CN113504157A - 一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,包括光学平板及其上的显微镜头固定支架,显微镜头固定支架上固定有CCD工业相机及显微镜头,显微镜头沿中轴线在焦点处设置有温度场控制模块,温度场控制模块固定于光学平板上的多自由度载物模块上,其顶部设置有滴液架及微滴管,光学平板上还设置有光源固定座及PID控制器,光源固定座与温度场控制模块相邻的面有无影光源。本发明还公开了一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置的测试方法。本发明解决了现有技术中存在的装置无法实时测试不同温度环境下材料表面接触角及滚动角的问题,与此同时,使用该套装置和配套的测试方法,还可有效提高测试效率及测试精度。
Description
技术领域
本发明属于表面润湿性能测试技术领域,具体涉及一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,本发明还涉及一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置的测试方法。
背景技术
润湿性是材料表面的重要特性之一,在表面工程中具有重要的意义,润湿性可以通过接触角来反映。在表面浸润性的研究过程中,液滴在表面的接触角及滚动角是常用到的两个技术指标。在航空航天领域,当航空器在高空工作时,航空器表面会吸附高空云层中的液滴和冰晶,这些液滴和冰晶会在航空器表面形成一层冰层,这给航空器造成重大的安全隐患,因此开发出能够适应低温环境的超疏水涂层就显的尤为重要,而能够实现不同环境温度下观测表面接触角装置是该方面研究的关键。
现有的技术中,接触角测量仪主要用于在常温环境下对液滴与材料之间的接触角进行测量。现有技术在面临高温或低温环境测试需求时,主要是通过外部加热或冷却装置进行预处理后再进行测试,在此过程中,材料表面温度会发生一定的变化,从而导致测试结果与实际情况之间产生误差。此外,这种预处理后再测试的测试效率也较低,不适合大规模使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,解决了现有技术中存在的装置无法实时测试不同温度环境下材料表面接触角及滚动角,与此同时,使用该套装置和配套的测试方法,还可有效提高测试效率及测试精度。
本发明的另一目的是提供一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置的测试方法。
本发明所采用的第一技术方案是,一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,包括光学平板,光学平板上设置有显微镜头固定支架,显微镜头固定支架上固定有CCD工业相机,CCD工业相机的镜头与显微镜头固连,显微镜头沿中轴线在焦点处设置有温度场控制模块,温度场控制模块固定于光学平板上的多自由度载物模块上,温度场控制模块顶部设置有微滴管,微滴管固定于滴液架上,光学平板上还设置有光源固定座及PID控制器,光源固定座顶部固定有滴液架固定块,滴液架与滴液架固定块固定连接,光源固定座与温度场控制模块相邻的一面还设置有无影光源,无影光源的设置高度与温度场控制模块保持统一水平。
本发明第一技术方案的特点还在于,
温度场控制模块具体结构为:包括由保温腔体支撑板和保温腔体上盖板共同围成的立方体空间结构,保温腔体置于所述立方体空间结构内,保温腔体支撑板相对两侧分别设置有一对半导体制冷单元,半导体制冷单元与PID控制器电性连接,保温腔体内部底部用于放置试样,试样周围设置有圆环状的电阻式加热环,电阻式加热环与PID控制器电性连接,接触式温度传感器一端与试样接触,接触式温度传感器另一端通过保温腔体上盖板上的滴液孔伸出保温腔体上盖板,接触式温度传感器与PID控制器电性连接,接触式温度传感器、半导体制冷单元以及电阻式加热环之间电性连接,保温腔体支撑板另外两个侧面上还分别设置有观测窗。
