CN104697901A - 一种测试本征接触角的装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试本征接触角的装置和测试方法，采用真实液滴法或图像拟合法拟合Young-Laplace方程的测试动态接触角，并进而利用Wenzel-Cassie-Baster模拟推导出本征接触角计算公式，并提供一种适用于本征接触角测试的装置，该装置由一个蜗轮蜗杆结构的旋转机构控制的镜头与样品台一起旋转的组合体、可XYZ以及水平调整的样品台组合体、样品夹具、注射泵及其XYZ控制机构组合体、带远心镜头的摄像机和平行光源组成，通过拍摄液滴的轮廓图像后，采用拟合Young-Laplace方程测试得到接触角值，该装置和测试方法可以分析材料化学各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后情况下的本征接触角值，在新材料、仿生材料等研究等领域具有极广的推广价值。

Description

一种测试本征接触角的装置和测试方法

技术领域

本专利公布一种采用真实液滴法或图像拟合法拟合Young-Laplace方程测试动态接触角，提供一种利用Wenzel-Cassie-Baster模拟推导出来的本征接触角计算公式，来测试固-液本征接触角的测试方法和一种适用于本征接触角测试的装置，属于界面化学分析技术领域。 

背景技术

液-液界面张力、液-气表面张力以及固-液接触角值等基本指标是表征物质物理化学性质的基本参数，接触角是指在固体水平平面上滴上一小滴液滴，固体表面上的固－液－气三相交界点处，其气-液界面和固-液界面两切线把液相夹在其中时所形成的角度，见附图1。接触角测试是分析固-液界面物理化学性质的最主要手段，由于材料化学各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后，目前文献以及相关研究中通常使用的停滴和称重法浸湿天平技术，均只能测试固-液的表观接触角值，无法准确表征其真实的接触角情况，我们称之为本征接触角值。 

在本征接触角的测试过程中，通常会采用一种将固体样品倾斜，测试倾斜时受重力影响条件下的动态接触角值，而完成此类测试的机构主要分为两类：其一，采用将样品台垂直转动，镜头（连接有相机）不转动的方式；这种方法要求所滴水滴必须保持在转动轴的中心位置，否则液滴很容易移动，且在软件算法上，必须通过坐标转换完成计算，软件计算时间较长；其二，采用将整个仪器旋转的方式，这种方式在目前主流商业仪器中有体现，其缺点非常明显，由于采用一机械结构为通常的皮带或齿轮转换，机械结构的控制精度不高、径向晃动量非常大，非常不利于滚动情况下动态接触角测值；同时由于整机的重量非常大，控制起来非常不方便。 

目前，接触角和界面张力测试仪器通常均是标准设计的仪器，有提及动态接触角测试的机构，但如上所述，其特点在于仅仅垂直向转动样品台，或通过整机转动来实现测试目的；且在具体接触角的测试以及最终本征接触角的算法上均未有描述。如现有专利资料库中《基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪》专利号：200610050811.8和200620103753.6，《一种静态接触角的自动检测方法》专利号201010288857.X，《接触角及表面能测量装置》专利号：201010600278.4，《测量接触角装置》专利号：200710142656.7，《一种自洁玻璃接触角的在线测量方法》专利号：200710008521.1等。 

在接触角和界面张力的算法上，中国专利资料有部分提及的内容与本发明的内容上有一定的相似，但在具体发明内容的实现上存在较大差异。如，《一种固体表面液滴接触角的测量方法及装置》专利号：200910136101.0，在具体实现方式上，该专利采用了Young-Laplace方程的改写的有离散的二阶偏微分方程求解曲线并采用打靶法拟合接触角角度值的，仅仅提出了一个简单的液体接触角测试的Young-Laplace方程拟合的概念，具体实施过程的可能不高。中国专利ZL201210566095.4《基于液滴轮廓曲线四测量点的液体界面张力的测量方法》中提出了一种基于液滴轮廓曲线四测量点的液体界面张力的测量方法，该方法是采用图像采集设备摄制液滴在辅助测试平台上表面上铺展的图片或液滴悬挂于水平放置的轴对称辅助支承表面下的图片，对图片进行处理提取液滴轮廓曲线；在液滴轮廓曲线上选取四个测量点，测量相邻测量点间的竖直距离、每个测量点处过测量点的水平线与液滴轮廓曲线的交点间的距离、每个测量点处的液滴轮廓曲线的切线与水平线之间的夹角；根据液滴轮廓曲线计算出与四个测量点相关的液体体积；根据公式计算出液体的界面张力，算法中仅仅是对轮廓部分进行了几何换算。ZL201210594516.4《一种静态接触角的计算方法》提出了一种基于Young-Laplace 方程仿真产生不同体积和接触角的液滴边缘；计算仿真产生的液滴边缘的接触角，进而获得计算所得接触角、液滴体积与真实接触角的关系；拍摄真实液滴图像，计算图像的接触角；根据计算所得接触角、液滴体积与真实接触角的关系以及实际图像的接触角，采用插值法或类似方法获得准确的接触角，这是一种简单的应用，而没有涉及具体的算法。 

