CN111257172A - 一种便携式液滴接触角快速检测装置和方法 - Google Patents

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叶尊忠
周奕男
王剑平
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Abstract

本发明公开了一种便携式液滴接触角快速检测装置和方法。遮光外壳设置在所述底座导轨上，光源和样品表面位于遮光外壳内，沿底座导轨上依次设于光源支架、升降平台、处理器支架，光源安装在底座导轨上并位于遮光外壳内，柔光板装在底座导轨的中部，柔光板旁设有升降平台，升降平台中心上放置样品表面，样品表面上有液滴；摄像头固定在处理器支架上，处理器支架上有处理器和显示屏。本发明的液滴接触角测量方法以及装置，具有自动化、快速检测、低成本、小体积便携的优点。

Description

一种便携式液滴接触角快速检测装置和方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其是涉及了一种便携式液滴接触角快速检测方法与装置，能够用于测量不同性质的液滴在固体表面上的接触角。
背景技术
各种材料的界面润湿特性在物理、生物、化学领域皆有相关研究。物体表面液滴接触角是表征各种材料界面润湿性质的重要参数。
如在工业生产领域中，常用测量晶片表面液滴接触角的方式来判断晶片的洁净度。传统的接触角检测设备通常与计算机等较大型计算设备相连、不可移动，并且造价高昂、测量速度慢。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足和缺点，提供一种基于嵌入式处理模块的低成本便携式液滴接触角快速检测方法与相应测量装置。
本发明设计了一种嵌入式的液滴接触角测量系统，直接在本地进行图像处理与运算，无需外接计算机等其他计算设备，具有体积小、成本低、便于携带、快速测量的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案主要包含：
一、一种便携式液滴接触角快速检测装置：
装置包括底座导轨、遮光外壳、LED光源、柔光板、升降平台、样品表面、处理器、摄像头和显示屏；遮光外壳设置在所述底座导轨上，光源和样品表面位于遮光外壳内，沿底座导轨上依次设于光源支架、升降平台、处理器支架，光源通过光源支架安装在底座导轨的一侧上并位于遮光外壳内，光源可调整上下位置地安装在光源支架上；柔光板固定安装在底座导轨的中部，柔光板旁设有升降平台，升降平台中心上放置样品表面，样品表面中心为液滴；摄像头固定在处理器支架朝向光源支架的一侧，处理器支架上安装有处理器和显示屏，摄像头经处理器和显示屏连接。
所述的显示屏固定在处理器上。
所述的底座导轨与遮光外壳使用磁吸方式连接。
所述的光源支架、升降平台和处理器支架均可水平调整位置地设置在底座导轨上。
所述的光源选用三色合成的白光LED。
二、一种应用于上述装置的液滴接触角检测方法：
光源向柔光板发出水平光束，透射过柔光板后照射到样品表面上的液滴，摄像头拍摄采集样品表面上的液滴图像后发送到处理器进行分析处理，获得液滴的接触角；
1)自动选择处理图像区域，包括依次进行的图像直方图均衡化和图像二值化处理，这样能降低处理器的运算量，提高运算速度；
图像直方图均衡化，增强图像，使得黑色与白色边缘更加分明；
图像二值化，黑白双色，便于进行形状检测。
2)对图像进行基于霍夫变换的圆形检测，检测获得圆形轮廓作为液滴轮廓，获取半径r、圆心位置参数；
3)对图像中的液滴进行基于色块检测的宽度测量(即该色块在x轴上的投影长度)，获得色块宽度液滴圆弧的弦长度d；
4)采用以下公式计算液滴接触角θ：
Figure RE-GDA0002469207520000021
所述的摄像头以水平角度居中拍摄采集样品表面上的液滴图像。
本发明测量时，利用摄像头采集液滴图像，传输至处理器模块；处理器使用边缘检测、二值化、色块检测测量液滴截面弦长、霍夫变换寻找液滴几何轮廓等方法计算液滴接触角，最终将计算结果传输至显示屏模块向外界呈现。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明实现了固体表面液滴接触角的自动化快速检测，操作简单便捷；
2、本发明与市面上常见产品相比，制造成本大大降低；
3、本发明与市面上常见产品相比，结构简单，体积较小，有较好的便携性能，适用于需要现场检测的场景。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明的电路模块连接示意图。
图3为本发明的图像处理流程图。
图4为本发明的检测流程图。
