CN1865917A

CN1865917A - 基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪

Info

Publication number: CN1865917A
Application number: CN 200610050811
Authority: CN
Inventors: 宋四海; 宋浩海; 王建平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2006-11-22

Abstract

本发明涉及基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪，包括通用平台，采取的技术措施包括：通用平台配装有经结构模块化组装的光学系统、视频成像系统、精度定位精密加液进样控制系统、样品旋转平台、LED单色冷光源及电脑控制调光系统和嵌入在控制柜内的控制组件。其借助最新的计算机图象处理技术对不同的测量技术方法进行了综合研究整合，基于结构模块概念自主设计研制了一套灵活满足悬滴法、座滴法、振荡滴法和液体桥法等四种不同测量方法测量的分析仪器，使设备“紧凑，便携，通用”，具有广适用性、多功能、高速度、低成本和高精度、高可靠性的自动测量分析的特点。

Description

基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪

技术领域

本发明涉及科学分析仪器、检测仪器领域，尤其涉及基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪。

背景技术

在表界面科学领域，测量液体/流体表界面张力、自由能、接触角和分析铺张湿润性、黏性和吸附过程等特性是非常重要的，可广泛用于科学研究、专业研发，以及制造、表面处理、质量控制等不同领域：比如纳米材料科学与工程已经成为世界性的研究热点，在研究纳米材料的表面改性时，往往要涉及润湿接触角这个概念。

目前最常见的测量表面张力等特性的实验方法可以分为三大类：

①、天平法：通过测量作用在某一固体表面的力(薄板、圆环，圆柱体等几何外形)来计算表面界面张力，这类方法的好处是不需要另外测量液体的密度，缺点是所需的液体量大(几十毫升以上)，数据的稳定性、精确度就差；固体表面每次测量前要进行清洁处理，需要时常进行仪器的校正，必须保证所测液体能完全润湿固体表面(即接触角为0)，由于使用的天平精度很高，所以常常需要较长的稳定时间；要实现高温高压下的测量比较困难，不适合于一些高黏度的液体(如分子量较高粘结剂和高分子熔体)。

②、测压力法：这些方法包括毛细管高度法，最大气泡压力法等，前者目前一般只限于教学示范用，后者常用来测量低粘度液体(如水溶液)的动态表面张力，二者的优点也是不需要待测液体的密度值，后者的缺点是只适用于很低粘度的液体，所需的液体量也较大，数据的稳定性，精确度就差，所以一般只用来进行低粘度的液体的动态表面张力的测量。

③、界面形状光学法：如液滴法，座滴，液桥法等。这一方法也可称为光学法，因为一般都是基于光学成像来测定界面的形状的，光学法的一大优点是观察(看)，不接触、不干扰，所以是一种“无扰法”。实验和测试方法简单，可进行高温高压测试，速度很高，可成批测试，设备可以加入准确的自动化控制部分，可以整合到生产流程中。此类方法的缺陷是需要事先了解液体的密度。这类测量方法的原理早就建立，但直到上世纪80年代计算机技术发达后，尤其是数字图像处理技术发展后，才使此类方法真正进入了实用阶段，世界上第一批基于计算机数字图像处理技术的此类方法(悬滴、座滴法等)仪器是上世纪90年代出现的。

目前，国内的表面张力仪多基于前述第①、②类方法，此类方法仪器存在的缺陷前已表述，主要是数据的稳定性、精确度比较差，不适合一些高粘度的液体测量和一些特定要求(如高温高压)条件的测量分析，另外在测量自动化程度、操作的便捷等方面也存在明显缺陷；国内基于计算机图像处理技术的第③类开发的单位极少，目前这方面的产品由于开发的不多，开发历史不长，与国外同类产品相比在许多方面还存在着明显的差距，主要体现在测量技术方法、计算机图像分析软件、仪器硬件三个层面，导致仪器测量分析的便捷可靠、多功能方面存在缺陷：

(1)、测量技术/软件/硬件三方面缺乏综合整合，测量便捷可靠、多功能方面存在缺陷，尤其在要求瞬间对动态界面特性进行快速可靠测量分析上有缺陷。在界面化学领域，许多过程都是动态过程，且多是很快的动态过程(时间半衰期在1-100毫秒范围)，如：喷墨打印中的染料液滴遇到了不同的纸张表面的润湿过程，水滴遇到了纸巾，表面活性剂在液体界面的扩散等许多情况下，人们需要了解具体的动态过程。因此，需要开发出能在瞬间(软件预设条件触发)对大批量高速图像(往往在几百帧到上万帧)的自动可靠处理，显得尤其重要。