作为光学法界面化学分析的一种方法，影像分析法界面化学分析技术在世界上有类似技术，通常以Young-Laplace方程拟合的形式出现。但由于算法和计算机发展影响很大，这些Young-Laplace拟合或采用Bashforth-Adams查表法或简单的经验求解（以Bashforth.F、Adams.J.C、Andreas、S. Hartland等为代表，或采用基于DS/DE或少数点（30°、45°、60°角度值）坐标比值的Select plane快速界面张力测试的算法（以Springer、F.K.Hansen等为代表），或采用ALFI算法并以经验假设的简单影像分析法（以Rotenberg、A.W.Neumann、O.I.del.RIO为代表），均有明显缺陷，与本专利提及的完全真实液滴轮廓（RealDropA.W.Neumann团队提出了一种ADSA-NA的技术，可用于测试有针头情况下的动态接触角，其主要特点在于测试没有顶点情况下的接触角值，核心解决方案是通过接触点位置拟合多项式曲线得到初始接触角值，再利用ALFI或相类似算法拟合Young-Laplace方程。且其对方程进行了反向计算的变换，这种算法与本专利先拟合得到顶点再由拟合的顶点利用接触点水平位置以上一定区域内的Young-Laplace曲线仅受固体能量影响的特性，拟合部分真实液滴轮廓的方式采用的公式以及算法均不一样。 

国外专利中，日本专利JP63210748A《接触角および界面張力の自動測定方法》提出一种基于宽高法计算接触角值的方法与本专利有明显区别；美国专利US5615276《METHOD OF MEASURING LOW INTERFACIAL TENSION BY PENDANT DROP DIGITIZATION》中，提出了一种Young-Laplace求解得出界面张力和接触角的方法 ，其采用的核心算法与F.K.Hansen等人相同，是基于Select Plane算法下的Young-Laplace拟合技术，所以，与本专利所提及的算法有区别。美国专利US5479816《CAPTIVE DROPLET INTERFACIAL TENSIOMETER AND METHODS OF USE THEREOF》提出了一种非常特殊的Young-Laplace方程的解法，与本专利提及的解决法完全不一样。而其他专利如US4688938、US4953389、US5080484、US5115677、US5143744、US5394740、US7952698B2、US2003/0049863/Al、US2005/0012894/Al、WO0122058A1、US8151635B2、US4942760均是一些特殊的接触角测试装置和应用，与本专利的创新点完全不同。 

中国专利ZL200910034768.X《一种控温湿同步测量液滴温度、 表面张力、接触角的装置》以及ZL201210127093.5《一种控温、控湿、控压条件下测量液滴接触角和滚动角的装置》，描述了一种控温、控湿、控压条件下测量液滴接触角和滚动角的装置，是一种比较模糊的理论性描述，具体实施细节也是概括性描述，从实施来看，可操作性不强。 

针对现有技术中存在的问题，本发明人提出了一种采用真实液滴法或图像拟合法拟合Young-Laplace方程的测试动态接触角，并进而利用Wenzel-Cassie-Baster模拟推导出来的本征接触角计算公式，测试固-液本征接触角的测试方法和一种适用于本征接触角测试的装置，该装置由一个蜗轮蜗杆结构的旋转机构控制的镜头与样品台一起旋转的组合体、可XYZ以及水平调整的样品台组合体、样品夹具、注射泵及其XYZ控制机构组合体、带远心镜头的摄像机和平行光源组成，通过拍摄液滴的轮廓图像后，采用拟合Young-Laplace方程测试得到接触角值，该装置和测试方法可以分析材料化学各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后情况下的本征接触角值，在新材料、仿生材料等研究等领域具有极广的推广价值。 

发明内容

为了实现减少样品台旋转过程的晃动、增加旋转的方便性、转动过程中接触水平线不移动以及测试有重力影响条件下的动态接触角值并最终完成测试本征接触角的目的，本发明无论在整个结构布局、备件采购、光路设计、测试算法等方面均作了创新性设计，具体发明内容如下： 

