CN110579428A - 一种液滴接触角的测量计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴接触角的测量计算方法，包括如下步骤：将质量为M、密度为ρ的液滴滴在水平放置的透明的载片上；获取所述液滴在所述载片上的正投影图像，并测量所述正投影图像的半径，记为r；比较M与的大小；若则通过等式计算出H的数值，其中，V所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角若通过等式以及R＝r计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，R为所述液滴所在球体的半径，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角所述测量计算方法省去繁杂的成本高昂的水平调节平台，最重要的是，在液滴较小或是液滴的反射率低的情况下，也能得出准确可靠的测量计算结果。

Description

一种液滴接触角的测量计算方法及装置

技术领域

本发明涉及表征界面湿润性质的测量技术领域，具体涉及一种液滴接触角的测量计算方法及装置。

背景技术

当液体与固体接触时，液体会沿着固体表面向外扩展，同时系统中原来的固气界面和液气界面逐渐的被新的固液界面取代，这一过程称为润湿。液体对固体表面润湿的程度称为固体表面的润湿性。

润湿性是固体表面的重要特性之一，在工农业生产和人们日常生活中发挥着重要的作用，比如石油开采、农药喷洒以及织物防水与洗涤等。表面润湿性主要取决于固体表面粗糙度和表面自由能，其大小通常由液滴与固体表面的接触角来衡量。在平衡状态下，在固体、液体和气体三相交界处分别做固体和液体表面的切线，两条切线在液体内部所形成的夹角为接触角。

传统的接触角测量方法中液饼高度法与球冠测量法使用较为普遍。其中，液饼高度法是对置于固体平面上液滴不断增加液量，直到液滴只增加固液接触面的面积而不在增加高度，形成液饼；球冠测量法是取微量液滴置于固体表面形成理想的球冠形；但在实际操作中很难形成理想的液饼或球冠状，导致测量结果不够准确。

随着数码相机的普及和分辨率的提高，根据拍得液滴图像而计算接触角的方法越来越多的被采用，其测量过程是，对液滴进行拍摄获取液滴的图像，然后在得到的液滴的图像上获得液滴边缘后再使用多项式拟合获得气、液、固交界处曲线方程，其中液、固交界处(液滴与样品的交界面)作为基线，气、液交界处(液滴与空气的交界面)拟合形成液滴边缘曲线，根据液滴边缘曲线和基线即可方便得到接触角。它所需液滴量少、实验操作简单，后期采用计算机拟合液滴表面轮廓，大大提高了测量的精度。但也存在一定局限性，这种测量方法的特点是沿样品表面水平方向直接取景，当液滴较小或液滴反射率低时，无法提供足够的光线反射，液滴边缘成像将出现较大误差，使得最终测量误差将成倍增长。再有，对液滴进行拍摄时要求拍摄镜头与液滴严格保持水平，需要精密的成本高昂的水平调节平台和熟练的操作技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺点，提供一种液滴接触角的测量计算方法及装置，所述测量计算方法或装置可根据液滴与载片的接触面的半径和液滴的质量直接计算出接触角的大小，省去繁杂的成本高昂的水平调节平台，最重要的是，在液滴较小或是液滴的反射率低的情况下，也能得出准确可靠的测量计算结果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种液滴接触角的测量计算方法，其特征在于，所述测量计算方法包括如下步骤：

将质量为M、密度为ρ的液滴滴在水平放置的透明的载片上；

获取所述液滴在所述载片上的正投影图像，并测量所述正投影图像的半径，记为r；

比较M与的大小；

若则通过等式计算出H的数值，其中，V所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角

若通过等式以及R＝r计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，R为所述液滴所在球体的半径，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角

本发明提供的液滴接触角的测量计算方法中，所述的“将质量为M、密度为ρ的液滴滴在水平放置的透明的载片上”步骤包括：

利用液滴注射模块在称量模块上滴加N滴密度为ρ的液滴，所述称量模块测得N滴所述滴液的质量为M；

利用所述液滴注射模块在水平放置的透明的载片滴加N滴所述滴液。

本发明提供的液滴接触角的测量计算方法中，所述液滴与所述载片的正投影图像是通过图像采集模块获取的，所述图像采集模块包括图像传感器、远心镜头和反射镜。

本发明提供的液滴接触角的测量计算方法中，所述远心镜头与水平面平行地安装于所述图像传感器，所述反射镜布置于所述载片的正下方，所述反射镜具有一个与水平面呈45°夹角的反射面。

