CN104330338A - 一种在超重力环境下测量接触角的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在超重力环境下测量接触角的装置及方法，包括长臂离心机系统、接触角测量系统，长臂离心机系统由转动系统、长臂系统、承重系统组成；接触角测量系统由密闭腔室、进液系统、照明系统、在线观测系统、样品台系统组成。本发明克服了常规接触角测定仪体积庞大、无法在离心超重条件下测量接触角的缺点，取得了在离心超重和常重力条件下准确测量固—液动态接触角的效果。

Description

一种在超重力环境下测量接触角的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量固—液动态接触角的装置和方法。

背景技术

接触角是指液体滴在固体表面上时，在气、液、固三相交界处，气液界面与固液界面形成的夹角。接触角是表征液体对固体表面润湿程度的重要参数，也是接触角法估算固体表面能的重要参数。在生物界，以及超疏水界面、自清洁表面、流体减阻、低粘附等工业生产领域，接触角的研究都扮演着重要角色。

文献“Sessile drop in microgravity:creation,contact angle and interface.Microgravity Science and Technology,2009.21:p.67-76”报道了利用抛物线飞机提供的微重力、常重力、2G超重环境下接触角测量的装置与方法。利用抛物线飞机营造的超重环境测量接触角，超重时间短、机会有限、价格昂贵，而离心机可以在地面提供长时间、稳定、低廉的超重环境，并且可以提供不同的超重环境，更能够方便快捷的测量不同超重环境下的接触角。专利“超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置及其方法,CN 102564905 B,2013.11.06”报道了超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置及其方法，它只适用于超导磁体模拟微重力环境这种特殊环境下的接触角测量，不适用与离心超重环境下接触角的测量。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，目前测量接触角方法主要有量角法、测力法、小液滴球冠法、液饼法、垂片法、透过法、躺滴法等。对于超重环境下接触角的测量而言，测力法需要用调子天平，而电子天平在超重环境下由于自身的应变片或弹簧本身也有重量，会带来测力带来不可避免的误差，故不适用；小液滴球冠法基于液滴很小时液滴形状受重力的影响被忽略呈标准球冠，这种方法未考虑液滴很小时线能量对接触角的影响，另一方面它测量的是排除重力影响的接触角值，而不适用于研究超重环境下接触角值；液饼法测量的是临界接触角值而不是动态接触角的值；垂片法根据液体由于毛细管作用沿待测薄片上升高度计算出接触角值，离心超重环境下由于受到CCD观测系统等条件的限制，此法不适用；透过法是用于测固体粉末的接触角的方法，而不是固体薄片的接触角方法；躺滴法是经典的接触角测量方法，也易于实现，但目前商用的仪器，自动化程度较高、体积庞大、结构复杂，并且只适用于常重力环境下接触角的测量，对于离心超重环境来说，无法应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种在离心超重环境下固—液动、静态接触角测量装置，满足在离心超重环境下测量固—液动态接触角，也可以满足在常重力条件下固—液动态接触角的测量，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：包括长臂离心机系统和接触角测量系统。

所述的长臂离心机系统包括转动系统、长臂系统和承重系统，所述的接触角测量系统包括密闭腔室、进液系统、照明系统、在线观测系统和样品台系统；

所述的转动系统包括变频器、电机、减速机和长臂固定器；交流电由变频器输入电机，电机通过减速机驱动安装在长臂固定器上的长臂系统旋转；

所述的长臂系统在长臂两端分别悬挂密闭腔室和配重，长臂中部通过长臂固定丝杠和长臂固定螺母连接长臂固定器，垂直于长臂的加固定条固定支柱与长臂之间连接若干加固条；

所述的承重系统包括滚珠轴承、承重支架和底座；长臂固定器通过滚珠轴承安装在承重支架上，承重支架安装在底座上；

所述的密闭腔室是一个密闭的塑料盒，一端安装在线观测系统的远心镜头，另一端安装照明系统，盒内安装样品台系统，样品台系统的高度与远心镜头的中心处于同一水平线上；

所述的照明系统是一平行光背光源；

所述的观测系统包括远心镜头、CCD、视频信号发射器、视频信号接收器和电脑；CCD将远心镜头观测到的光学信号转化为电信号，通过视频信号发射器和视频信号接收器传送至电脑进行显示；

