CN111239005B - 一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的试验装置及方法，试验装置包括底座、图像捕捉系统、样品台、进样注射系统、测力传感系统及图像处理终端，样品台通过三维移动平台安装在底座上；进样注射系统包括进样支座和安装在进样支座上的针管及注射器，针管为折形针管，通过十字轴安装在进样支座上下，所述测力传感系统用于测量针管下端沿着主运动方向的偏转力和竖直方向的拉力，所述图像捕捉系统包括两个拍摄模块，其中一个水平的安装在底座上，另一个垂直的安装在进样支座上，分别对样品台侧视和俯视拍摄，本发明可同时测量固液接触作用力和接触面积，可以直观、方便地表征液固的相互作用，以探究液固界面的相互作用规律等。

Description

一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的试验装置 及方法
技术领域
本发明属于固液界面测量技术领域，涉及一种接触测量装置，具体涉及一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的试验装置及方法。
背景技术
固-液接触角、液-液界面张力以及液-气表面张力值等基本指标是衡量液体对固体材料表面润湿性能的基本参数。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。接触角值是由材料本身固有性质、化学异构性、表面物理结构、表面清洁度等各种因素综合决定的一个指标。实验发现固液接触面积与固液摩擦及黏附有相关联系。由于传统的接触角测量仪只能测量液体对固体材料表面的润湿性能，无法准确测量固液摩擦过程中的固液体摩擦力、黏附力以及固液接触面积在测试过程中的变化，也无法做到实时监测并对比接触角、固液体摩擦力、固液接触面积与材料特性的相关联系。
发明内容
本发明所要解决的问题是：一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的测量装置，它提供了一种直接研究液固体接触摩擦力、黏附力和液固动态接触面积的同步性问题的测试方法，来开发液-固体相互作用的新研究方向。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的试验装置，其特征在于；包括底座和安装在底座上的图像捕捉系统、样品台、进样注射系统、测力传感系统及图像处理终端，所述样品台通过三维移动平台安装在底座上，三维移动平台的一个运行方向为主运动方向，所述样品台用于放置待测量的固定样品；所述进样注射系统包括进样支座和安装在进样支座上的针管及注射器，所述进样支座通过升降装置安装在底座上，所述针管为折形针管，针管一端通过十字轴安装在进样支座通上，另一端向前延伸到样品台上方并向下弯折，形成竖直段，所述测力传感系统用于测量针管上下方向偏转力和沿主运动方向的偏转力，所述图像捕捉系统包括两个拍摄模块，其中一个拍摄模块通过支架安装在底座上，拍摄方向与主运动方向垂直，另一个拍摄模块安装在进样支座上，拍摄方向为俯视样品台方向。
进一步地，所述针管与十字轴的竖直轴一体化制作，即针管为阶梯型，包括中部的水平段和位于两端的竖直段，其中向下的竖直段作为针管的进样末端，向上的竖直段作为十字轴的竖直轴通过转动副安装在十字轴的水平轴上，所述十字轴的水平轴通过转动副安装在进样支座上，所述测力传感系统包括分别安装在水平轴和竖直轴处的扭力传感器，两个扭力传感器分别用于测量水平轴和竖直轴的转动扭力，从而转换为针管的进样末端的上下运动和沿主运动方向的接触力。
进一步地，所述背景光源为平板光源，具体为采用亮度可调的LED平行光源。
进一步地，所述三维移动平台为X、Y和Z三个方向的平移机构结合而成的三维移动平台，其中Y方向为主运动方向，Z方向为垂直升降方向；所述三维移动平台的XYZ三向运动速度为0.01毫米～20毫米每秒。
进一步地，所述针管的进样末端设有增加与液滴结合力的膨大段。
进一步地，所述针管单次进样液滴大小为0.1微升～50微升。
7.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于；进一步地，所述拍摄模块为CCD单元，两个CCD单元捕捉的图像和视频通过图像处理终端进行处理。
一种利用上述试验装置测量液固接触法向黏附力与接触面积的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品放置在样品台上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：启动升降装置，通过升降装置控制针管以指定速度上升，同时开启两个拍摄模块，上方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品的相对运动，下方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品接触界面图像，直至液滴脱离样品表面或液滴与针管分离；
