粒粒径是利用摄像头拍摄粘附了标准微颗粒的待测固体材料表面，对采集的图像利用现有技术中的图像分析软件进行分析与计算得到。

3.根据权利要求2所述的固体材料表面粘附力测量方法，其特征在于，所述摄像头为100～300万像素的彩色摄像头。

4.根据权利要求3所述的固体材料表面粘附力测量方法，其特征在于，所述图像分析软件为北京泰克仪器的显微电脑图像分析系统、上海中恒仪器的201A-M显微图像分析系统，或北京嘉恒中自的OK_IPAS通用图像处理分析系统中的一种。

5.一种基于权利要求3或4所述方法的固体材料表面粘附力测量系统，其特征在于，包括测试水平支架(4)、螺杆Ⅰ(2)、螺杆Ⅱ(3)、水平底座(9)、颗粒容器(10)、摄像头Ⅰ(7)、摄像头Ⅱ(8)、温度传感器(11)、湿度传感器(12)、气压传感器(13)、计算机(14)及图像采集与分析单元(15)；

螺杆Ⅰ(2)竖直固定于水平底座(9)上，测试水平支架(4)吊装在螺杆Ⅱ(3)上，调节螺杆Ⅱ(3)带动测试水平支架(4)沿水平方向移动；螺杆Ⅱ(3)安装在螺杆Ⅰ(2)上，调节螺杆Ⅰ(2)使得螺杆Ⅱ(3)带动测试水平支架(4)沿竖直方向平移；

颗粒容器(10)设置于水平底座(9)上，位于测试水平支架下方；摄像头Ⅰ(7)水平设置于水平底座(9)上，位于颗粒容器的一侧，摄像头Ⅱ(8)竖直设置于水平底座(9)上，位于颗粒容器的另一侧；

摄像头Ⅰ(7)用于实时观测待测固体材料与标准微颗粒的接触情况，摄像头Ⅱ(8)用于采集待测固体表面粘附了标准微颗粒的图片；

摄像头Ⅰ(7)、摄像头Ⅱ(8)、温度传感器(11)、湿度传感器(12)、气压传感器(13)及摄像头图像采集与分析单元(15)均与计算机(14)相连。

6.根据权利要求5所述的固体材料表面粘附力测量系统，其特征在于，至少包含两个可调支架Ⅰ(18)，均匀设置在水平底座(9)的底部，所述水平底座(9)上设有水准仪Ⅰ(16)。

7.根据权利要求5所述的固体材料表面粘附力测量系统，其特征在于，至少包含两个可调支架Ⅱ(19)，设置于水平底座(9)上，均匀分布于颗粒容器(10)的下方，所述颗粒容器底端设有水准仪Ⅱ(17)。

8.根据权利要求5所述的固体材料表面粘附力测量系统，其特征在于，所述的测试水平支架(4)上设有水准仪Ⅲ(20)。

9.根据权利要求6-8任一项所述的固体材料表面粘附力测量系统，其特征在于，包括封闭式操作柜，温度传感器(11)、湿度传感器(12)及气压传感器(13)安装于封闭式操作柜壁上，螺杆Ⅰ(2)、螺杆Ⅱ(3)、水平底座(9)、颗粒容器(10)、摄像头Ⅰ(7)、摄像头Ⅱ(8)、水平底座(9)、水准仪Ⅰ(16)、水准仪Ⅱ(17)、水准仪Ⅲ(20)、可调支架Ⅰ(18)及可调支架Ⅱ(19)均位于封闭式操作柜中；

所述封闭式操作柜采用透明玻璃制成。