所述的样品台系统通过有机玻璃的上底板和下底板固定样品；

所述的进液系统包括液体注射单元、针头、液体注射单元发射器和液体注射单元接收器；液体注射单元中，马达驱动注射器推杆，注射器出口通过软管连接针头，针头进入密闭腔室且垂直固定于样品正上方；液体注射单元接收器接收液体注射单元发射器发射的信号，驱动电机正转或反转；

所述的液体注射单元、液体注射单元接收器、CCD控制器和视频信号发射器都固定在长臂上。

本发明还提供一种在离心超重环境下测量固—液动态接触角的方法，包括以下步骤：

(1)启动离心机，调节变频器旋钮，将离心机的转速调到期望值；

(2)待离心机的转速稳定后，利用液体注射单元信号发射器向液体注射单元接收器发射进液和吸液的信号，实现液滴在固体样品表面上的前进与后退；

(3)利用实时观测系统实时捕捉液滴在前进或后退过程中随时间变化的外观图像；

(4)利用接触角分析软件drop analysis-drop snake软件每帧图片中液滴的前进或后退接触角值。

本发明的有益效果是：本发明为了研究超重环境下的润湿性，设计并构建了用于接触角测量的长臂离心机及接触角测量仪，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、无法在离心超重条件下测量接触角的缺点，取得了在离心超重和常重力条件下准确测量固—液动态接触角的效果。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是本发明的离心机转动系统示意图；

图3是本发明的离心机长臂系统示意图；

图4是本发明的离心机承重系统示意图；

图5是本发明的接触角测量系统示意图；

图6是本发明的观测系统示意图；

图7是本发明的样品台系统示意图；

图8是本发明的液体注射单元示意图。

图中：1—配重，2—长臂，3—液体注射单元接收器，4—视频信号发射器，5—长臂加固条，6—液体注射单元，7—接触角测量单元，8—视频信号接收器，9—液体注射单元发射器，10—电脑，11—变频器，12—底座，13—减速器，14—电机，15—调节螺丝，16—长臂固定器，17—梅花联轴器，18—弹片联轴器，19—挂杆，20—长臂固定器转动轴，21—长臂固定螺母，22—长臂固定丝杠，23—支柱，24—锥形轴承外套，25—锥形轴承底座，26—承重板，27—卡套，28—滚珠轴承，29—卡槽螺母，30—卡槽螺母丝杠，31—承重梁，32—承重支柱，33—注射器，34—螺纹推杆，35—小马达，36—液体注射单元夹具，37—连接软管，38—密闭腔室，39—平行光光源，40—样品台，41—远心镜头，42—铝制底板，43—CCD，44—CCD控制器，45—USB视频卡，46—样品台下底板，47—样品台上底板，48—样品，49—样品台支柱，50—联轴器，51—四角螺母，52—卡扣。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明包括长臂离心机系统、接触角测量系统。长臂离心机系统由转动系统、长臂系统、承重系统组成；而接触角测量系统由密闭腔室、进液系统、照明系统、在线观测系统、样品台系统组成。

所述的长臂离心机转动系统是由变频器、电机、减速机、联轴器、长臂固定器构成的。变频器输入端接交流电，输出端接电机。电机转动轴通过梅花联轴器与减速机的水平方向的轴连接，减速机的竖直方向的轴再通过弹片联轴器与长臂固定器的轴相连，而长臂固定在长臂固定器上。通过调节变频器输出的电流频率调节电机的转速，电机的转速经过减速机减速，减速机减速后的转速就是长臂的转速，也就是此离心机的转速，不同的转速，产生不同的离心力，即不同的超重环境。

所述的长臂系统由铝合金方形管长臂、长臂不锈钢加固条、加固条固定支柱、挂杆组成。铝合金方形管长臂的中间有两个用于固定于与长臂固定器固定用的螺丝孔。不锈钢加固条通过加固条固定支架在竖直方向对铝合金方形管长臂进行了加固，减少了在其转动过程中的抖动。铝合金方形管长臂的两端安装有用丝杠做成的挂杆，用于悬挂接触角测量单元和配重。

承重系统由锥形轴承、承重板、卡套、滚珠轴承、卡槽螺母、卡槽螺母丝杠、承重支架、底座组成。长臂固定器的轴端紧密配合装有锥形轴承的外套，承重板紧密配合装有锥形轴承的底座。长臂固定器外周通过紧密配合连接有一卡套，卡套外周通过紧密配合连接有一滚珠轴承，卡槽螺母和卡槽螺母丝杠将滚珠轴承和承重板固定在承重支架上。