多自由度载物模块具体结构为:Y轴千分滑台通过螺栓连接在X轴千分滑台之上,XY角度滑台通过螺栓连接在Y轴千分滑台之上,载物板则通过沉头螺钉与XY角度滑台相连接,载物板上预留有安装所述保温腔体支撑板的连接孔。
本发明所采用的第二技术方案是,一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置的测试方法,基于一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,具体按照以下步骤实施:
步骤1、将待测试样置于保温腔体的正中心,然后通过调节Y轴千分滑台和X轴千分滑台,使试样上表面中心位置与显微镜头的中心轴线相重合;
步骤2、启动半导体制冷单元与接触式温度传感器,设定目标温度;
步骤3、待接触式温度传感器测定的试样表面温度达到目标温度,将微滴管从上至下的安放在滴液架上;
步骤4、将液滴通过微滴管的容量控制作用定量滴下;
步骤5、微调Y轴千分滑台、X轴千分滑台位置及显微镜头焦距,直至能够清晰的看到试样上的液滴,且所成像中的试样上表面积聚成一条线,液滴的边缘没有虚影;
步骤6、使用显微镜头及CCD工业相机拍摄此时液滴与试样表面之间的接触图像;
步骤7、缓慢微调XY角度滑台,当液滴在试样表面恰巧发生滚动时停止调整,与此同时使用显微镜头及CCD工业相机拍摄此时的液滴与试样表面之间的接触图像;
步骤8、将步骤6和步骤7中所得到的图像进行处理,得到最终该试样在目标温度下的接触角及滚动角大小。
本发明第二技术方案的特点还在于,
步骤8具体如下:
将所获得的图像导入所述CCD工业相机配套的图像处理软件TCapture中,然后使用边界捕捉功能将角的一边选定在液滴和试样表面的接触线上,将另一边选定在液滴轮廓线中下半段圆弧的切线上,进而得到最终的接触角及滚动角大小。
本发明的有益效果是,一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置及测试方法,实现了不同温度环境下的材料表面接触角的快速测定;实现了不同温度环境下的材料表面滚动角的快速测定;有效的提高了材料表面接触角及滚动角的测试效率及测试精度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为本发明中所述的温度场控制模块结构示意图;
图3为本发明中所述的温度场控制模块去掉上盖板后的结构示意图;
图4为本发明中所述的多自由度载物模块结构示意图;
图5为本发明中所述的温度场控制模块工作原理图;
图6为本发明中所述装置观测到的接触角例图;
图7为本发明中所述装置加置高速相机后拍摄到的液滴等时间间隔的滚动例图(间隔时间t=5ms)。
1-显微镜头,2-温度场控制模块,3-微滴管,4-滴液架,5-滴液架固定块,6-无影光源,7-光源固定座,8-多自由度载物模块,9-光学平板,10-显微镜头固定支架,11-CCD工业相机,12-PID控制器;21-半导体制冷单元,22-滴液孔,23-接触式温度传感器,24-保温腔体上盖板,25-保温腔体支撑板,26-观测窗,27-保温腔体,28-试样,29-电阻式加热环;81-载物板,82-XY角度滑台,83-Y轴千分滑台,84-X轴千分滑台。
具体实施方式
下面结合附图和一个具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,结构如图1~图4所示,包括光学平板9,光学平板9上设置有显微镜头固定支架10,显微镜头固定支架10上固定有CCD工业相机11,CCD工业相机11的镜头与显微镜头1固连,显微镜头1沿中轴线在焦点处设置有温度场控制模块2,温度场控制模块2固定于光学平板9上的多自由度载物模块8上,温度场控制模块2顶部设置有微滴管3,微滴管3固定于滴液架4上,光学平板9上还设置有光源固定座7及PID控制器12,光源固定座7顶部固定有滴液架固定块5,滴液架4与滴液架固定块5固定连接,光源固定座7与温度场控制模块2相邻的一面还设置有无影光源6,无影光源6的设置高度与温度场控制模块2保持统一水平。