本发明提供的液滴接触角的测量计算方法中，所述称重模块的底部连接一隔振模块。

相应的，本发明还提供了一种液滴接触角的测量计算装置，所述测量计算装置包括液滴注射模块、水平放置的透明的载片、图像采集模块和计算模块；其中，

所述液滴注射模块用于将质量为M、密度为ρ的液滴滴在所述载片上；

所述图像采集模块用于获取所述液滴在所述载片上的正投影图像，并测量所述正投影图像的半径，记为r；

所述计算模块用于比较M与的大小；

所述计算模块还用于在时，通过等式计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角

所述计算模块还用于在时，通过等式以及R＝r计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，R为所述液滴所在球体的半径，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角

本发明提供的液滴接触角的测量计算装置中，所述测量计算装置还包括称重模块；所述液滴注射模块用于先后在所述称重模块上和所述载片上滴加N滴密度为ρ的液滴；所述称重模块用于测量N滴所述液滴的质量，记为为M。

本发明提供的液滴接触角的测量计算装置中，所述图像采集模块包括图像传感器、远心镜头和反射镜。

本发明提供的液滴接触角的测量计算装置中，所述远心镜头与水平面平行地安装于所述图像传感器，所述反射镜具有一个与水平面呈45°夹角的反射面，所述反射面位于所述载片的下方和所述远心镜头的前方。

本发明提供的液滴接触角的测量计算装置中，所述称重模块的底部连接一隔振模块。

与现有技术相比，实施本发明提供的液滴接触角的测量计算方法，具有如下有益效果：所述测量计算方法包括如下步骤：将质量为M、密度为ρ的液滴滴在水平放置的透明的载片上；获取所述液滴在所述载片上的正投影图像，并测量所述正投影图像的半径，记为r；比较M与的大小；若则通过等式计算出H的数值，其中，V所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角若通过等式以及R＝r计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，R为所述液滴所在球体的半径，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角如此，所述测量计算方法省去繁杂的成本高昂的水平调节平台，最重要的是，在液滴较小或是液滴的反射率低的情况下，也能得出准确可靠的测量计算结果。

附图说明

图1为当时所述液滴与所述载片之间的接触角的示意图；

图2为当时所述液滴与所述载片之间的接触角的示意图；

图3为本发明第二实施例的结构示意图。

具体实施方式中的附图标号说明：

液滴注射模块	1	称重模块	2
				载片	3	隔振模块	4
图像传感器	5	远心镜头	6
				反射镜	7	轨道	8
底座	9

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种液滴接触角的测量计算方法，所述测量计算方法包括如下步骤：

步骤S1、将质量为M、密度为ρ的液滴滴在水平放置的透明的载片3上。本实施例中，所述步骤S1是分为步骤S11和步骤S12这两个步骤来实施的。所述步骤S11为利用液滴注射模块1在称量模块上滴加N滴密度为ρ的液滴，所述称量模块测得N滴所述滴液的质量为M。所述步骤S12为利用所述液滴注射模块1在水平放置的透明的载片3滴加N滴所述滴液。具体的，N是大于等于1的自然数，例如，可以是1、2、3、4等等。所述液滴注射模块1是喷射阀，其单点体积在uL级别，且每次滴出的液滴的体积都是一致的，因此利用所述液滴注射模块1在所述称量模块和所述载片3上滴加相同数量的液滴可以保证所述称量模块上的液滴的质量等于所述载片3上的液滴的质量。为了能够精确的称量出N滴所述液滴的质量，本实施例中的所述称量模块采用的是电子微量称重仪，可用于测量mg级的质量。而且，所述称重模块2的底部连接一隔振模块4，以减少外界对所述称重模块2称量准确度的影响。