所述的承重支架由四根承重支柱和两根三角钢承重梁组成，两根三角钢承重梁平行通过螺母固定在承重支柱上。承重支柱的通过螺母固定在底座上。

所述的底座是一块钢板，上面有三个调节螺丝，通过紧调节螺丝或者松动调节螺丝，可以实现钢板的水平调节。

所述的接触角测量系统密闭腔室是由塑料盒子做成的一个长方体形状密闭空间，一端装有供观测用的远心镜头，另一端装有照明系统，在镜头与照明系统之间装有样品台系统，样品台系统的高度与镜头的中心处于同一水平线上。在样品台系统正上方是针头，针头垂直于样品台。

所述的照明系统是一平行光背光源，由安装在凸透镜焦点处的LED灯作为发光光源，光线经过凸透镜汇聚后呈平行光。光的强度可以通过与LED电源相连的继电器调节。

所述的在线观测系统是一个远程在线观测系统，由远心镜头、CCD、CCD控制器、视频信号发射器、视频信号接收器、USB视频卡、电脑组成。CCD将远心镜头观测到的光学信号转化为电信号，视频信号通过视频信号发射器远程发射，被视频信号接收器接收，通过USB视频卡从而在电脑上显示出图像，进而实现实时观测。

所述的样品台系统是一个固体样品固定台，底部是四根铜样品台支柱，样品台支柱固定在密闭腔室底部，样品台支柱顶部固定样品台。样品台由样品台上底板和样品台下底板组成，均由有机玻璃制成：样品台上底板由两块带有凹槽，用以卡样品，并可以随时拆下，起到夹紧和卡样品的双重作用；样品台下底板起到支撑样品的作用。在安装样品时，先将样品台上底板拆下，将样品卡住，然后放在样品台下底板的固定位置上，再用螺丝将样品台上底板和样品台下底板固定。

所述的进液系统由液体注射单元、连接软管、针头、液体注射单元发射器、液体注射单元接收器组成。液体注射单元由液体注射单元夹具、小马达、联轴器、螺纹推杆、卡扣、进样器(注射器)组成。小马达、联轴器、螺纹推杆、注射器、卡扣，都被安装在一个由有机玻璃制成的液体注射单元夹具之中。液体注射单元接收器输出端接小马达，小马达与螺纹推杆通过联轴器固连，螺纹推杆与注射器推杆通过卡扣连接，注射器出口接连接软管，连接软管连接针头。液体注射单元发射器发射信号，液体注射单元接收器接收到信号后，启动电机顺时针或逆时针旋转，进而带动与电机固连的螺纹推杆顺时针或逆时针旋转，从而使注射器推杆推进或后退，最终实现液体从针头的挤出或吸入。

所述的液体注射单元、液体注射单元接收器、CCD控制器、视频信号发射器都固定在长臂上。

所述的密闭腔室固定在一块铝制底板上，铝制底板两端装有吊钩，通过吊钩将接触角测量单元挂在长臂一端的挂杆上。长臂的另一端挂杆上挂有重量与接触角测量单元相等铝合金制的配重，实现离心旋转时长臂的平衡。

所述的接触角测量单元是指密闭腔室、铝制底板、吊钩、样品台系统、远心镜头、CCD、平行光光源、连接软管、针头组装成的一个整体。

图1为本发明在离心超重环境下接触角测量装置整体外观图，包括：配重1，长臂2，液体注射单元接收器3，视频信号发射器4，长臂加固条5，液体注射单元6，接触角测量单元7，视频信号接收器8，液体注射单元发射器9，电脑10，变频器11，1底座12，减速器13，电机14，调节螺丝15。

离心机的长臂2长6000mm，即离心机的旋转半径为3000mm。接触角测量单元7悬挂在长臂的一端，另一端悬挂有重量与接触角测量单元相同的配重1，这保持了离心机在离心旋转过程中保持平衡。电机14，减速机13都固定在底座12上，调节三个螺丝15调节可以调节底座12保持水平。

调节变频器11的旋钮，可以调控电机14的转速，电机14的转速经过减速机13的减速后就是长臂2的转速，即离心机的转速。变频器11有数字显示器，接触角实验开始前，先确定离心机转速与变频器示数之间的关系，然后通过变频器11示数的精确控制调控离心机的转速，而转速与重力之间有固定的关系，故，通过调控变频器11的示数就可以相应地调控离心重力水平。