温度场控制模块2具体结构为:包括由保温腔体支撑板25和保温腔体上盖板24共同围成的立方体空间结构,保温腔体27置于所述立方体空间结构内,保温腔体支撑板25相对两侧分别设置有一对半导体制冷单元21,半导体制冷单元21与PID控制器12电性连接,保温腔体27内部底部用于放置试样28,试样28周围设置有圆环状的电阻式加热环29,电阻式加热环29与PID控制器12电性连接,接触式温度传感器23一端与试样28接触,接触式温度传感器23另一端通过保温腔体上盖板24上的滴液孔22伸出保温腔体上盖板24,接触式温度传感器23与PID控制器12电性连接,接触式温度传感器23、半导体制冷单元21以及电阻式加热环29之间电性连接,保温腔体支撑板25另外两个侧面上还分别设置有观测窗26。
多自由度载物模块8具体结构为:Y轴千分滑台83通过螺栓连接在X轴千分滑台84之上,XY角度滑台82通过螺栓连接在Y轴千分滑台83之上,载物板81则通过沉头螺钉与XY角度滑台82相连接,载物板81上预留有安装所述保温腔体支撑板25的连接孔。在测试时,可通过调节X轴千分滑台84与Y轴千分滑台83,使试样28上表面与显微镜头1的中心轴线相重合,使成像更加清晰。
一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置的测试方法,基于一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,具体按照以下步骤实施:
步骤1、将待测试样28置于保温腔体27的正中心,然后通过调节Y轴千分滑台83和X轴千分滑台84,使试样28上表面中心位置与显微镜头1的中心轴线相重合;
步骤2、启动半导体制冷单元21与接触式温度传感器23,设定目标温度;
步骤3、待接触式温度传感器23测定的试样28表面温度达到目标温度,将微滴管3从上至下的安放在滴液架4上;
步骤4、将液滴通过微滴管3的容量控制作用定量滴下;
步骤5、微调Y轴千分滑台83、X轴千分滑台84位置及显微镜头1焦距,直至能够清晰的看到试样28上的液滴,且所成像中的试样28上表面积聚成一条线,液滴的边缘没有虚影;
步骤6、使用显微镜头1及CCD工业相机11拍摄此时液滴与试样28表面之间的接触图像;
步骤7、缓慢微调XY角度滑台82,当液滴在试样28表面恰巧发生滚动时停止调整,与此同时使用显微镜头1及CCD工业相机11拍摄此时的液滴与试样28表面之间的接触图像,如图7所示;
步骤8、将步骤6和步骤7中所得到的图像进行处理,得到最终该试样28在目标温度下的接触角及滚动角大小,所述接触角结果如图6所示。
步骤8具体如下:
将所获得的图像导入所述CCD工业相机11配套的图像处理软件TCapture中,然后使用边界捕捉功能将角的一边选定在液滴和试样28表面的接触线上,将另一边选定在液滴轮廓线中下半段圆弧的切线上,进而得到最终的接触角及滚动角大小。本发明中用到的CCD相机的厂家是上海普赫,型号为:ISH500。
本发明结构如图1所示,显微镜头1与CCD工业相机11之间通过螺纹连接。连接后,CCD工业相机11悬空,显微镜头1通过箍圈与显微镜头固定支架10固连。显微镜头固定支架10与显微镜头1之间存在橡胶垫圈,便于显微镜头1在安装时进行调整;所述显微镜头1为300倍放大倍率的可调焦距的显微镜头,仅为本发明的优选方案,包括但不限于此,亦可为自动调焦的电子镜头;所述CCD工业相机11为500万像素的全彩相机,根据实际观测需要亦可调整为更高像素解析力的工业相机或高速摄影机等。
本发明所述观测装置的温度场控制模块如图2及图3所示,其中保温腔体支撑板25下表面与多自由度载物模块8中的载物板81相连,保温腔体支撑板25上表面与保温腔体27底部相连;所述保温腔体27沿Z轴方向安装有两个透明的观测窗26,所述保温腔体27沿X轴方向安装有两组半导体制冷单元21,所述保温腔体27底部正中心位置放置待观测试样28,在试样28的周围安装有电阻式加热环29;保温腔体上盖板24中心位置开有一个滴液孔22,滴液孔22旁边安装有接触式温度传感器23,该接触式温度传感器23底部与试样28表面相接触。