1、本发明设计综合了通用条件和垂直旋转样品台的情况下影像法接触角的装置，包括：电气控制箱，具有步进电机控制的光学旋转平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，LED平行光源，具有微分头控制的二维水平调整台，具有步进电机控制的直顶式注射泵（含有微量进样器及可拆卸针头），具有步进电机控制的一维光学平移台，支架，轴承，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，远心镜头，镜头固定环，摄像机，支架，传动支架，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台，水平调整脚，相机支架，其显著特征在于通过控制（通过控制电气箱与计算的USB2.0通讯协议完成双向沟通或手动控制）具有步进电机控制的光学旋转平台，带动与之相连的传动支架，控制摄像机、远心镜头和样品台XYZ水平调整组合体一起旋转。电气控制箱设置于机架一端，机架下方设置有四个水平调整脚，电气控制箱的内侧于支架上设置有具有步进电机控制的光学旋转平台，具有步进电机控制的光学旋转平台与电气控制箱内的步进电机联接，具有步进电机控制的光学旋转平台上设置有具有微分头控制的一维俯仰调整平台和LED平行光源，具有步进电机控制的光学旋转平台通过三个传动支架连接至机架另一端上的轴承，三个传动支架中中部的传动支架上设置有具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台上连接有具有微分头控制的一维升降光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台上方有可拆卸针头，可拆卸针头上连接有微量进样器，可拆卸针头固定于具有步进电机控制的直顶式注射泵上，具有步进电机控制的直顶式注射泵固定于具有步进电机控制的一维俯仰调整平台，具有步进电机控制的一维俯仰调整平台固定于支架上，支架上的轴承内穿有具有微分头控制的一维俯仰调整平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台上设置有远心镜头，远心镜头通过镜头固定环连接摄像机。

为了防止旋转过程中样品台与注射泵出现干涉，注射泵与主体连接部分设计了一个可翻转机械结构（附图4中未图示），在旋转过程中，将注射泵向上90度翻转，为了提高注射泵的控制方便性，设计了一个注射泵XY控制结构，包括：具有微分头控制的一维光学平移台23，具有微分头控制的一维光学平移台24，两个具有微分头控制的一维光学平移台呈垂直分布。 

2、本发明还设计了一套用于样品台旋动条件下测试动态接触角的特殊控制部件，包括一个具有蜗轮蜗杆结构的光学旋转平台、一个微分头控制的二维水平调整台以及一样固定样品所用的样品夹具，其中： 

第一、步进电机控制的光学旋转平台包括：步进电机数据接口，接口为9针，数据接口安装支架，手动控制旋钮，步进电机，步进电机固定支架，旋转平台主体，蜗轮结构，蜗杆结构，旋转面板，刻度盘；旋转平台主体上通过步进电机固定支架和数据接口安装支架分别连接有步进电机数据接口和步进电机，步进电机连接有手动控制旋钮，旋转平台主体内置有蜗轮结构、蜗杆结构、旋转面板，旋转面板罩于蜗轮结构上，旋转面板外圈设置有刻度盘，蜗轮结构与蜗杆结构咬合。

第二、微分头控制的二维水平调整台包括：上面板35，不锈钢珠36，带不锈钢珠头的传动机构37，固定支架38，微分头39，下面板40，微分头41，固定支架42，安装螺丝孔43， 上面板和下面板通过安装螺丝孔连接，微分头共有两个，微分头通过固定支架与带不锈钢珠头的传动机构连接，带不锈钢珠头的传动机构上设置有不锈钢珠。 

第三、样品夹具包括：带螺纹结构的传动丝杆，2根导轨，带螺纹结构的滑块，锁紧螺丝，2个上压紧盖板，4个锁紧螺丝，固定块，安装孔，2根导轨的一端固定于固定块上，固定块上通过锁紧螺丝、安装孔固定有上压紧盖板，固定块的中部固定有带螺纹结构的传动丝杆，传动丝杆及2根导轨另一端穿过带螺纹结构的滑块，带螺纹结构的滑块上通过锁紧螺丝固定有上压紧盖板，带螺纹结构的滑块内贯穿有一个锁紧螺丝。 

3、为使液滴轮廓达到亚像素级，经过我们长期的试验，在镜头与光源的选择上，采用如下结构：（1）在镜头的选择上，采用远心镜头，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（2）在背景光源的选择上，采用LED平行光源，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（3）在摄像机的选择上，选用播放速度达到60帧/秒以上的高速摄像机。 

4、设计一种真实液滴法测试用于修正了重力系接触角和界面张力值的方法，包括：（1）提出一个已经离散化的Young-Laplace方程组，对于侧视法影像分析时的停滴、气泡捕获或悬滴： 

    其中：θ为接触角，s为弧长，R₀为顶点位置的曲率半径，Δρ为内外相密度差，z高度，x为宽度，V为体积，A为面积，x0,z0为顶点坐标

（2）设计一个求解Young-Laplace离散方程组的解法，具体如下：在使用软件绘制液滴轮廓的理论曲线时使用如上（1）所提及的离散方程组，利用龙格库拉或欧位法或类似的方法求解理论曲线，并利用软件绘图的方式，显示相应的理论曲线以及曲线上的各个坐标点（x_i,y_i）；

（3）设计一种绘制接触角和界面张力液滴轮廓的实际曲线的方法，具体包括：利用CANNY或SOBEL算法，利用成像系统拍摄得到旋转液滴轮廓图像中灰度的变化，设置合理阈值，查找出液滴轮廓的边缘，并利用Spline算法作查找的边缘进行优化计算，得到液滴轮廓的边缘点坐标值（X_i,Y_i）并有序排列，并利用软件绘图的方式，将查找边得的轮廓边缘实际曲线标出；

