CN107817193B - 基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法及系统 - Google Patents
基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法及系统，包括：获取液滴静置于待测超疏水固体表面的图像；根据液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，确定液滴的轮廓线和液滴与待测超疏水固体表面的基线；根据基线与轮廓线，确定三相接触点的位置；识别在轮廓线上的多个关键点；拟合多个关键点形成局部拟合圆；根据局部拟合圆、基线、三相接触点的位置，得到待测超疏水固体表面的静态接触角。本发明基于接触角测量的基本原理，有效的提高了超疏水固体表面的静态测量角的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及表面及界面测量方法技术领域，特别涉及一种基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法及系统。
背景技术
表面和界面的润湿过程，有着非常重要的应用价值。在1997年，Neihuis和Barthlott首次给出了荷叶表面自清洁的原理。自此以后，以荷叶为代表的植物表面的自清洁特性引起了人们极大的关注，这些表面具有超疏水特性，与水的接触角大于150°，液滴在表面的滚动角小于10°。这类表面具有非常特别的“荷叶特性”，其表面具有非常丰富的微纳米结构，液滴和表面的接触面积非常小。在外界微小的扰动下，液体很容易从表面滚落。在滚落的过程中，亲水性的污秽物质会粘附在液滴表面被一起带走。
这种特殊的润湿特性在很多领域有非常广阔的应用空间，从目前的研究和应用来看，超疏水的表面具有良好的防污，自清洁特性。可以广泛的应用于建筑外墙和户外的重要设备表面，大大降低污秽沉积所引起的设备性能的下降。具有特殊结构的表面，可以减少表面的覆冰量和覆冰粘接强度，起到防覆冰的效果，减少大面积覆冰所导致的灾难。金属材料的氧化特性往往和环境的湿度有密切的关系，采用超疏水隔绝液体的涂层可以有效的提升防腐蚀的性能。除此之外，超疏水表面在液-固界面减阻、油水分离、微流体控制等方面也有非常广阔的应用空间。
对于超疏水的表面的评价方法，目前主要的测量方法有静态接触角法，接触角滞后法和滚动角法。目前主要的静态接触角的测量的拟合方法有，圆拟合法、椭圆拟合法、Laplace-Young方法、正切拟合法等。但是目前这些方法在测量超疏水表面静态接触角的过程中，存在拟合欠拟合或过拟合的问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法。该基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法基于接触角测量的基本原理，有效的提高了超疏水固体表面的静态测量角的准确性。
本发明的另一个目的在于提出一种基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统。
为了实现上述目的，本发明的一方面公开了一种基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法，包括：获取液滴静置于待测超疏水固体表面的图像；根据所述液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，确定所述液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线；根据基线与所述轮廓线，确定三相接触点的位置；识别在轮廓线上的多个关键点；拟合所述多个关键点形成局部拟合圆；根据所述局部拟合圆、基线、三相接触点的位置，得到待测超疏水固体表面的静态接触角。
根据本发明的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法，通过液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，得到液滴的轮廓线和液滴与待测超疏水固体表面的基线，再通过基线和轮廓线，确定三相接触点，得到超疏水固体表面、液滴、空气相接触的点，通过轮廓线上的关键点拟合得到局部拟合圆，从而得到待测超疏水固体表面接触角，这样通过三相接触点处的局部拟合圆与液滴轮廓线相匹配，从而有效的提高了超疏水固体表面的静态测量角的准确性。
另外，根据本发明上述实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，根据最小二乘圆拟合法，拟合所述多个关键点形成局部拟合圆。
进一步地，所述根据局部拟合圆、基线、三相接触点的位置，得到待测超疏水固体表面的静态接触角的步骤具体包括：根据局部拟合圆得到拟合圆的圆心和半径；根据拟合圆的圆心和半径，计算三相接触点的位置处的切线；根据切线和基线，计算所述待测超疏水固体表面的静态接触角。
