CN113203662A - 一种接触角测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接触角测量装置，包括光源、容器、光电探测器、气泡产生单元、处理单元和温度控制器，容器包括相对的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁由透光材料制成，容器内部充满透光的液体，光源为单色光源，光源发出的单色光透过第一侧壁并以全反射角或大于全反射角入射至第一侧壁与液体的交界面，气泡产生单元用于产生一与第一侧壁内表面接触的气泡，光电探测器的探测面密封穿设过第二侧壁而与液体接触，用于探测单色光透过液体的光强分布情况，光电探测器的输出端接处理单元，温度控制器用于控制容器和液体的温度。本发明实现透光液体与透光固体表面接触角的测量，可以有效解决通过拍摄图像计算所引起的误差和图像像素带来的误差，精准度高。

Description

一种接触角测量装置
技术领域
本发明属于接触角测量领域，具体地涉及一种接触角测量装置。
背景技术
固体表面的润湿性在人工器官、生物材料等许多领域起着重要的作用。接触角是间接测量固体表面润湿性的重要方法。
目前对表面接触角的测量较多的是通过拍摄图像的方法对接触角进行分析，如公开专利：CN102507390A公开了一种憎水性时静态接触角检测方法，首先采集水珠图像，然后对水珠图像进行分析，对不同条件下的水珠选择指定的算法进行分析，最后求得接触角。公开专利：CN102507391A提供了一种亲水性时水珠静态接触角的检测方法，包括：获取水珠图像；选择圆拟合算法或者椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的估计值；根据水珠体积和计算出水珠静态接触角的估计值，选择圆拟合算法或者椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值。
现有的绝大多数接触角测量方法依赖于图像处理，由于光学限制，特别是在三相接触线附近，会存在固有的误差，虽然可以通过提高图像分辨率来减小接触角的误差，但这种误差不能完全消除，影响测量精准度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种接触角测量装置用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种接触角测量装置，包括光源、容器、光电探测器、气泡产生单元、处理单元和温度控制器，容器包括相对的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁由透光材料制成，容器内部充满透光的液体，光源为单色光源，光源发出的单色光透过第一侧壁并以全反射角或大于全反射角入射至第一侧壁与液体的交界面，气泡产生单元用于产生一与第一侧壁内表面接触的气泡，光电探测器的探测面密封穿设过第二侧壁而与液体接触，用于探测单色光透过液体的光强分布情况，光电探测器的输出端接处理单元，温度控制器用于控制容器和液体的温度。
进一步的，所述温度控制器采用半导体制冷片来实现。
进一步的，所述光源为LED光源。
进一步的，所述光电探测器为面阵CMOS光电探测器。
进一步的，还包括压力控制器，压力控制器用于调节容器的内部压力。
进一步的，所述气泡产生单元包括针头和气源，针头的进气端与气源连通，针头密封穿设过第一侧壁，针头的出气端位于第一侧壁的内侧。
进一步的，所述处理单元为电脑。
进一步的，还包括测试支架，光源和容器固定在测试支架上。
进一步的，所述容器为方形结构。
本发明的有益技术效果：
本发明可以实现透光液体与透光固体表面接触角的测量，可以有效解决现有测量接触角技术中通过拍摄图像计算所引起的误差和图像像素带来的误差，且测量过程中可以保持温度稳定，测量精准度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例的结构示意图；
图2为本发明具体实施例的部分结构剖视图；
图3为本发明的接触角示意图；
图4为本发明的倏逝波测量接触角原理示意图；
图5为本发明的不同接触角的倏逝波传播仿真图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1-3所示，一种接触角测量装置，包括光源2、容器1、光电探测器7、气泡产生单元、处理单元6和温度控制器100，容器1包括相对的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁由透光材料制成，本具体实施例中，整个容器1由同一透光材料制成，制造简单，易于实现，但并不限于此，在其它实施例中，也可以第一侧壁由透光材料，容器1的其它侧壁由不透光材料制成，避免外界环境光从其它侧壁投射进来造成干扰，进一步提高测量精准度。
本具体实施例中，容器1为方形结构，结构简单，易于测量操作，但并不限于此，在其它实施例中，容器1也可以是圆柱形、棱柱形等其它形状。
本具体实施例中，第一侧壁和第二侧壁分别为下侧壁11和上侧壁12(以图1为方向基准)，操作简便，但并不限于此，在其它实施例中，第一侧壁和第二侧壁也可以分别为上侧壁和下侧壁，或左右侧壁等。
容器1内部充满透光的液体3，光源2为单色光源，设置在容器1的第一侧壁11外面，本具体实施例中，光源2设置在容器1的下侧壁11下方，光源2发出的单色光21透过下侧壁11并以全反射角或大于全反射角入射至下侧壁11与液体3的交界面。当然，在其它实施例中，光源2也可以嵌设在下侧壁11内部，使得结构更紧凑。
本具体实施例中，光源2优选为LED光源，易于实现，成本低，使用寿命长，环保，但并不限于此，在其它实施例中，光源2也可以采用现有的其它单色光源来实现。
本具体实施例中，光源2为面光源，光斑面积可以覆盖整个下侧壁11，也可以只覆盖以气泡4为中心向外延伸一定距离的范围，从而减少光源2的尺寸，降低成本。