（4）设计一种采用牛顿法（Newton-Raphson method）或类似的最小二乘法算法，在输入密度差Δρ、重力系数g、等常量值后，将曲率半径R0、接触角值θ、界面张力值γ、弧长S作为变量优化如上的Young-Laplace方程求解得出的理论曲线与查找液滴轮廓边缘而得到的实际曲线，进而得到最终的顶点曲率半径R0、接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等参数，并进而利用积分求面积和体积的方法，求得液滴的面积和体积等参数的方法。具体包括：1）通过直接优化液滴轮廓的Young-Laplace方程理论曲线和查找边缘所得的实际曲线测试液-气或液-液界面张力值；2）采用了真实液滴法或图像轮廓法，从而，无须如Select plane算法基础上的Young-Laplace拟合的经验标定；

（5）设计两种可用于拟合得到顶点坐标的算法：

第一、图像轮廓法（DIPM: Drop image profile method）：通过分别拟合左右两侧自接触水平线以上3/4左右液滴轮廓，利用图像处理算法，拟合曲线（如圆或椭圆、多项式曲线或Spline曲线），拟合曲线，并把交叉点作为顶点；

或；

第二、真实液滴法（RealDrop method）：对轮廓曲线利用无因次变换方程和原始离散方程进行两次优化的算法，其特征为：分别拟合左右两侧自接触水平线以上3/4左右液滴轮廓，利用如上（1-4）所述的拟合算法，拟合得出两条Young-Laplace拟合曲线，并把交叉点作为顶点；

如上第二所述的优化所用无因次方程组如下：

                    （公式：8）

其中：，X=x/R₀，Y=y/R₀，S=s/R₀

（6）设计两种用于如上3所述优化过程的特殊算法，用于优化出界面张力值γ和接触角值θ： 

第一、图像轮廓法:其特征在于：利用图像处理算法，拟合曲线（如圆或椭圆、多项式曲线或Spline曲线），计算得出顶点的曲率半径值的算法；进而，通过如上5提及的优化算法，优化得出接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等所需测试参数；

或

第二、真实液滴法：对轮廓曲线利用无因次变换方程和原始离散方程进行两次优化的算法，其特征为：第一次优化过程，优化得出界面张力值γ与顶点曲率半径R₀之间的线性关系式；第二次利用第一次的关系式，减少变量后，利用界面张力值γ的迭代，优化得出接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等所需测试参数；

如上（2）所述的优化所用无因次方程组如下：

                    （公式：8）

其中：，X=x/R₀，Y=y/R₀，S=s/R₀

（7）通过液滴影像分析、拟合、优化和软件自动迭代可变参数（液滴影像分析法）求解表面/界面张力值、接触角值以及液体体积、面积、液滴曲率半径和润湿线的界面化学分析方法，以及利用求解得到的面积和表面/界面张力分析界面流变性质的测量方法；

（8）如上拟合将根据液滴左右轮廓分析拟合，接触角值大的一侧为前进角值，接触角值小的一侧为后退角值，此两个接触角值参与后述本征接触角值的计算。

5、利用热平衡条件下的接触角计算公式，将上述4中拟合得到的前进、后退角，计算得到本征接触角值，其计算公式如下所示： 

          

其中：

     上式中θ₀为本征接触角值，θ_A为前进角值，θ_R为后退角值。

附图说明

图1：接触角示意图； 

图2：本专利所述的Wenzel-Cassie-Baster模型示意图；

图3：本专利所述在样品台转动的情况下测试动态接触角示意图；

图4：本专利所述的接触角和界面张力测试装置正视图；

图4中：1-电气控制箱（包括步进电机驱动器、运动控制卡、光源控制电路等）；2-具有步进电机控制的光学旋转平台；3-具有微分头控制的一维俯仰调整平台；4-LED平行光源；5-具有微分头控制的二维水平调整台；6-具有步进电机控制的直顶式注射泵（含有微量进样器及可拆卸针头）；7-具有步进电机控制的一维光学平移台；8-支架；9-轴承；10-具有微分头控制的一维俯仰调整平台；11-远心镜头；12-镜头固定环；13-摄像机；14-支架；15、16、20-传动支架；17-具有步进电机控制的一维光学平移台；18-具有步进电机控制的一维光学平移台；19-具有微分头控制的一维升降光学平移台；21-水平调整脚；22-相机支架。

图5：本专利所述的接触角和界面张力测试装置俯视图； 

图5中：23-具有微分头控制的一维光学平移台；24-具有微分头控制的一维光学平移台。

图6：本专利图4-2所述具有步进电机控制的光学旋转平台的结构图； 

图6中：25-步进电机数据接口（9针）；26-数据接口安装支架；27-手动控制旋钮；28-步进电机；29-步进电机固定支架；30-旋转平台主体；31-蜗轮结构；32-蜗杆结构；33-旋转面板；34-刻度盘。

图7：本专利图4-5所述具有微分头控制的二维水平调整台的正视图； 

图8：为图7和俯视图；

图7、8中：35-上面板；36-不锈钢珠；37-带不锈钢珠头的传动机构；38-固定支架；39-微分头；40-下面板；41-微分头；42-固定支架；43-安装螺丝孔。