步骤三：所述液固接触法向黏附力的大小根据水平轴上的扭力传感器经过力矩换算得到，由图像处理终端自动测算或人工核算得到该运动过程的液固接触法向黏附力与接触面积随时间的变化曲线。
一种利用上述试验装置测量固体表面润湿性及液固接触摩擦力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品放置在样品台上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：启动三维移动平台的主运动方向，驱动样品台沿着Y方向与针管以指定速度发生相对运动，并在图像处理终端通过上方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品相对运动的视频，直到液滴与固体样品相对运动至设定位置或设定距离；
步骤三：根据所录制视频，在图像处理终端读取液滴在固体表面运动过程中前进角和后退角的变化特征；
步骤四：所述运动过程中液固界面摩擦力的大小通过竖直轴上的扭力传感器经过力矩换算得到，由图像处理终端自动测算或人工测算得到该运动过程液固界面摩擦力的变化曲线。
一种利用上述试验装置进行液固接触面积测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品固定在样品台上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：启动三维移动平台的主运动方向，驱动样品台沿着Y方向与针管以指定速度发生相对运动，同时在图像处理终端通过下方的拍摄模块拍摄针管拖动液滴在固体样品表面运动时的接触界面图像，直到液滴与固体样品相对运动至设定位置或设定距离；
步骤三：根据录制视频，由图像处理终端自动测算或人工测算得到液固接触面积在运动过程中的变化情况，进而分析得到液固相对摩擦运动中摩擦力和接触面积之间的关系。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的试验装置，本设备可以同步测量液体和样品之间的侧向摩擦力或法向黏附力以及测力过程中接触界面的变化，通过力传感器测量液体在固体表面侧向以及垂直方向的作用力，通过图像捕捉系统同步捕捉液体侧向以及液固接触界面的形貌。与现有技术相比，本发明更加直接、简便。同时本发明提供了一种直接研究液固体相对运动摩擦力和固液动态接触面积的同步性问题的测试方法，可用于表面工程材料领域开发固液体摩擦的新研究方向，为固液体摩擦的研究提供新的思路。
附图说明
图1为本发明试验装置的整体结构正视示意图。
图2为图像捕捉系统示意图。
图3为本发明试验装置的三维示意图。
图4为本发明针管和测力传感系统安装关系示意图。
图5为固液相对运动的摩擦力或接触面积与时间的关系曲线图。
图6针管末端局部放大示意图。
附图标记：1-底座，2-水平调节支架，201-调平底板，202-第一立柱，203-吊板，3-图像捕捉系统，301-遮光器，302-背景光源，303-第一CCD单元，304-第二CCD单元，305-图像捕捉导入部件，306-第二立柱，307-光源外壳，4-样品台，5-进样注射系统，501-针管，502-注射器，503-进样支座，504-连接支座，505-升降装置，506-俯仰关节，507-十字轴，508-膨大段，509-水平段，510-竖直段，511-水平轴，512-竖直轴，6-测力传感系统，61-第一扭力传感器，62-第二扭力传感器，7-三维移动平台，71-X向水平旋转丝杆调节架，72-Y向水平旋转丝杆调节架，73-Z向竖直旋转丝杆调节架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图所示，一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的试验装置，包括底座1和安装在底座1上的图像捕捉系统、样品台4、进样注射系统5、测力传感系统6及图像处理终端。
具体的如图1-图4所示，所述图像捕捉系统、样品台4、进样注射系统5、测力传感系统6及图像处理终端通过水平调节支架2安装在底座1上，所述水平调节支架2包括调平底板201、吊板3和两个第一立柱202，两个第一立柱202固定在底座1两端，所述调平底板201两端分别固定一个吊板3，两个吊板3顶部分别通过一个高度调节装置安装在两个第一立柱202上，通过高度调节装置可以调整调平底板201的水平度，该高度调节装置具体形式不限，可以采用但是不限比如安装在第一立柱202里面的丝杆螺母结构，当然该结构也并非本发明必要技术特征，只是一个提高该试验装置的适应能力的一个改进特征，没有该调平机构，本发明还是可以解决本发明的技术问题。