本发明所述的温度场控制模块原理图如图5所示,操作人员可在控制面板上根据实验需要输入一个预设的目标温度值,然后控制系统会根据所预设的温度判定进行制冷操作或制热操作;根据本发明所涉及的一个实施例,当需要观测低温环境下的试样时,PID控制器12会根据预设温度输出一个初始电流使半导体制冷单元21开始工作,然后在制冷的过程中,接触式温度传感器23会实时的对试样28的表面温度进行监测,然后将结果反馈至PID控制器12,然后控制器会根据内置的PID算法对输出电流进行调节,控制半导体制冷单元21的实际功率,进而将试样28表面的温度最终维持在预设温度值;根据本发明所涉及的一个实施例,当需要观测高温环境下的试样时,PID控制器12会根据预设温度输出一个基础电流使电阻式加热环29开始制热,然后在对整体环境加热的过程中,接触式温度传感器23会对试样28的表面温度进行实时的监测,然后将监测的温度值反馈至PID控制器12,然后控制器会根据内置算法对输出电流进行调整,控制电阻式加热环29的实际温度,进而使试样28表面温度维持在预设温度值;所述保温腔体27的作用为在半导体制冷单元21作用下保持恒定功率输出的条件下维持较小的温度波动,所述观测窗26选用亚克力材质,具有较高的透光率及较强的绝热性,观测窗大小为两倍试样最大横截面面积。半导体制冷单元21主要器件为半导体制冷片,其制冷温度最低可达-20°;所述电阻式加热环29的主要元件为电阻加热丝,其最高制热温度可达125°;所述接触式温度传感器23其量程区间为-50°~250°,精度为±1%;所述保温腔体27内腔为多孔材料——泡沫塑料,外部包覆一层热发射材料——铝箔制成。
保温腔体支撑板25下表面与多自由度载物模块8中的载物板81相连,保温腔体支撑板25上表面与保温腔体27底部相连;所述保温腔体27沿Z轴方向安装有两个透明的观测窗26,所述保温腔体27沿X轴方向安装有两组半导体制冷单元21,所述保温腔体27底部正中心位置放置待测试试样28;保温腔体上盖板24中心位置开有一个滴液孔22,滴液孔22旁边安装有接触式温度传感器23,该接触式温度传感器23底部与试样28表面相接触。
本发明所述观测装置的多自由度载物模块如图4所示,Y轴千分滑台83通过螺栓连接在X轴千分滑台84之上,XY角度滑台82通过螺栓连接在Y轴千分滑台83之上,而载物板81则通过沉头螺钉与XY角度滑台82相连接。载物板81上预留有安装保温腔体支撑板25的连接孔;所述Y轴千分滑台83和X轴千分滑台84分别在Y轴和X轴方向上有20mm的可调行程,其目地在于观测时将载物板81上所放置的试样与液滴调整至显微镜头的中心轴线上,以期减少图像畸变产生的测试误差;所述XY角度滑台可进行±10°的倾角调节范围,它可在XY平面进行角度转动,其目的是进行装置的调平以及滚动角的测量。本发明涉及的一个具体实施例中,多自由度载物模块8均采用的是手动调节的移动滑台,进一步的,亦可采用步进电机驱动,以提高移动精度及装置自动化水平。
无影光源6为LED无影灯,本实施例中所采用的是最高照度大于7000LM的圆形光源,其亮度可进行无极调节。无影光源6通过胶粘的方式安装在光源固定座7上;无影光源6所发射的光线透过保温腔体27上所开的观测窗26为腔体内的试样28提供照明。
微滴管3安放在滴液架4上,但不进行固连,滴液架4的夹爪内侧安装有橡胶垫,防止微滴管发生窜动;滴液架4通过螺钉与滴液架固定块5相固连;后滴液架固定块5通过螺钉与光源固定座7相固连,从而完成整个结构各部件相对位置的固定。
Claims (5)
1.一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,其特征在于,包括光学平板(9),光学平板(9)上设置有显微镜头固定支架(10),显微镜头固定支架(10)上固定有CCD工业相机(11),CCD工业相机(11)的镜头与显微镜头(1)固连,显微镜头(1)沿中轴线在焦点处设置有温度场控制模块(2),温度场控制模块(2)固定于光学平板(9)上的多自由度载物模块(8)上,温度场控制模块(2)顶部设置有微滴管(3),微滴管(3)固定于滴液架(4)上,光学平板(9)上还设置有光源固定座(7)及PID控制器(12),光源固定座(7)顶部固定有滴液架固定块(5),所述滴液架(4)与滴液架固定块(5)固定连接,光源固定座(7)与所述温度场控制模块(2)相邻的一面还设置有无影光源(6),无影光源(6)的设置高度与温度场控制模块(2)保持统一水平。