图中：底座导轨1，遮光外壳2，光源支架3，LED光源4，柔光板5，升降平台6，样品表面7，液滴8，处理器9，摄像头10，处理器支架11，LCD液晶显示屏12。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，具体实施包括底座导轨1、遮光外壳2、LED光源4、柔光板 5、升降平台6、样品表面7、处理器9、摄像头10和显示屏12；遮光外壳2设置在底座导轨1上，底座导轨1与遮光外壳2使用磁吸方式连接固定，光源4 和样品表面7位于遮光外壳2内，沿底座导轨1上依次设于光源支架3、升降平台6、处理器支架11，光源支架3、升降平台6和处理器支架11均可水平调整位置地设置在底座导轨1上。光源4通过光源支架3安装在底座导轨1的一侧上并位于遮光外壳2内，光源4可调整上下位置地安装在光源支架3上；柔光板5固定安装在底座导轨1的中部，柔光板5旁设有升降平台6，升降平台6中心上放置样品表面7，样品表面7中心为液滴8；摄像头10固定在处理器支架 11朝向光源支架3的一侧，处理器支架11上安装有处理器9和显示屏12，摄像头10经处理器9和显示屏12连接。
光源4向柔光板5发出水平光束，透射过柔光板5后照射到样品表面7上的液滴8，摄像头10拍摄采集样品表面7上的液滴8图像后发送到处理器9进行分析处理。遮光外壳2、底座导轨1、光源4、升降平台、摄像头、处理器共同组成检测装置，检测结果传输至显示屏12显示。
具体实施中，显示屏12固定在处理器上。优选地，显示屏12选用OpenMV LCDshield。优选地，光源4选用三色合成的白光LED。
如图3所示，该方法按如下步骤进行：
打开装置电源：LED灯亮、显示屏显示处理画面，LED亮度和颜色可以根据检测环境进行适当调整，使所获得图像背景更亮，使得图像中液滴边缘清晰，便于后续图像处理。
将待测样品7置于升降台6上；调整升降台位置使待测平面位于显示屏图像中央：使获得的图像中液滴边角大小真实、不变形；添加液滴8：使用移液枪、注射器等工具将液滴滴在平面上。
光源4向柔光板5发出水平光束，透射过柔光板5后照射到样品表面7上的液滴8，摄像头10拍摄采集样品表面7上的液滴8图像后发送到处理器9进行分析处理，获得液滴8的接触角。图像处理如图3所示，具体如下：
1)自动选择处理图像区域，包括依次进行的图像直方图均衡化和图像二值化处理，这样能降低处理器的运算量，提高运算速度；
图像直方图均衡化，增强图像，使得黑色与白色边缘更加分明；
图像二值化，黑白双色，便于进行形状检测。
3)对图像中的液滴8进行基于色块检测的宽度测量(即该色块在x轴上的投影长度)，获得色块宽度液滴8圆弧的弦长度d；
4)采用以下公式计算液滴接触角θ：
Figure RE-GDA0002469207520000041
上述具体实施方式是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改版，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种便携式液滴接触角快速检测装置，其特征在于：包括底座导轨(1)、遮光外壳(2)、LED光源(4)、柔光板(5)、升降平台(6)、样品表面(7)、处理器(9)、摄像头(10)和显示屏(12)；遮光外壳(2)设置在所述底座导轨(1)上，光源(4)和样品表面(7)位于遮光外壳(2)内，沿底座导轨(1)上依次设于光源支架(3)、升降平台(6)、处理器支架(11)，光源(4)通过光源支架(3)安装在底座导轨(1)的一侧上并位于遮光外壳(2)内，光源(4)可调整上下位置地安装在光源支架(3)上；柔光板(5)固定安装在底座导轨(1)的中部，柔光板(5)旁设有升降平台(6)，升降平台(6)中心上放置样品表面(7)，样品表面(7)中心为液滴(8)；摄像头(10)固定在处理器支架(11)朝向光源支架(3)的一侧，处理器支架(11)上安装有处理器(9)和显示屏(12)，摄像头(10)经处理器(9)和显示屏(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种便携式液滴接触角快速检测装置，其特征在于：所述的显示屏(12)固定在处理器上。
3.根据权利要求1所述的一种便携式液滴接触角快速检测装置，其特征在于：所述的底座导轨(1)与遮光外壳(2)使用磁吸方式连接。
4.根据权利要求1所述的一种便携式液滴接触角快速检测装置，其特征在于：所述的光源支架(3)、升降平台(6)和处理器支架(11)均可水平调整位置地设置在底座导轨(1)上。
5.根据权利要求1所述的一种便携式液滴接触角快速检测装置，其特征在于：所述的光源(4)选用三色合成的白光LED。
6.一种应用于权利要求1所述装置的液滴接触角检测方法，其特征在于：
该方法包括：光源(4)向柔光板(5)发出水平光束，透射过柔光板(5)后照射到样品表面(7)上的液滴(8)，摄像头(10)拍摄采集样品表面(7)上的液滴(8)图像后发送到处理器(9)进行分析处理，获得液滴(8)的接触角，具体按照以下步骤进行：
1)自动选择处理图像区域，包括依次进行的图像直方图均衡化和图像二值化处理；
2)对图像进行基于霍夫变换的圆形检测，检测获得圆形轮廓作为液滴(8)轮廓，获取半径r、圆心位置参数；
3)对图像中的液滴(8)进行基于色块检测的宽度测量，获得色块宽度液滴(8)圆弧的弦长度d；
4)采用以下公式计算液滴接触角θ：
Figure FDA0002339382190000021
7.根据权利要求6所述装置的液滴接触角检测方法，其特征在于：
所述的摄像头(10)以水平角度拍摄采集样品表面(7)上的液滴(8)图像。
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