本装置的液体注射单元发射器9可以发射液体注射的信号，液体注射单元接收器3接收到信号后启动液体注射单元6向接触角测量单元7注射或回吸液体。视频信号发射器4会将从接触角测量单元7接收到的视频信号发射出去，在远处的视频信号接收器8会将视频信号发射器4发射过来的视频信号接收，并在电脑10上显示，实现接触角测量单元7中液滴前进或后退的在线观测。

见图2本发明离心机的转动系统，主要包括变频器11，电机14，梅花联轴器17，减速机13，弹片联轴器18，长臂固定器16。

通过调节变频器11的示数，可以精确调节电机14的转速，电机14的转动轴的转动通过梅花联轴器17带动减速机13水平方向轴的转动，减速机13水平方向轴的转动会带动减速机13竖直方向轴的转动，减速机竖直方向轴的转动会通过弹片联轴器18带动长臂固定器16的转动。从而实现通过调节变频器11调控离心机转速的过程。

见图3离心机长臂系统，主要包括配重1，长臂2，长臂加固条5，接触角测量单元7，长臂固定器16，挂杆19，长臂固定器转动轴20，长臂固定螺母21，长臂固定丝杠22，支柱23。

长臂固定丝杠22和长臂固定螺母21将长臂2和长臂固定器16固定并连为一体。接触角测量单元7和配重1都挂在长臂上的挂杆19上。长臂加固条5通过支柱23将长臂进行加固，减少长臂的挠度。长臂固定器转动轴20通过图2中的弹片联轴器18与图2中的减速机13竖直方向的轴固连。

见图4离心机承重系统，主要包括锥形轴承(锥形轴承外套24，锥形轴承底座25)，承重板26，卡套27，滚珠轴承28，卡槽螺母29，卡槽螺母丝杠30，承重梁31，承重支柱32。

锥形轴承外套24通过过盈配合的方式镶嵌在长臂固定器16之中，锥形轴承的底座25通过过盈配合的方式套在承重板26上，然后将长臂固定器套在底座上，也即是使锥形轴承外套24套在锥形轴承底座25上，这就实现了长臂2及长臂固定器16重量向承重板的转移。卡套27通过过盈配合的方式套在长臂固定器16上，滚珠轴承28通过过盈配合的方式套在卡套27上，用4个卡槽螺母29将滚珠轴承28的四角卡住，然后用卡槽螺母丝杠30将其固定在由承重梁31和承重支柱32做成的支架上。

见图5接触角测量系统，主要包括液体注射单元接收器3，液体注射单元发射器9，注射器33，螺纹推杆34，小马达35，液体注射单元夹具36，连接软管37，密闭腔室38，平行光光源39，样品台40，远心镜头41，铝制底板42，CCD43。

液体注射单元接收器3的输出端与小马达35相连，接收到有液体注射单元发射器9发射的信号后，会启动小马达35的顺时针或逆时针旋转，小马达35与螺纹推杆34固连，螺纹推杆也会随小马达35一起旋转，从而推动注射器33的推杆，将液体从注射器33挤出到连接软管37，进入密闭腔室38(密闭腔室38固定在铝制底板42上)，通过针头注射到放在样品台40上的样品上。平行光光源39发出平行光，照在样品及样品上的液滴上，远心镜头41将固液接触的画面捕捉，传入CCD43。

见图6观测系统，主要包括远心镜头41，CCD43，CCD控制器44，视频信号发射器4，视频信号接收器8，USB视频卡45，电脑10。

本发明的观测系统是实时远程在线观测系统，远心镜头41观测固液接触过程，图像信号通过CCD43传至视频信号发射器4，视频信号发射器4发射图像信号，视频信号接收器8接收后经过USB视频卡传至电脑10显示，从而实现固液接触过程的实时在线观测。