本发明所述样品台4通过三维移动平台7安装在底座1上，三维移动平台7的一个运行方向为主运动方向；所述样品台4上用于放置待测量的固定样品。
本发明进样注射系统5包括进样支座503和安装在进样支座503上的针管501及注射器502，所述进样支座503通过升降装置505安装在连接支座504上，所述连接支座504通过俯仰关节506安装在光源外壳307顶部，这样就省去了单独为注射系统设置支座，针管501顶部和注射器502通过软管相连，针管501下端位于样品台4正上方，所述针管501为折形针管501，针管501一端通过十字轴507安装在进样支座503通上，另一端向前延伸到样品台4上方并向下弯折，形成竖直段510，在本实施例中，所述针管501与十字轴507的竖直轴512一体化制作，即针管501为阶梯型，包括中部的水平段509和位于两端的竖直段510，其中向下的竖直段510作为针管501的进样末端，向上的竖直段510作为十字轴507的竖直轴512通过转动副安装在十字轴507的水平轴511上，所述十字轴507的水平轴511通过转动副安装在进样支座503上，所述测力传感系统6包括分别安装在水平轴511和竖直轴512处的扭力传感器，分别为第一扭力传感器61和第二扭力传感器62，其中第一扭力传感器61安装于针管501的竖直段510与水平轴511之间，用于测量针管501沿着主运动方向的接触力(力矩转换计算)，第二扭力传感器62安装于水平轴511与进样支座503之间，用于测量针管501的进样末端在竖直方向的接触力(力矩转换计算)，一般来说实际上无论是竖直轴512还是水平轴511的偏转量很小，因此可以近似定于无偏转时候的力矩，通过扭力传感器测量的扭力即可换算为针管501的进样末端与液滴之间的接触力。
所述图像捕捉系统包括两个拍摄模块，其中一个拍摄模块通过支架安装在底座1上，拍摄方向与主运动方向垂直，另一个拍摄模块安装在进样支座503上，拍摄方向为俯视样品台4方向，本发明通过设置折形的针管501，成功的将样品台4上方位置让开，为拍摄模块提供了拍摄空间，使得固液接触力和接触面同时测量成为可能。
所述针管501单次进样液滴大小为0.1微升～50微升，本实施例中升降装置505采用现有技术中成熟技术，包括但不限于丝杠螺母机构，具体可以采用高精度丝杠螺母机构。
所述图像捕捉系统包括背景光源302和两个平行的拍摄模块，其中一个拍摄模块和背景光源302分别安装于样品台4两侧的调平底板201上，另外一个拍摄模块俯视拍摄样品台4上的固定样品，本发明两个拍摄模块分别为第一CCD单元303、第二CCD单元304，所述第一CCD单元303和第二CCD单元304通过图像捕捉导入部件305与图像处理终端相连；所述第一CCD单元303通过第二立柱306安装在调平底板201上，通过第二立柱306调整第一CCD单元303的高度与样品台4高度相适应，第二CCD单元304设于样品台4的正上方，竖直的固定在针管501上方的进样支座503。
本发明背景光源302为平板光源，采用亮点可调的LED平行光源，具体，LED平行光源安装在光源外壳307内，光源外壳307靠近样品台4一侧还设有遮光器301，光源外壳307内还设有电气控制部件，可以控制LED平行光源的亮点和开关，均采用现有已知成熟技术，再次不再赘述。
作为一种优选的实施例，所述三维移动平台7为X、Y和Z三个方向的平移机构组合而成的三维移动平台7，其中Y方向为主运动方向，Z方向为垂直升降方向，所述三维移动平台7的XYZ三向运动速度为0.01毫米～20毫米每秒，本发明三维移动平台77为现有技术中常规的三维移动平台7，具体结构再次不再赘述，合成用的平移机构包括但不限于高精度丝杠螺母机构。
作为一种优选的实施例，如图6所示，所述针管501的进样末端设有增加与液滴结合力的膨大段508，以便增加针管501与液滴的结合力。
作为一种具体实施例，本发明图像处理终端可以集成在计算机里面。
需要说明的是本发明进样注射系统5的升降装置505为现有技术中成熟结构，比如丝杠螺母升降机构等等，在次不再赘述。
实施例1：
一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的测量装置，包括以下步骤：
(1)打开试验装置电源和计算机电源，启动图像处理终端。将固体试样放置于样品台44的载物区上，打开图像实时窗口；