图9：样品夹具； 

图9中：44-带螺纹结构的传动丝杆；45-2根导轨；46-带螺纹结构的滑块；47-锁紧螺丝；48-2个上压紧盖板；49-4个锁紧螺丝；50-固定块；51-安装孔。

具体实施方式

为实现减少样品台旋转过程的晃动、增加旋转的方便性、转动过程中接触水平线不移动以及测试有重力影响条件下的动态接触角值并最终完成测试本征接触角的目的，我们无论在整个结构布局、备件采购、光路设计、测试算法等方面均作了创新性设计。具体实施方式如下： 

1、本发明设计综合了通用条件和垂直旋转样品台的情况下影像法接触角的装置，包括：电气控制箱，具有步进电机控制的光学旋转平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，LED平行光源，具有微分头控制的二维水平调整台，具有步进电机控制的直顶式注射泵（含有微量进样器及可拆卸针头），具有步进电机控制的一维光学平移台，支架，轴承，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，远心镜头，镜头固定环，摄像机，支架，传动支架，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台，水平调整脚，相机支架，其显著特征在于通过控制（通过控制电气箱与计算的USB2.0通讯协议完成双向沟通或手动控制）具有步进电机控制的光学旋转平台，带动与之相连的传动支架，控制摄像机、远心镜头和样品台XYZ水平调整组合体一起旋转。电气控制箱设置于机架一端，机架下方设置有四个水平调整脚，电气控制箱的内侧于支架上设置有具有步进电机控制的光学旋转平台，具有步进电机控制的光学旋转平台与电气控制箱内的步进电机联接，具有步进电机控制的光学旋转平台上设置有具有微分头控制的一维俯仰调整平台和LED平行光源，具有步进电机控制的光学旋转平台通过三个传动支架连接至机架另一端上的轴承，三个传动支架中中部的传动支架上设置有具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台上连接有具有微分头控制的一维升降光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台上方有可拆卸针头，可拆卸针头上连接有微量进样器，可拆卸针头固定于具有步进电机控制的直顶式注射泵上，具有步进电机控制的直顶式注射泵固定于具有步进电机控制的一维俯仰调整平台，具有步进电机控制的一维俯仰调整平台固定于支架上，支架上的轴承内穿有具有微分头控制的一维俯仰调整平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台上设置有远心镜头，远心镜头通过镜头固定环连接摄像机。

为了防止旋转过程中样品台与注射泵出现干涉，注射泵与主体连接部分设计了一个可翻转机械结构（附图4中未图示），在旋转过程中，将注射泵向上90度翻转，为了提高注射泵的控制方便性，设计了一个注射泵XY控制结构，包括：具有微分头控制的一维光学平移台23，具有微分头控制的一维光学平移台24，两个具有微分头控制的一维光学平移台呈垂直分布。 

2、本发明还设计了一套用于样品台旋动条件下测试动态接触角的特殊控制部件，包括一个具有蜗轮蜗杆结构的光学旋转平台、一个微分头控制的二维水平调整台以及一样固定样品所用的样品夹具，其中： 

第一、步进电机控制的光学旋转平台包括：步进电机数据接口，接口为9针，数据接口安装支架，手动控制旋钮，步进电机，步进电机固定支架，旋转平台主体，蜗轮结构，蜗杆结构，旋转面板，刻度盘；旋转平台主体上通过步进电机固定支架和数据接口安装支架分别连接有步进电机数据接口和步进电机，步进电机连接有手动控制旋钮，旋转平台主体内置有蜗轮结构、蜗杆结构、旋转面板，旋转面板罩于蜗轮结构上，旋转面板外圈设置有刻度盘，蜗轮结构与蜗杆结构咬合。

第二、微分头控制的二维水平调整台包括：上面板35，不锈钢珠36，带不锈钢珠头的传动机构37，固定支架38，微分头39，下面板40，微分头41，固定支架42，安装螺丝孔43， 上面板和下面板通过安装螺丝孔连接，微分头共有两个，微分头通过固定支架与带不锈钢珠头的传动机构连接，带不锈钢珠头的传动机构上设置有不锈钢珠。 

第三、样品夹具包括：带螺纹结构的传动丝杆，2根导轨，带螺纹结构的滑块，锁紧螺丝，2个上压紧盖板，4个锁紧螺丝，固定块，安装孔，2根导轨的一端固定于固定块上，固定块上通过锁紧螺丝、安装孔固定有上压紧盖板，固定块的中部固定有带螺纹结构的传动丝杆，传动丝杆及2根导轨另一端穿过带螺纹结构的滑块，带螺纹结构的滑块上通过锁紧螺丝固定有上压紧盖板，带螺纹结构的滑块内贯穿有一个锁紧螺丝。 

3、为使液滴轮廓达到亚像素级，经过我们长期的试验，在镜头与光源的选择上，采用如下结构：（1）在镜头的选择上，采用远心镜头，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（2）在背景光源的选择上，采用LED平行光源，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（3）在摄像机的选择上，选用播放速度达到60帧/秒以上的高速摄像机。 