见图7样品台系统，主要包括样品台下底板46，样品台上底板47，样品48，样品台支柱49。

样品台支柱49将样品台固定在密闭腔室38的底部，并将样品台下底板46和样品台上底板47支撑起来，样品48卡在样品台上底板47的卡槽内夹到样品台下底板46上。

见图8液体注射单元，主要包括注射器33，螺纹推杆34，小马达35，液体注射单元夹具36，连接软管37，联轴器50，四角螺母51，卡扣52。

由于小马达35与螺纹推杆34通过联轴器50固连，小马达35顺时针旋转会带动螺纹推杆35顺时针旋转。另外，固定的四角螺母51套在螺纹推杆35上，螺纹推杆35的顺时针旋转这会使它自己缓慢向前移动，通过卡扣52推动注射器推杆，液体从注射器33进入连接软管37，进而从针头被挤出。小马达35逆时针旋转，拉动注射器推杆与注射器33发生相对位移，从而实现液体回吸的过程。

方法实施例1：

(1)离心超重2G环境下三蒸水在硅晶片上前进、后退接触角的测量。

第一步：将接触角测量单元7挂在长臂2的挂杆19上，长臂2另一端的挂杆19上挂上配重1。

第二步：将三蒸水吸入注射器33，排除气泡后与连接软管37连接，装入液体注射单元夹具36的卡槽中。打开密闭腔室38，将事先准备好的硅晶片卡在样品台上底板47的卡槽中一起放在样品台下底板46上，四角用螺丝固定，盖上密闭腔室的盖子，打开平行光光源39。

第三步：打开变频器11电源，调节调节旋钮至变频器17示数为17.70，此时离心机旋转的24rpm，离心重力加速度为2G。

第四步：从变频器17示数调为17.70时记时，1分钟后认为离心机转速恒定，此时，启动观测系统开始捕捉图像。每隔1秒捕捉1张。用液体注射单元发射器9向液体注射单元6发射进液指令，液体注射单元接收器3接收到指令后，启动小马达35顺时针旋转，将液滴缓慢挤出，直至视频视野中液滴长大到合适大小，然后用液体注射单元发射器9向液体注射单元接收器3发射回吸液体指令，液体注射单元6中的小马达35逆时针旋转，将液体缓慢回吸，直至将硅晶片上的三蒸水被吸干。液滴在硅晶片上不断增大的过程中形成了前进角，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。

第五步：接触角的分析。利用接触角分析软件drop analysis-drop snake软件分析从第四步捕捉到的图片中液滴的前进和后退接触角值。

(2)对照试验：常重力条件下三蒸水在硅晶片上前进、后退接触角的测量。

第一步：将接触角测量单元7挂在长臂2的挂杆19上，长臂2另一端的挂杆19上挂上配重1。

第二步：将三蒸水吸入注射器33，排除气泡后与连接软管37连接，装入液体注射单元夹具36的卡槽中。打开密闭腔室38，将事先准备好的硅晶片卡在样品台上底板47的卡槽中一起放在样品台下底板46上，四角用螺丝固定，盖上密闭腔室的盖子，打开平行光光源39。

第三步：启动观测系统开始捕捉图像。每隔1秒捕捉1张。用液体注射单元发射器9向液体注射单元6发射进液指令，液体注射单元接收器3接收到指令后，启动小马达35顺时针旋转，将液滴缓慢挤出，直至视频视野中液滴长大到合适大小，然后用液体注射单元发射器9向液体注射单元接收器3发射回吸液体指令，液体注射单元6中的小马达35逆时针旋转，将液体缓慢回吸，直至将硅晶片上的三蒸水被吸干。液滴在硅晶片上不断增大的过程中形成了前进角，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。利用接触角分析软件drop analysis-drop snake软件分析从第四步捕捉到的图片中液滴的前进和后退接触角值。

方法实施例2：

(1)离心超重5G环境下三蒸水在FEP上前进、后退接触角的测量。

第一步：将接触角测量单元7挂在长臂2的挂杆19上，长臂2另一端的挂杆19上挂上配重1。

第二步：将三蒸水吸入注射器33，排除气泡后与连接软管37连接，装入液体注射单元夹具36的卡槽中。打开密闭腔室38，将事先准备好的FEP片卡在样品台上底板47的卡槽中一起放在样品台下底板46上，四角用螺丝固定，盖上密闭腔室的盖子，打开平行光光源39。