进一步地，所述根据液滴进入待测超疏水固体表面的图像，确定所述液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线的步骤具体包括：对液滴进入待测超疏水固体表面的图像局部放大，其中，局部放大区域为待测超疏水表面及液滴的接触平面和待测超疏水表面、液滴、空气的接触点区域；根据局部放大的图像，确定所述液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线；根据局部放大的图像，确定所述液滴轮廓线、基线和交点为三相接触点。
本发明的另一方面公开了一种基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统，包括：获取模块，用于获取液滴静置于待测超疏水固体表面的图像；确定模块，所述确定模块与所述获取模块相连，用于根据所述液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，确定所述液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线，根据基线与所述轮廓线，确定三相接触点的位置；识别模块，所述识别模块与所述确定模块相连，用于识别在轮廓线上的多个关键点；拟合模块，所述拟合模块与所述识别模块相连，用于局部圆拟合所述多个关键点形成拟合圆；处理模块，所述处理模块分别与所述确定模块和拟合模块相连，用于根据所述拟合圆、基线、三相接触点的位置，得到待测超疏水固体表面的静态接触角。
根据本发明的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统，通过液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，得到液滴的轮廓线和液滴与待测超疏水固体表面的基线，再通过基线和轮廓线，确定三相接触点，得到超疏水固体表面、液滴、空气相接触的点，通过轮廓线上的关键点拟合得到局部拟合圆，从而得到待测超疏水固体表面接触角，这样通过三相接触点处的局部拟合圆与液滴轮廓线相匹配，从而有效的提高了超疏水固体表面的静态测量角的准确性。
另外，根据本发明上述实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述拟合模块具体用于根据最小二乘圆拟合法，局部圆拟合所述多个关键点形成拟合圆。
进一步地，所述处理模块具体用于：根据拟合圆得到拟合圆的圆心和半径，根据拟合圆的圆心和半径，计算三相接触点的位置处的切线，根据切线和基线，计算所述待测超疏水固体表面的静态接触角。
进一步地，所述确定模块具体用于对液滴静置于待测超疏水固体表面的图像局部放大，其中，局部放大区域为待测超疏水表面及液滴的接触平面和待测超疏水表面、液滴、空气的接触点区域，根据局部放大的图像，确定所述液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线；根据局部放大的图像，确定所述液滴轮廓线、基线和交点为三相接触点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的超疏水表面静态接触角测量图；
图3是根据本发明一个实施例的基线拟合及轮廓线拟合、关键点识别的结果图；
图4是根据本发明一个实施例的局部轮廓线圆拟合的结果图；
图5是根据本发明一个实施例的切线计算及接触角测量结果的结果图；
图6(a)是根据椭圆拟合法测量接触角的结果示意图；
图6(b)是根据正切拟合法测量接触角的结果示意图；
图6(c)是根据Laplace-Young方法测量接触角的结果示意图；
图7是根据本发明一个实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法及系统。
图1是根据本发明一个实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法的流程图。
如图1所示，根据本发明一个实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法，包括：
S110：获取液滴静置于待测超疏水固体表面的图像。
结合图2所示，为液滴滴入待测超疏水固体表面的图像。要得到这个图像，首先，利用微量注射器将液滴以零动能方式平稳滴定水平待测超疏水表面，其中，待测超疏水固体放置在可移动的载物台上，并且确定待测超疏水固体的表面是水平的。然后，通过微距镜头和相机从液滴的侧面捕捉液滴的轮廓，并且，通过背光光源和柔光的系统使得获得的图像能够清晰的看到液滴的边缘轮廓。
S120：根据液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，确定液滴的轮廓线和液滴与待测超疏水固体表面的基线。
具体来说，对液滴静置于待测超疏水的表面的图像局部放大，其中，局部放大区域为待测超疏水表面及液滴的接触平面和待测超疏水表面、液滴、空气的接触点区域，根据局部放大的图像，确定液滴的轮廓线和液滴与待测超疏水固体表面的基线；根据局部放大的图像，确定所述液滴轮廓线、基线和交点为三相接触点。
作为一个示例，通过调整焦距，使得相机的焦点位于液滴的最大轮廓处，并将得到的液滴图线进行二值化处理，将液滴静置于待测超疏水的表面的图像局部放大，放大区域为待测超疏水和液滴的接触平面以及待测超疏水固体、液滴和空气的三相接触点的位置。并根据局部放大的图像，在图像中识别液滴和待测超疏水固体的表面的接触线，利用液滴在待测超疏水固体的表面的投影作为辅助信息，确定液滴和待测超疏水固体的表面的接触线的位置，并将该位置定位为基线，结合图3所示，C1为基线。