(2)手动粗略调整运动调节系统的三维移动平台7，通过显示器观察摄像机成像。调整背景光源302的亮度并粗略聚焦，使液滴位于第二CCD单元304俯视拍摄的工作光路线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(3)调整第一CCD单元303的摄像机镜头、试样、背景光源302处于同一水平线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(4)观察实时窗口无虞后，控制进样注射系统5滴加4μl的去离子水到试样表面，手动调整样品台4的Z向运动使针管501插到液滴正中心位置；
(5)固定三维移动平台7的X、Z向运动调节架，将Y向运动调节电机设置速度为1mm/s和加速度为零的运动状态，运动距离为15mm；
(6)启动Y向运动的调节电机，打开图像处理终端对应的两个CCD的视频录制窗口，对刚性针管501拖动液滴在具有表面结构的通透性试样表面上的摩擦运动过程进行录制，保证刚性针管501和液滴始终在显示屏窗口内，直到距离终点停止，即可得到同步的侧向拖动视频和仰视的液固接触面积视频。
(7)分别对两个视频进行图像处理和数据结果记录，分析固液相对运动摩擦力与固液接触面积在数值上的定性和定量关系结果如图5中曲线8。
实施例2：
(1)打开试验装置电源和计算机电源，启动图像处理终端。将固体试样放置于样品台4的载物区上，打开图像实时窗口；
(2)手动粗略调整运动调节系统的三维移动平台7，通过显示器观察摄像机成像。调整背景光源302的亮度并粗略聚焦，使液滴位于第二CCD单元304俯视拍摄的工作光路线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(3)调整第一CCD单元303的摄像机镜头、试样、背景光源302处于同一水平线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(4)观察实时窗口无虞后，控制进样注射系统5滴加6μl的去离子水到试样表面，手动调整样品台4的Z向运动使刚性针管501插到液滴正中心位置；
(5)固定X、Z向运动调节架，将Y向运动调节电机设置速度为1mm/s和加速度为零的运动状态，运动距离为15mm；
(6)启动三维移动平台7的Y向运动调节电机，打开图像处理终端对应的两个CCD的视频录制窗口，对刚性针管501拖动液滴在具有表面结构的通透性试样表面上的摩擦运动过程进行录制，保证刚性针管501和液滴始终在显示屏窗口内，直到距离终点停止，即可得到同步的侧向拖动视频和仰视的液固接触面积视频。
(7)分别对两个视频进行图像处理和数据结果记录，分析固液相对运动摩擦力与固液接触面积在数值上的定性和定量关系结果如图5中曲线9。
实施例3：
(1)打开试验装置电源和计算机电源，启动图像处理终端。将固体试样放置于样品台4的载物区上，打开图像实时窗口；
(2)手动粗略调整运动调节系统的XYZ三向试样台调节架，通过显示器观察摄像机成像。调整背景光源302的亮度并粗略聚焦，使液滴位于第二CCD单元304俯视拍摄的工作光路线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(3)调整第一CCD单元303的摄像机镜头、试样、背景光源302处于同一水平线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(4)观察实时窗口无虞后，控制进样注射系统5滴加2μl的去离子水到试样表面，手动调整样品台4使带力传感器的针管501插到液滴正中心位置；
(5)固定三维移动平台7的X、Y、Z向运动调节架，将进样注射系统5的升降机构运动调节电机设置速度为0.5mm/s和加速度为零的运动状态，运动距离为5mm；
(6)启动进样注射系统5的升降装置505的运动调节电机，打开图像处理终端对应的两个CCD的视频录制窗口，对针管501带动液滴在具有表面结构的通透性试样表面上的升降运动过程进行录制，保证针管501和液滴始终在显示屏窗口内，直到距离终点停止，即可得到同步的法向黏附力大小和仰视的液固接触面积视频。
(7)分别对两个视频进行图像处理和数据结果记录，分析液体与样品之间的法向黏附力与固液接触面积在数值上的定性和定量关系。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的试验装置，其特征在于；包括底座和安装在底座上的图像捕捉系统、样品台、进样注射系统、测力传感系统及图像处理终端，所述样品台通过三维移动平台安装在底座上，三维移动平台的一个运行方向为主运动方向，所述样品台用于放置待测量的固定样品；所述进样注射系统包括进样支座和安装在进样支座上的针管及注射器，所述进样支座通过升降装置安装在底座上，所述针管为折形针管，针管一端通过十字轴安装在进样支座通上，另一端向前延伸到样品台上方并向下弯折，形成竖直段，所述测力传感系统用于测量针管上下方向偏转力和沿主运动方向的偏转力，所述图像捕捉系统包括背景光源和两个平行的拍摄模块，其中一个拍摄模块通过支架安装在底座上，拍摄方向与主运动方向垂直，另一个拍摄模块安装在进样支座上，拍摄方向为俯视样品台方向；所述测力传感系统包括分别安装在水平轴和竖直轴处的扭力传感器，两个扭力传感器分别用于测量水平轴和竖直轴的转动扭力，从而转换为针管的进样末端的上下运动和沿主运动方向的接触力。