步骤S2、获取所述液滴在所述载片3上的正投影图像，并测量所述正投影图像的半径，记为r。本实施例中，所述液滴在所述载片3上的正投影图像是通过图像采集模块获取的，所述图像采集模块包括图像传感器5、远心镜头6和反射镜7。所述远心镜头6与水平面平行地安装于所述图像传感器5，所述反射镜7布置于所述载片3的正下方，所述反射镜7具有一个与水平面呈45°夹角的反射面。具体的，所述图像传感器5采用的是CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合元件)，在所述图像传感器5上安装所述远心镜头6可以避免由于距离产生的图像视差误差，所述载片3与所述图像传感器5发出的感应光是平行的，所述图像传感器5发出的感应光经过所述远心镜头6与水平面平行地照射在所述反射镜7的反射面上，经所述反射面反射后与水平面垂直的照射在所述载片3上，从而获取到所述液滴在所述载片3上的正投影图像。

步骤S3、比较M与的大小。本实施例中，所述步骤S3由计算模块完成，所述计算模块可以是个人电脑或是其他具有数据运算处理能力的设备。我们可以将M的数值、r的数值和ρ的数值输入到所述计算模块，所述计算模块即可完成比较M与的大小的步骤。

步骤S4、若则通过等式计算出H的数值，其中，V所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，计算出所述液滴与所述载片3之间的接触角具体的，当时表明所述液滴与所述载片3之间的接触角小于90°，参见图1，图1为当时所述液滴与所述载片3之间的接触角的示意图，在图1中，点A为所述液滴的轮廓线与所述载片3的轮廓线的交点，直线L1经过点A且与所述液滴的轮廓线相切，点B为所述液滴所在的球体的垂直于所述载片3的半径与所述载片3的交点，点O为所述液滴所在的球体的球心。那么所述液滴的体积V可以采用球缺的体积公式表示，同时也可以用质量除以密度来表示，从而我们可以得到等式显然的，我们可以通过上述等式计算出H的数值。所述液滴与所述载片3之间的接触角θ＝∠AOB，从图1中不难得出式中R为所述液滴所在的球体的半径，又因为我们从图1中可以得知所以我们可以得从而得出也即从而得出接触角出本实施例中，所述步骤S4同样由所述计算模块完成。

步骤S5、若通过等式以及R＝r计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，R为所述液滴所在球体的半径，计算出所述液滴与所述载片3之间的接触角具体的，当时表明所述液滴与所述载片3之间的接触角大于90°，参见图2，图2为当时所述液滴与所述载片3之间的接触角的示意图，在图2中，点E为所述液滴的轮廓线与所述载片3的轮廓线的交点，直线L2经过所述点E且与所述液滴的轮廓线相切，点D为所述液滴所在的球体的垂直于所述载片3的半径与所述载片3的交点，点C为所述液滴所在的球体的球心。那么所述液滴的体积V可以采用所述液滴所在的球体的体积减去可与所述液滴构成一个完整的球体的球缺的体积来表示，同时也可以用质量除以密度来表示，从而我们可以得到等式又当时表明所述液滴与所述载片3之间的接触角大于90°，也就是说所述液滴的体积大于所述液滴所在的球体的体积的二分之一，显然，此时所述液滴在所述载片3上的正投影图像的半径r即为所述液滴所在的球体的半径R，也即此时R＝r，通过上述两个等式，我们可以计算得出H的数值。如图2所示，所述液滴与所述载片3之间的接触角θ＝180°-α，α又与∠ECD相等，从图2中不难得出那么接触角出本实施例中，所述步骤S5同样由所述计算模块完成。

综上所述，按照本实施例提供的液滴接触角的测量计算方法，只需要测量液滴与载片3的接触面的半径和液滴的质量即可直接计算出接触角的大小。省去了现有的接触角的测量方法中用到的繁杂的成本高昂的水平调节平台，最重要的是，在液滴较小或是液滴的反射率低的情况下，也能得出准确可靠的测量计算结果。