4、设计一种真实液滴法测试用于修正了重力系接触角和界面张力值的方法，包括：（1）提出一个已经离散化的Young-Laplace方程组，对于侧视法影像分析时的停滴、气泡捕获或悬滴： 

    其中：θ为接触角，s为弧长，R₀为顶点位置的曲率半径，Δρ为内外相密度差，z高度，x为宽度，V为体积，A为面积，x0,z0为顶点坐标

（2）设计一个求解Young-Laplace离散方程组的解法，具体如下：在使用软件绘制液滴轮廓的理论曲线时使用如上（1）所提及的离散方程组，利用龙格库拉或欧位法或类似的方法求解理论曲线，并利用软件绘图的方式，显示相应的理论曲线以及曲线上的各个坐标点（x_i,y_i）；

（3）设计一种绘制接触角和界面张力液滴轮廓的实际曲线的方法，具体包括：利用CANNY或SOBEL算法，利用成像系统拍摄得到旋转液滴轮廓图像中灰度的变化，设置合理阈值，查找出液滴轮廓的边缘，并利用Spline算法作查找的边缘进行优化计算，得到液滴轮廓的边缘点坐标值（X_i,Y_i）并有序排列，并利用软件绘图的方式，将查找边得的轮廓边缘实际曲线标出；

（4）设计一种采用牛顿法（Newton-Raphson method）或类似的最小二乘法算法，在输入密度差Δρ、重力系数g、等常量值后，将曲率半径R0、接触角值θ、界面张力值γ、弧长S作为变量优化如上的Young-Laplace方程求解得出的理论曲线与查找液滴轮廓边缘而得到的实际曲线，进而得到最终的顶点曲率半径R0、接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等参数，并进而利用积分求面积和体积的方法，求得液滴的面积和体积等参数的方法。具体包括：1）通过直接优化液滴轮廓的Young-Laplace方程理论曲线和查找边缘所得的实际曲线测试液-气或液-液界面张力值；2）采用了真实液滴法或图像轮廓法，从而，无须如Select plane算法基础上的Young-Laplace拟合的经验标定；

（5）设计两种可用于拟合得到顶点坐标的算法：

第一、图像轮廓法（DIPM: Drop image profile method）：通过分别拟合左右两侧自接触水平线以上3/4左右液滴轮廓，利用图像处理算法，拟合曲线（如圆或椭圆、多项式曲线或Spline曲线），拟合曲线，并把交叉点作为顶点；

或；

第二、真实液滴法（RealDrop method）：对轮廓曲线利用无因次变换方程和原始离散方程进行两次优化的算法，其特征为：分别拟合左右两侧自接触水平线以上3/4左右液滴轮廓，利用如上（1-4）所述的拟合算法，拟合得出两条Young-Laplace拟合曲线，并把交叉点作为顶点；

如上第二所述的优化所用无因次方程组如下：

                    （公式：8）

其中：，X=x/R₀，Y=y/R₀，S=s/R₀

（6）设计两种用于如上3所述优化过程的特殊算法，用于优化出界面张力值γ和接触角值θ： 

第一、图像轮廓法:其特征在于：利用图像处理算法，拟合曲线（如圆或椭圆、多项式曲线或Spline曲线），计算得出顶点的曲率半径值的算法；进而，通过如上5提及的优化算法，优化得出接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等所需测试参数；

或

第二、真实液滴法：对轮廓曲线利用无因次变换方程和原始离散方程进行两次优化的算法，其特征为：第一次优化过程，优化得出界面张力值γ与顶点曲率半径R₀之间的线性关系式；第二次利用第一次的关系式，减少变量后，利用界面张力值γ的迭代，优化得出接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等所需测试参数；

如上（2）所述的优化所用无因次方程组如下：

                    （公式：8）

其中：，X=x/R₀，Y=y/R₀，S=s/R₀

（7）通过液滴影像分析、拟合、优化和软件自动迭代可变参数（液滴影像分析法）求解表面/界面张力值、接触角值以及液体体积、面积、液滴曲率半径和润湿线的界面化学分析方法，以及利用求解得到的面积和表面/界面张力分析界面流变性质的测量方法；

（8）如上拟合将根据液滴左右轮廓分析拟合，接触角值大的一侧为前进角值，接触角值小的一侧为后退角值，此两个接触角值参与后述本征接触角值的计算。

5、利用热平衡条件下的接触角计算公式，将上述4中拟合得到的前进、后退角，计算得到本征接触角值，其计算公式如下所示： 

          