2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于；所述针管与十字轴的竖直轴一体化制作，即针管为阶梯型，包括中部的水平段和位于两端的竖直段，其中向下的竖直段作为针管的进样末端，向上的竖直段作为十字轴的竖直轴通过转动副安装在十字轴的水平轴上，所述十字轴的水平轴通过转动副安装在进样支座上。
3.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于；所述背景光源为平板光源，具体为采用亮度可调的LED平行光源。
4.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于；所述三维移动平台为X、Y和Z三个方向的平移机构结合而成的三维移动平台，其中Y方向为主运动方向，Z方向为垂直升降方向；所述三维移动平台的XYZ三向运动速度为0.01毫米~20毫米每秒。
5.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于；所述针管的进样末端设有增加与液滴结合力的膨大段。
6.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于；所述针管单次进样液滴大小为0.1微升~50微升。
7.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于；所述拍摄模块为CCD单元，两个CCD单元捕捉的图像和视频通过图像处理终端进行处理。
8.一种利用权利要求2所述试验装置测量液固接触法向黏附力与接触面积的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品放置在样品台上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：启动升降装置，通过升降装置控制针管以指定速度上升，同时开启两个拍摄模块，上方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品的相对运动，下方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品接触界面图像，直至液滴脱离样品表面或液滴与针管分离；
步骤三：所述液固接触法向黏附力的大小根据水平轴上的扭力传感器经过力矩换算得到，由图像处理终端自动测算或人工核算得到该运动过程的液固接触法向黏附力与接触面积随时间的变化曲线。
9.一种利用权利要求1所述试验装置测量固体表面润湿性及液固接触摩擦力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品放置在样品台上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：启动三维移动平台的主运动方向，驱动样品台沿着Y方向与针管以指定速度发生相对运动，并在图像处理终端通过上方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品相对运动的视频，直到液滴与固体样品相对运动至设定位置或设定距离；
步骤三：根据所录制视频，在图像处理终端读取液滴在固体表面运动过程中前进角和后退角的变化特征；
步骤四：所述运动过程中液固界面摩擦力的大小通过竖直轴上的扭力传感器经过力矩换算得到，由图像处理终端自动测算或人工测算得到该运动过程液固界面摩擦力的变化曲线。
10.一种利用权利要求1所述试验装置进行液固接触面积测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品固定在样品台上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：启动三维移动平台的主运动方向，驱动样品台沿着Y方向与针管以指定速度发生相对运动，同时在图像处理终端通过下方的拍摄模块拍摄针管拖动液滴在固体样品表面运动时的接触界面图像，直到液滴与固体样品相对运动至设定位置或设定距离；
步骤三：根据录制视频，由图像处理终端自动测算或人工测算得到液固接触面积在运动过程中的变化情况，进而分析得到液固相对摩擦运动中摩擦力和接触面积之间的关系。
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