2.根据权利要求1所述的一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,其特征在于,所述温度场控制模块(2)具体结构为:包括由保温腔体支撑板(25)和保温腔体上盖板(24)共同围成的立方体空间结构,保温腔体(27)置于所述立方体空间结构内,保温腔体支撑板(25)相对两侧分别设置有一对半导体制冷单元(21),半导体制冷单元(21)与所述PID控制器(12)电性连接,保温腔体(27)内部底部用于放置试样(28),试样(28)周围设置有圆环状的电阻式加热环(29),电阻式加热环(29)与所述PID控制器(12)电性连接,接触式温度传感器(23)一端与试样(28)接触,接触式温度传感器(23)另一端通过保温腔体上盖板(24)上的滴液孔(22)伸出保温腔体上盖板(24),接触式温度传感器(23)与所述PID控制器(12)电性连接,接触式温度传感器(23)、半导体制冷单元(21)以及电阻式加热环(29)之间电性连接,保温腔体支撑板(25)另外两个侧面上还分别设置有观测窗(26)。
3.根据权利要求2所述的一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,其特征在于,所述多自由度载物模块(8)具体结构为:Y轴千分滑台(83)通过螺栓连接在X轴千分滑台(84)之上,XY角度滑台(82)通过螺栓连接在Y轴千分滑台(83)之上,载物板(81)则通过沉头螺钉与XY角度滑台(82)相连接,载物板(81)上预留有安装所述保温腔体支撑板(25)的连接孔。
4.一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置的测试方法,其特征在于,基于权利要求3所述的一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置,具体按照以下步骤实施:
步骤1、将待测试样(28)置于保温腔体(27)的正中心,然后通过调节Y轴千分滑台(83)和X轴千分滑台(84),使试样(28)上表面中心位置与显微镜头(1)的中心轴线相重合;
步骤2、启动半导体制冷单元(21)与接触式温度传感器(23),设定目标温度;
步骤3、待接触式温度传感器(23)测定的试样(28)表面温度达到目标温度,将微滴管(3)从上至下的安放在滴液架(4)上;
步骤4、将液滴通过微滴管(3)的容量控制作用定量滴下;
步骤5、微调Y轴千分滑台(83)、X轴千分滑台(84)位置及显微镜头(1)焦距,直至能够清晰的看到试样(28)上的液滴,且所成像中的试样(28)上表面积聚成一条线,液滴的边缘没有虚影;
步骤6、使用显微镜头(1)及CCD工业相机(11)拍摄此时液滴与试样(28)表面之间的接触图像;
步骤7、缓慢微调XY角度滑台(82),当液滴在试样(28)表面恰巧发生滚动时停止调整,与此同时使用显微镜头(1)及CCD工业相机(11)拍摄此时的液滴与试样(28)表面之间的接触图像;
步骤8、将步骤6和步骤7中所得到的图像进行处理,得到最终该试样(28)在目标温度下的接触角及滚动角大小。
5.根据权利要求4所述的一种不同温度下液滴接触角与滚动角测试装置的测试方法,其特征在于,所述步骤8具体如下:
将所获得的图像导入所述CCD工业相机(11)配套的图像处理软件TCapture中,然后使用边界捕捉功能将角的一边选定在液滴和试样(28)表面的接触线上,将另一边选定在液滴轮廓线中下半段圆弧的切线上,进而得到最终的接触角及滚动角大小。
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