气泡产生单元用于产生一与下侧壁11内表面接触的气泡4，气泡4与下侧壁11的被单色光21照射的内表面接触。
本具体实施例实施例中，气泡产生单元包括针头5和气源(图中未示出)，针头5的进气端与气源连通，针头5密封穿设过下侧壁11，针头5的出气端位于下侧壁11的内侧，且靠近下侧壁11，从而针头5的出气端产生的气泡4会吸附在下侧壁11的内表面上。当然，在其它实施例中，针头5也可以穿过容器1的其它侧壁，只要其出气端靠近下侧壁11，从而针头5的出气端产生的气泡4会吸附在下侧壁11的内表面上即可。气源可以由气泵或气瓶来实现，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。
光电探测器7的探测面71密封穿设过上侧壁12而与液体3接触，用于探测单色光21透过液体3的光强分布情况(包括强度和空间分布)，光电探测器7的输出端接处理单元6。将光电探测器7的探测面71与液体3接触，可以避免经容器1壁造成二次散射光与二次折射光影响光强分布区域而影响测量精确度。
本具体实施例中，光电探测器7的探测面71嵌设在上侧壁12的内表面，且与上侧壁12的内表面平齐，结构更紧凑，且易于光电探测器7的防水设置，但并不限于此。
优选的，本实施例中，光电探测器7为面阵CMOS光电探测器，易于实现，成本低，但并不限于此，在其它实施例中，也可以是面阵CCD光电探测器等。
温度控制器100用于控制容器1和液体3的温度，避免测量过程由于单色光21的作用使容器1的下侧壁11和液体3温度升高，保持测量过程中温度的稳定，提高测量精准度。
温度控制器100可以采用半导体制冷片来实现，当温度升高时，温度控制器100控制半导体制冷片工作对其进行降温，从而使温度保持稳定。温度控制器100已是很成熟的现有产品，是本领域技术人员可以轻易实现，不再详细说明。
本具体实施例中，处理单元6为电脑，但并不限于此，在其它实施例中，处理单元6可以是手机、IPAD等。
本具体实施例中，还包括测试支架9，光源2和容器1固定在测试支架9上，便于测试。
进一步的，本具体实施例中，还包括压力控制器8，压力控制器8用于调节容器1的内部压力，以便实现在恒压状态下测量接触角θ，提高测量精确度，或可以实时改变容器1的内部压力，而改变接触角θ的大小，实现动态接触角θ的测量。
压力控制器8可以采用现有市面上的各种压力控制器，此已是非常成熟的现有产品，是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。
测量原理：
若没有气泡4存在时，单色光21以全反射角或大于全反射角从容器1的下侧壁11入射液体3，会在下侧壁11与液体3的交界面发生全反射，单色光21无法进入液体3，同时单色光21在下侧壁11与液体2的交界面产生倏逝波沿交界面传播，因此，在液体3上方没有单色光21透出。但由于气泡4位于下侧壁11与液体4的交界面处，气泡4边缘的张力分布从微观上对固液气三态交界处的张力产生了影响，致使三相接触线附近的物质分布产生维纳尺寸上的变化，固液相交处的折射率产生波动，此时单色光21呈全反射角入射时，有一部分光线会从液体3透射过去，在入射角的上方发生相干现象，如图4所示，因此，光电探测器7可以探测到相应的光强。图5仿真了不同接触角θ对单色光21的影响情况：光源放置在玻璃介质中，以大于全反射角的角度斜入射到水中，可以看出接触角角度(CA)变化时，气泡上方的电场分布也随着改变，同时在玻璃介质中会出现相干现象。因此，接触角θ的大小不同时，光电探测器7探测到的光强分布情况也不同，通过光电探测器7探测光强分布情况后传输给电脑6进行处理，即可得出接触角θ的大小。如可以事先标定出接触角θ对光强的影响曲线，然后通过影响曲线反推出接触角θ大小，进而得知固体(容器)表面润湿性或液体的张力。
当要测量不同透光固体材料的表面润湿性，将不同透光固体材料制作成容器1(或下侧壁11，容器1的其它侧壁由不透光材料制成)，然后通过光电探测器7探测光强分布情况后传输给电脑6进行处理，即可得出接触角θ的大小，进而得知固体的表面润湿性。
当要测量不同透光液体的张力，将待测液体注入容器1内，然后通过光电探测器7探测光强分布情况后传输给电脑6进行处理，即可得出接触角θ的大小，进而得知液体的张力。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种接触角测量装置，其特征在于：包括光源、容器、光电探测器、气泡产生单元、处理单元和温度控制器，容器包括相对的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁由透光材料制成，容器内部充满透光的液体，光源为单色光源，光源发出的单色光透过第一侧壁并以全反射角或大于全反射角入射至第一侧壁与液体的交界面，气泡产生单元用于产生一与第一侧壁内表面接触的气泡，光电探测器的探测面密封穿设过第二侧壁而与液体接触，用于探测单色光透过液体的光强分布情况，光电探测器的输出端接处理单元，温度控制器用于控制容器和液体的温度。
2.根据权利要求1所述的接触角测量装置，其特征在于：所述温度控制器采用半导体制冷片来实现。
3.根据权利要求1所述的接触角测量装置，其特征在于：所述光源为LED光源。
4.根据权利要求1所述的接触角测量装置，其特征在于：所述光电探测器为面阵CMOS光电探测器。
5.根据权利要求1所述的接触角测量装置，其特征在于：还包括压力控制器，压力控制器用于调节容器的内部压力。
6.根据权利要求1所述的接触角测量装置，其特征在于：所述气泡产生单元包括针头和气源，针头的进气端与气源连通，针头密封穿设过第一侧壁，针头的出气端位于第一侧壁的内侧。
7.根据权利要求1所述的接触角测量装置，其特征在于：所述处理单元为电脑。
8.根据权利要求1所述的接触角测量装置，其特征在于：还包括测试支架，光源和容器固定在测试支架上。
9.根据权利要求1所述的接触角测量装置，其特征在于：所述容器为方形结构。
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