实施例二

本实施例提供了一种液滴接触角的测量计算装置，参加图3，所述测量计算装置包括液滴注射模块1、称重模块2、隔振模块4、水平放置的透明的载片3、图像采集模块、计算模块和底座9。所述图像采集模块包括图像传感器5、远心镜头6和反射镜7，所述远心镜头6与水平面平行地安装于所述图像传感器5。所述隔振模块4、所述反射镜7和所述图像传感器5均布置在所述底座上，所述反射镜7置于所述隔振模块4与所述图像传感器5之间，所述称重模块2连接固定于所述隔振模块4的上侧，所述载片3布置在所述反射镜7的上方，所述载片3的上表面与所述称重模块2的上表面位于同一水平面上，所述液滴注射模块1可水平移动地安装于位于所述称重模块2和所述载片3上方的轨道上，所述液滴注射模块1的液滴出口竖直朝下。

所述液滴注射模块1用于先后在所述称重模块2上和所述载片3上滴加N滴密度为ρ的液滴；所述称重模块2用于测量N滴所述液滴的质量，记为为M。具体的，N是大于等于1的自然数，例如，可以是1、2、3、4等等。所述液滴注射模块1是喷射阀，其单点体积在uL级别，且每次滴出的液滴的体积都是一致的，因此利用所述液滴注射模块1在所述称量模块和所述载片3上滴加相同数量的液滴可以保证所述称量模块上的液滴的质量等于所述载片3上的液滴的质量。为了能够精确的称量出N滴所述液滴的质量，本实施例中的所述称量模块采用的是电子微量称重仪，可用于测量mg级的质量。而且，所述称重模块2的底部连接一隔振模块4，以减少外界对所述称重模块2称量准确度的影响。

所述图像采集模块包括图像传感器5、远心镜头6和反射镜7。所述远心镜头6与水平面平行地安装于所述图像传感器5，所述反射镜7布置于所述载片3的正下方，所述反射镜7具有一个与水平面呈45°夹角的反射面。具体的，所述图像传感器5采用的是CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合元件)，在所述图像传感器5上安装所述远心镜头6可以避免由于距离产生的图像视差误差，所述载片3与所述图像传感器5发出的感应光是平行的，所述图像传感器5发出的感应光经过所述远心镜头6与水平面平行地照射在所述反射镜7的反射面上，经所述反射面反射后与水平面垂直的照射在所述载片3上，从而获取到所述液滴与所述载片3的接触面的正视图。

所述计算模块可以是个人电脑或是其他具有数据运算处理能力的设备。所述计算模块用于根据M的数值、r的数值和ρ的数值计算出所述液滴与所述载片3之间的接触角。

下面详细说明使用所述测量计算装置测量液滴与所述载片3的接触角的过程。

1)利用液滴注射模块1在称量模块上滴加N滴密度为ρ的液滴，所述称量模块测得N滴所述滴液的质量为M。

2)利用所述液滴注射模块1在水平放置的透明的载片3滴加N滴所述滴液。

3)开启所述图像传感器5从而获取所述液滴在所述载片3上的正投影图像，并测量所述正投影图像的半径，记为r。

3)所述计算模块比较M与的大小。

4)若所述计算模块则通过等式计算出H的数值，其中，V所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，计算出所述液滴与所述载片3之间的接触角具体的，当时表明所述液滴与所述载片3之间的接触角小于90°，参见图1，图1为当时所述液滴与所述载片3之间的接触角的示意图，在图1中，点A为所述液滴的轮廓线与所述载片3的轮廓线的交点，直线L1经过点A且与所述液滴的轮廓线相切，点B为所述液滴所在的球体的垂直于所述载片3的半径与所述载片3的交点，点O为所述液滴所在的球体的球心。那么所述液滴的体积V可以采用球缺的体积公式表示，同时也可以用质量除以密度来表示，从而我们可以得到等式显然的，我们可以通过上述等式计算出H的数值。所述液滴与所述载片3之间的接触角θ＝∠AOB，从图1中不难得出式中R为所述液滴所在的球体的半径，又因为我们从图1中可以得知所以我们可以得从而得出也即从而得出接触角