S130：根据基线与轮廓线，确定三相接触点的位置。
其中，三相接触点，是待测超疏水固体、液滴、空气的固、液、气三相相接处的地方，结合图3所示，K5为三相接触点，具体来说，根据局部放大的图像，确定所述液滴轮廓线、基线和交点为三相接触点。
S140：识别在轮廓线上的多个关键点。
作为一个示例，对液滴的轮廓进行图像识别，确定5-6个关键点的位置。结合图3可知，关键点为K1、K2、K3、K4、K5。其中K5作为三相接触点也可作为液滴的轮廓线上的关键点。
S150：拟合多个关键点形成局部拟合圆。
作为一个示例，根据最小二乘圆拟合法，拟合多个关键点形成局部拟合圆。结合图4所示，C3为局部拟合圆，可以看出局部拟合圆很好的与液滴静置于待测超疏水固体的表面中的液滴轮廓线局部匹配。
作为一个示例，利用最小二乘圆拟合法对液滴的轮廓线进行拟合，认为液滴的轮廓在局部位置为圆形，其轮廓坐标满足式(1),
(x-a)2+(y-b)2＝r2 (1)
其中(a,b)为圆心的坐标，r为拟合圆的半径。将测量图像中的局部关键点(xi,yi)带入式(2)和式(3)得到拟合的残差平方和，
εi＝(xi-a)2+(yi-b)2-r2 (2)
其中ε为测试点的残差，而Q为残差平方和，利用残差平方和对待测参数求导，如式(4)中的而结果，可以得到拟合圆的半径和圆心的具体数值，如式(5-7)
其中，坐标带入的过程中，坐标的幂指数的均值计算方法按照式(8)中的方法。
通过以上方法，超疏水表面静态接触角测量的局部轮廓线圆拟合结果如图4所示，C2为局部拟合圆。
S160：根据局部拟合圆、基线、三相接触点的位置，得到待测超疏水固体表面的静态接触角。
具体包括：根据局部拟合圆得到拟合圆的圆心和半径，根据拟合圆的圆心和半径，计算三相接触点的位置处的切线，根据切线和基线，计算待测超疏水的表面的静态接触角。结合图5所示，C3为三相接触点的位置处的切线，计算C3和C1的夹角即为待测超疏水固体的表面的静态接触角。
图6(a)-图6(c)给出了其他常用测量方法的对比。例如，图6(a)为利用椭圆拟合法测量接触角，通过图像可以看出，基线为C11、拟合椭圆为C21，C11和C21相交的点的切线为C31，可以看出，拟合椭圆C21与液滴的轮廓的局部存在欠拟合状态。图6(b)为利用正切测量接触角，通过图像可以看出，基线为C12、拟合切线为C22，可以看出，拟合切线C22与液滴的轮廓的局部存在欠拟合状态。图6(c)为利用Laplace-Young方法测量接触角，通过图像可以看出，基线为C13、拟合线为C23，可以看出，拟合线C23与液滴的轮廓的局部存在过拟合状态。图5为本方法测量接触角，通过图像可以看出，基线为C1、拟合局部圆为C2，C1和C2相交的点的切线为C3，可以看出，拟合局部圆C2与液滴的轮廓的局部不存在过拟合或欠拟合的状态。综上所述，可以看出本方法拟合精度高，不存在局部欠拟合或者过拟合的问题，可以准确地得到超疏水表面静态接触角的数值。
根据本发明的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法，通过液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，得到液滴的轮廓线和液滴与待测超疏水固体表面的基线，再通过基线和轮廓线，确定三相接触点，得到超疏水固体表面、液滴、空气相接触的点，通过轮廓线上的关键点拟合得到局部拟合圆，从而得到待测超疏水固体表面接触角，这样通过三相接触点处的局部拟合圆与液滴轮廓线相匹配，从而有效的提高了超疏水固体表面的静态测量角的准确性。
图7是根据本发明一个实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统的结构图。
如图7所示，本发明一个实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统200，包括：获取模块210、确定模块220、识别模块230、拟合模块240、处理模块250。
其中，获取模块210用于获取液滴静置于待测超疏水固体表面的图像。确定模块220与获取模块210相连，用于根据液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，确定液滴的轮廓线和液滴与待测超疏水固体表面的基线，根据基线与轮廓线，确定三相接触点的位置。识别模块230与确定模块220相连，用于识别在轮廓线上的多个关键点。拟合模块240与识别模块230相连，用于局部圆拟合多个关键点形成拟合圆。处理模块250分别与确定模块220和拟合模块240相连，用于根据拟合圆、基线、三相接触点的位置，得到待测超疏水固体表面的静态接触角。
根据本发明的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统，通过液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，得到液滴的轮廓线和液滴与待测超疏水固体表面的基线，再通过基线和轮廓线，确定三相接触点，得到超疏水固体表面、液滴、空气相接触的点，通过轮廓线上的关键点拟合得到局部拟合圆，从而得到待测超疏水固体表面接触角，这样通过三相接触点处的局部拟合圆与液滴轮廓线相匹配，从而有效的提高了超疏水固体表面的静态测量角的准确性。