其中：

     上式中θ₀为本征接触角值，θ_A为前进角值，θ_R为后退角值。

 本专利公布一种采用真实液滴法或图像拟合法拟合Young-Laplace方程的测试动态接触角，并进而利用Wenzel-Cassie-Baster模拟推导出来的本征接触角计算公式，测试固-液本征接触角的测试方法和一种适用于本征接触角测试的装置。该装置由一个蜗轮蜗杆结构的旋转机构控制的镜头与样品台一起旋转的组合体、可XYZ以及水平调整的样品台组合体、样品夹具、注射泵及其XYZ控制机构组合体、带远心镜头的摄像机和平行光源组成，通过拍摄液滴的轮廓图像后，采用拟合Young-Laplace方程测试得到接触角值，该装置和测试方法可以分析材料化学各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后情况下的本征接触角值，在新材料、仿生材料等研究等领域具有极广的推广价值。 

Claims (5)

1.综合了通用条件和垂直旋转样品台的情况下影像法接触角的装置，其特征在于，包括：电气控制箱，具有步进电机控制的光学旋转平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，LED平行光源，具有微分头控制的二维水平调整台，具有步进电机控制的直顶式注射泵（含有微量进样器及可拆卸针头），具有步进电机控制的一维光学平移台，支架，轴承，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，远心镜头，镜头固定环，摄像机，支架，传动支架，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台，水平调整脚，相机支架，通过控制电气箱与计算的USB2.0通讯协议完成双向沟通或手动控制具有步进电机控制的光学旋转平台，带动与之相连的传动支架，控制摄像机、远心镜头和样品台XYZ水平调整组合体一起旋转；

电气控制箱设置于机架一端，机架下方设置有四个水平调整脚，电气控制箱的内侧于支架上设置有具有步进电机控制的光学旋转平台，具有步进电机控制的光学旋转平台与电气控制箱内的步进电机联接，具有步进电机控制的光学旋转平台上设置有具有微分头控制的一维俯仰调整平台和LED平行光源，具有步进电机控制的光学旋转平台通过三个传动支架连接至机架另一端上的轴承，三个传动支架中中部的传动支架上设置有具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台上连接有具有微分头控制的一维升降光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台上方有可拆卸针头，可拆卸针头上连接有微量进样器，可拆卸针头固定于具有步进电机控制的直顶式注射泵上，具有步进电机控制的直顶式注射泵固定于具有步进电机控制的一维俯仰调整平台，具有步进电机控制的一维俯仰调整平台固定于支架上，支架上的轴承内穿有具有微分头控制的一维俯仰调整平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台上设置有远心镜头，远心镜头通过镜头固定环连接摄像机；

为了防止旋转过程中样品台与注射泵出现干涉，注射泵与主体连接部分设计了一个可翻转机械结构，在旋转过程中，将注射泵向上90度翻转，为了提高注射泵的控制方便性，设计了一个注射泵XY控制结构，包括：具有微分头控制的一维光学平移台，具有微分头控制的一维光学平移台，两个具有微分头控制的一维光学平移台呈垂直分布。

2.如权利要求1所述的综合了通用条件和垂直旋转样品台的情况下影像法接触角的装置，其特征在于，用于样品台旋动条件下测试动态接触角的特殊控制部件，包括一个具有蜗轮蜗杆结构的光学旋转平台、一个微分头控制的二维水平调整台以及一样固定样品所用的样品夹具，其中：

第一、步进电机控制的光学旋转平台包括：步进电机数据接口，接口为9针，数据接口安装支架，手动控制旋钮，步进电机，步进电机固定支架，旋转平台主体，蜗轮结构，蜗杆结构，旋转面板，刻度盘；旋转平台主体上通过步进电机固定支架和数据接口安装支架分别连接有步进电机数据接口和步进电机，步进电机连接有手动控制旋钮，旋转平台主体内置有蜗轮结构、蜗杆结构、旋转面板，旋转面板罩于蜗轮结构上，旋转面板外圈设置有刻度盘，蜗轮结构与蜗杆结构咬合；

第二、微分头控制的二维水平调整台包括：上面板，不锈钢珠，带不锈钢珠头的传动机构，固定支架，微分头，下面板，微分头，固定支架，安装螺丝孔， 上面板和下面板通过安装螺丝孔连接，微分头共有两个，微分头通过固定支架与带不锈钢珠头的传动机构连接，带不锈钢珠头的传动机构上设置有不锈钢珠；

第三、样品夹具包括：带螺纹结构的传动丝杆，2根导轨，带螺纹结构的滑块，锁紧螺丝，2个上压紧盖板，4个锁紧螺丝，固定块，安装孔，2根导轨的一端固定于固定块上，固定块上通过锁紧螺丝、安装孔固定有上压紧盖板，固定块的中部固定有带螺纹结构的传动丝杆，传动丝杆及2根导轨另一端穿过带螺纹结构的滑块，带螺纹结构的滑块上通过锁紧螺丝固定有上压紧盖板，带螺纹结构的滑块内贯穿有一个锁紧螺丝。

3.如权利要求1所述的综合了通用条件和垂直旋转样品台的情况下影像法接触角的装置，其特征在于，为使液滴轮廓达到亚像素级，在镜头与光源的选择上，采用如下结构：（1）在镜头的选择上，采用远心镜头，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（2）在背景光源的选择上，采用LED平行光源，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（3）在摄像机的选择上，选用播放速度达到60帧/秒以上的高速摄像机。