5)若所述计算模块则通过等式以及R＝r计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，R为所述液滴所在球体的半径，计算出所述液滴与所述载片3之间的接触角具体的，当时表明所述液滴与所述载片3之间的接触角大于90°，参见图2，图2为当时所述液滴与所述载片3之间的接触角的示意图，在图2中，点E为所述液滴的轮廓线与所述载片3的轮廓线的交点，直线L2经过所述点E且与所述液滴的轮廓线相切，点D为所述液滴所在的球体的垂直于所述载片3的半径与所述载片3的交点，点C为所述液滴所在的球体的球心。那么所述液滴的体积V可以采用所述液滴所在的球体的体积减去可与所述液滴构成一个完整的球体的球缺的体积来表示，同时也可以用质量除以密度来表示，从而我们可以得到等式又当时表明所述液滴与所述载片3之间的接触角大于90°，也就是说所述液滴的体积大于所述液滴所在的球体的体积的二分之一，显然，此时所述液滴在所述载片3上的正投影图像的半径r即为所述液滴所在的球体的半径R，也即此时R＝r，通过上述两个等式，我们可以计算得出H的数值。如图2所示，所述液滴与所述载片3之间的接触角θ＝180°-α，α又与∠ECD相等，从图2中不难得出那么接触角

综上所述，使用本实施例提供的液滴接触角的测量计算装置测量接触角的过程中，只需要测量液滴与载片3的接触面的半径和液滴的质量即可直接计算出接触角的大小。省去了现有的接触角的测量装置中的繁杂的成本高昂的水平调节平台，最重要的是，在液滴较小或是液滴的反射率低的情况下，也能得出准确可靠的测量计算结果。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液滴接触角的测量计算方法，其特征在于，所述测量计算方法包括如下步骤：

将质量为M、密度为ρ的液滴滴在水平放置的透明的载片上；

获取所述液滴在所述载片上的正投影图像，并测量所述正投影图像的半径，记为r；

比较M与的大小；

若则通过等式计算出H的数值，其中，V所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角

若通过等式以及R＝r计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，R为所述液滴所在球体的半径，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角

2.根据权利要求1所述的液滴接触角的测量计算方法，其特征在于，所述的“将质量为M、密度为ρ的液滴滴在水平放置的透明的载片上”步骤包括：

利用液滴注射模块在称量模块上滴加N滴密度为ρ的液滴，所述称量模块测得N滴所述滴液的质量为M；

利用所述液滴注射模块在水平放置的透明的载片滴加N滴所述滴液。

3.根据权利要求1所述的液滴接触角的测量计算方法，其特征在于，所述液滴与所述载片的正投影图像是通过图像采集模块获取的，所述图像采集模块包括图像传感器、远心镜头和反射镜。

4.根据权利要求3所述的液滴接触角的测量计算方法，其特征在于，所述远心镜头与水平面平行地安装于所述图像传感器，所述反射镜布置于所述载片的正下方，所述反射镜具有一个与水平面呈45°夹角的反射面。

5.根据权利要求1所述的液滴接触角的测量计算方法，其特征在于，所述称重模块的底部连接一隔振模块。

6.一种液滴接触角的测量计算装置，其特征在于，所述测量计算装置包括液滴注射模块、水平放置的透明的载片、图像采集模块和计算模块；其中，

所述液滴注射模块用于将质量为M、密度为ρ的液滴滴在所述载片上；

所述图像采集模块用于获取所述液滴在所述载片上的正投影图像，并测量所述正投影图像的半径，记为r；

所述计算模块用于比较M与的大小；

所述计算模块还用于在时，通过等式计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角

所述计算模块还用于在时，通过等式以及R＝r计算出H的数值，其中，V为所述液滴的体积，H为所述液滴的高度，R为所述液滴所在球体的半径，计算出所述液滴与所述载片之间的接触角

7.根据权利要求6所述的液滴接触角的测量计算装置，其特征在于，所述测量计算装置还包括称重模块；所述液滴注射模块用于先后在所述称重模块上和所述载片上滴加N滴密度为ρ的液滴；所述称重模块用于测量N滴所述液滴的质量，记为为M。

8.根据权利要求6所述的液滴接触角的测量计算装置，其特征在于，所述图像采集模块包括图像传感器、远心镜头和反射镜。

9.根据权利要求8所述的液滴接触角的测量计算装置，其特征在于，所述远心镜头与水平面平行地安装于所述图像传感器，所述反射镜具有一个与水平面呈45°夹角的反射面，所述反射面位于所述载片的下方和所述远心镜头的前方。

10.根据权利要求6所述的液滴接触角的测量计算装置，其特征在于，所述称重模块的底部连接一隔振模块。