第三步：打开变频器11电源，调节调节旋钮至变频器17示数为29.40，此时离心机旋转的38.6rpm，离心重力加速度为5G。

第四步：从变频器17示数调为39.4时记时，1分钟后认为离心机转速恒定，此时，启动观测系统开始捕捉图像。每隔1秒捕捉1张。用液体注射单元发射器9向液体注射单元6发射进液指令，液体注射单元接收器3接收到指令后，启动小马达35顺时针旋转，将液滴缓慢挤出，直至视频视野中液滴长大到合适大小，然后用液体注射单元发射器9向液体注射单元接收器3发射回吸液体指令，液体注射单元6中的小马达35逆时针旋转，将液体缓慢回吸，直至将FEP片上的三蒸水被吸干。液滴在FEP片上不断增大的过程中形成了前进角，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。

第五步：接触角的分析。利用接触角分析软件drop analysis-drop snake软件分析从第四步捕捉到的图片中液滴的前进和后退接触角值。

(2)对照试验：常重力条件下三蒸水在FEP片上前进、后退接触角的测量。

第一步：将接触角测量单元7挂在长臂2的挂杆19上，长臂2另一端的挂杆19上挂上配重1。

第二步：将三蒸水吸入注射器33，排除气泡后与连接软管37连接，装入液体注射单元夹具36的卡槽中。打开密闭腔室38，将事先准备好的硅晶片卡在样品台上底板47的卡槽中一起放在样品台下底板46上，四角用螺丝固定，盖上密闭腔室的盖子，打开平行光光源39。

第三步：启动观测系统开始捕捉图像。每隔1秒捕捉1张。用液体注射单元发射器9向液体注射单元6发射进液指令，液体注射单元接收器3接收到指令后，启动小马达35顺时针旋转，将液滴缓慢挤出，直至视频视野中液滴长大到合适大小，然后用液体注射单元发射器9向液体注射单元接收器3发射回吸液体指令，液体注射单元6中的小马达35逆时针旋转，将液体缓慢回吸，直至将FEP片上的三蒸水被吸干。液滴在FEP片上不断增大的过程中形成了前进角，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。利用接触角分析软件drop analysis-drop snake软件分析从第四步捕捉到的图片中液滴的前进和后退接触角值。

Claims (2)

1.一种在超重力环境下测量接触角的装置，包括长臂离心机系统和接触角测量系统，其特征在于：所述的长臂离心机系统包括转动系统、长臂系统和承重系统，所述的接触角测量系统包括密闭腔室、进液系统、照明系统、在线观测系统和样品台系统；所述的转动系统包括变频器、电机、减速机和长臂固定器；交流电由变频器输入电机，电机通过减速机驱动安装在长臂固定器上的长臂系统旋转；所述的长臂系统在长臂两端分别悬挂密闭腔室和配重，长臂中部通过长臂固定丝杠和长臂固定螺母连接长臂固定器，垂直于长臂的加固定条固定支柱与长臂之间连接若干加固条；所述的承重系统包括滚珠轴承、承重支架和底座；长臂固定器通过滚珠轴承安装在承重支架上，承重支架安装在底座上；所述的密闭腔室是一个密闭的塑料盒，一端安装在线观测系统的远心镜头，另一端安装照明系统，盒内安装样品台系统，样品台系统的高度与远心镜头的中心处于同一水平线上；所述的照明系统是一平行光背光源；所述的观测系统包括远心镜头、CCD、视频信号发射器、视频信号接收器和电脑；CCD将远心镜头观测到的光学信号转化为电信号，通过视频信号发射器和视频信号接收器传送至电脑进行显示；所述的样品台系统通过有机玻璃的上底板和下底板固定样品；所述的进液系统包括液体注射单元、针头、液体注射单元发射器和液体注射单元接收器；液体注射单元中，马达驱动注射器推杆，注射器出口通过软管连接针头，针头进入密闭腔室且垂直固定于样品正上方；液体注射单元接收器接收液体注射单元发射器发射的信号，驱动电机正转或反转；所述的液体注射单元、液体注射单元接收器、CCD控制器和视频信号发射器都固定在长臂上。

2.一种利用权利要求1所述装置的超重力环境下测量接触角的方法，其特征在于包括下述步骤：(1)启动离心机，调节变频器旋钮，将离心机的转速调到期望值；(2)待离心机的转速稳定后，利用液体注射单元信号发射器向液体注射单元接收器发射进液和吸液的信号，实现液滴在固体样品表面上的前进与后退；(3)利用实时观测系统实时捕捉液滴在前进或后退过程中随时间变化的外观图像；(4)利用接触角分析软件drop analysis-drop snake软件每帧图片中液滴的前进或后退接触角值。