在一些实施例中，拟合模块240具体用于根据最小二乘圆拟合法，局部圆拟合多个关键点形成拟合圆。
在一些实施例中，处理模块250具体用于：根据拟合圆得到拟合圆的圆心和半径，根据拟合圆的圆心和半径，计算三相接触点的位置处的切线，根据切线和基线，计算待测超疏水固体表面的静态接触角。
在一些实施例中，确定模块220具体用于对液滴静置于待测超疏水固体表面的图像局部放大，其中，局部放大区域为待测超疏水表面及液滴的接触平面和待测超疏水表面、液滴、空气的接触点区域，根据局部放大的图像，确定液滴的轮廓线和液滴与待测超疏水固体表面的基线，根据局部放大的图像，确定所述液滴轮廓线、基线和交点为三相接触点。
需要说明的是，本发明实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统的具体实现方式与本发明实施例的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法的具体实现方式类似，具体请参见基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法部分的描述，为了减少冗余，此处不做赘述。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法，其特征在于，包括：
获取液滴静置于待测超疏水固体表面的图像；
对所述图像局部放大，其中，局部放大区域为待测超疏水表面及液滴的接触平面和待测超疏水表面、液滴、空气的接触点区域，根据局部放大的图像，确定液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线；
根据基线与所述轮廓线，确定三相接触点的位置；
识别在轮廓线上的多个关键点；
拟合所述多个关键点形成局部拟合圆；
根据所述局部拟合圆、基线、三相接触点的位置，得到待测超疏水固体表面的静态接触角；
其中，所述根据局部拟合圆、基线、三相接触点的位置，得到待测超疏水固体表面的静态接触角的步骤具体包括：
根据局部拟合圆得到拟合圆的圆心和半径；
根据拟合圆的圆心和半径，计算三相接触点的位置处的切线；
根据切线和基线，计算所述待测超疏水固体表面的静态接触角。
2.根据权利要求1所述的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法，其特征在于，根据最小二乘圆拟合法，拟合所述多个关键点形成局部拟合圆。
3.根据权利要求1所述的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量方法，其特征在于，所述根据液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，确定所述液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线的步骤具体包括：
对液滴进入待测超疏水固体表面的图像局部放大，其中，局部放大区域为待测超疏水表面及液滴的接触平面和待测超疏水表面、液滴、空气的接触点区域；
根据局部放大的图像，确定所述液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线；
根据局部放大的图像，确定所述液滴轮廓线、基线和交点为三相接触点。
4.一种基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取液滴静置于待测超疏水固体表面的图像；
确定模块，所述确定模块与所述获取模块相连，用于根据所述液滴静置于待测超疏水固体表面的图像，对所述图像局部放大，其中，局部放大区域为待测超疏水表面及液滴的接触平面和待测超疏水表面、液滴、空气的接触点区域，根据局部放大的图像，确定液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线，根据基线与所述轮廓线，确定三相接触点的位置；
识别模块，所述识别模块与所述确定模块相连，用于识别在轮廓线上的多个关键点；
拟合模块，所述拟合模块与所述识别模块相连，用于局部圆拟合所述多个关键点形成拟合圆；
处理模块，所述处理模块分别与所述确定模块和拟合模块相连，用于根据所述拟合圆、基线、三相接触点的位置，得到待测超疏水固体表面的静态接触角；
其中，所述处理模块具体用于：根据拟合圆得到拟合圆的圆心和半径，根据拟合圆的圆心和半径，计算三相接触点的位置处的切线，根据切线和基线，计算所述待测超疏水固体表面的静态接触角。
5.根据权利要求4所述的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统，其特征在于，所述拟合模块具体用于根据最小二乘圆拟合法，局部圆拟合所述多个关键点形成拟合圆。
6.根据权利要求4所述的基于局部圆拟合的超疏水固体表面接触角测量系统，其特征在于，所述确定模块具体用于对液滴静置于待测超疏水固体表面的图像局部放大，其中，局部放大区域为待测超疏水表面及液滴的接触平面和待测超疏水表面、液滴、空气的接触点区域，根据局部放大的图像，确定所述液滴的轮廓线和所述液滴与待测超疏水固体表面的基线；根据局部放大的图像，确定所述液滴轮廓线、基线和交点为三相接触点。
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