4.一种利用了权利要求1所述的综合了通用条件和垂直旋转样品台的情况下影像法接触角的装置的一种真实液滴法测试用于修正了重力系接触角和界面张力值的方法，其特征在于，（1）提出一个已经离散化的Young-Laplace方程组，对于侧视法影像分析时的停滴、气泡捕获或悬滴：

    其中：θ为接触角，s为弧长，R₀为顶点位置的曲率半径，Δρ为内外相密度差，z高度，x为宽度，V为体积，A为面积，x0,z0为顶点坐标

（2）设计一个求解Young-Laplace离散方程组的解法，具体如下：在使用软件绘制液滴轮廓的理论曲线时使用如上（1）所提及的离散方程组，利用龙格库拉或欧位法或类似的方法求解理论曲线，并利用软件绘图的方式，显示相应的理论曲线以及曲线上的各个坐标点（x_i,y_i）；

（3）设计一种绘制接触角和界面张力液滴轮廓的实际曲线的方法，具体包括：利用CANNY或SOBEL算法，利用成像系统拍摄得到旋转液滴轮廓图像中灰度的变化，设置合理阈值，查找出液滴轮廓的边缘，并利用Spline算法作查找的边缘进行优化计算，得到液滴轮廓的边缘点坐标值（X_i,Y_i）并有序排列，并利用软件绘图的方式，将查找边得的轮廓边缘实际曲线标出；

（4）设计一种采用牛顿法或类似的最小二乘法算法，在输入密度差Δρ、重力系数g、等常量值后，将曲率半径R0、接触角值θ、界面张力值γ、弧长S作为变量优化如上的Young-Laplace方程求解得出的理论曲线与查找液滴轮廓边缘而得到的实际曲线，进而得到最终的顶点曲率半径R0、接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等参数，并进而利用积分求面积和体积的方法，求得液滴的面积和体积等参数的方法；

具体包括：1）通过直接优化液滴轮廓的Young-Laplace方程理论曲线和查找边缘所得的实际曲线测试液-气或液-液界面张力值；2）采用了真实液滴法或图像轮廓法，从而，无须如Select plane算法基础上的Young-Laplace拟合的经验标定；

（5）设计两种可用于拟合得到顶点坐标的算法：

第一、图像轮廓法：通过分别拟合左右两侧自接触水平线以上3/4左右液滴轮廓，利用图像处理算法，拟合曲线，如圆或椭圆、多项式曲线或Spline曲线，拟合曲线，并把交叉点作为顶点；

或；

第二、真实液滴法：对轮廓曲线利用无因次变换方程和原始离散方程进行两次优化的算法，其特征为：分别拟合左右两侧自接触水平线以上3/4左右液滴轮廓，利用如上（1-4）所述的拟合算法，拟合得出两条Young-Laplace拟合曲线，并把交叉点作为顶点；

如上第二所述的优化所用无因次方程组如下：

                    （公式：8）

其中：，X=x/R₀，Y=y/R₀，S=s/R₀

（6）设计两种用于如上3所述优化过程的特殊算法，用于优化出界面张力值γ和接触角值θ： 

第一、图像轮廓法:其特征在于：利用图像处理算法，拟合曲线如圆或椭圆、多项式曲线或Spline曲线，计算得出顶点的曲率半径值的算法；进而，通过如上（5）提及的优化算法，优化得出接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等所需测试参数；

或

第二、真实液滴法：对轮廓曲线利用无因次变换方程和原始离散方程进行两次优化的算法，其特征为：第一次优化过程，优化得出界面张力值γ与顶点曲率半径R₀之间的线性关系式；第二次利用第一次的关系式，减少变量后，利用界面张力值γ的迭代，优化得出接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等所需测试参数；

如上（2）所述的优化所用无因次方程组如下：

                    （公式：8）

其中：，X=x/R₀，Y=y/R₀，S=s/R₀

（7）通过液滴影像分析、拟合、优化和软件自动迭代可变参数以液滴影像分析法求解表面/界面张力值、接触角值以及液体体积、面积、液滴曲率半径和润湿线的界面化学分析方法，以及利用求解得到的面积和表面/界面张力分析界面流变性质的测量方法；

（8）如上拟合将根据液滴左右轮廓分析拟合，接触角值大的一侧为前进角值，接触角值小的一侧为后退角值，此两个接触角值参与后述本征接触角值的计算。

5.一种利用了权利要求1所述的综合了通用条件和垂直旋转样品台的情况下影像法接触角的装置的一种真实液滴法测试用于修正了重力系接触角和界面张力值的方法，其特征在于，利用热平衡条件下的接触角计算公式，将上述（4）中拟合得到的前进、后退角，计算得到本征接触角值，其计算公式如下所示：

          

其中：

     上式中θ₀为本征接触角值，θ_A为前进角值，θ_R为后退角值。