(2)、仪器硬件设计相对固定，不是基于模块化设计，不能根据不同用户的测量要求进行灵活的组合配置，浪费了仪器的固有功能和资源。

仪器的多功能性是当前发展的一大趋势，因为高精度仪器大量配备了一些很贵重的组件，如何尽可能地发挥这一些贵重组件的功能大大提高仪器的性能/价格比，对客户有很大的吸引力。与国内目前已商品化的同类产品相比，新开发的产品无论在哪方面都具有显著的创新。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术不足而提供一种结构模块化组装，体积小重量轻的多功能便携式的基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪；其具有测量稳定性高，精确度准，自动化操作便捷，能适合高粘度的液体测量和满足特定条件下使用，适合要求瞬间对动态界面特性进行快速可靠测量分析。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪，包括通用平台，采取的技术措施包括：通用平台配装有经结构模块化组装的光学系统、视频成像系统、精度定位精密加液进样控制系统、样品旋转平台、LED单色冷光源及电脑控制调光系统和嵌入在控制柜内的控制组件。

采取的技术措施还包括：

通用平台包括能灵活配置和组装的调平底脚、底板、相机镜头支架、第三手轮、圆棒导轨、左右滑动块、松紧螺栓和控制柜；

光学系统包括配装高性能的光学相机镜头，光学相机镜头安装在相机镜头支架上端的圆孔中，第三手轮、圆棒导轨、左右滑动块控制光学相机镜头的X轴移动；

视频成像系统包括数字或模拟及图像采集卡模块，该数字或模拟及图像采集卡模块装配在相机镜头支架上端的圆孔中，并与光学相机镜头相配合能高分辨力实现高速图像处理、连续批次图像处理，松紧螺栓位于相机镜头支架上端，用于控制数字或模拟及图像采集卡模块的拆装。

精度定位精密加液进样控制系统配装在控制柜外侧，其包括配装的第五手轮、第二调节螺栓、调节丝杆、丝杆固定座、进样管、进样管固定座、液滴管支架、液滴针管、第一调节螺栓、上下移动滑块、第四手轮，第五手轮微旋和调节丝杠的逐渐推进能精确推进进样管内的液体到液滴针管；液滴针管规格的选择，能实现悬滴法、液体桥法测量，通过第一调节螺栓的松调能实现振荡滴法测量。

样品旋转平台Y、Z轴能自由位移、水平旋转和翻转，能实现座滴法测量，前进/后退角同步测量和液滴启示滚动角的测量，也能进行铺张湿润性、黏性和吸附过程分析；该样品旋转平台由第二手轮、前后移动滑块、转盘、样品旋转平台、第三调节螺栓、第一手轮部件组成；其中，由第一手轮控制Y轴升降，第二手轮和前后移动滑块控制样品旋转平台沿Z轴前后位移，转盘控制控制样品旋转平台水平转动，第三调节螺栓调节样品旋转平台水平或翻转倾角。

控制组件由LED冷光源、调光控制系统、步进电机驱动、环境温度传感器组成；由最新的LED冷光源及电脑控制调光系统，环境温度自动读入电脑并且在专门液晶屏上显示构成友好的人员操作界面；LED冷光源、调光控制系统、步进电机驱动、环境温度传感器嵌入控制柜，控制柜还外接电脑和专门液晶屏插头。

与现有技术相比，本发明通用平台配装有经结构模块化组装的光学系统、视频成像系统、精度定位精密加液进样控制系统、样品旋转平台、LED单色冷光源及电脑控制调光系统和嵌入在控制柜内的控制组件。其借助最新的计算机图象处理技术对第③类不同的测量方法进行了综合研究整合，基于结构模块概念自主设计研制了一套灵活满足悬滴法、座滴法、振荡滴法和液体桥法等四种不同测量方法测量的分析仪器，使设备“紧凑，便携，通用”，具有广适用性、多功能、高速度、低成本和高精度、高可靠性的自动测量分析的特点。

附图说明

图1是本发明实施例正面示意图；

图2为图1俯视示意图；

图3为图1左视示意图；

图4为图1爆炸示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～4所示，基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪，包括通用平台；

通用平台配装有经结构模块化组装的光学系统、视频成像系统、精度定位精密加液进样控制系统、样品旋转平台、LED单色冷光源及电脑控制调光系统和嵌入在控制柜24内的控制组件。本发明由第二手轮1、前后滑动块2、圆棒导轨3、第三手轮4、左右滑动块5、转盘6、相机镜头支架7、松紧螺栓8、样品旋转平台9、数字或模拟及图像采集卡模块10即高速相机/CCD或CMOS、光学镜头11、液滴针管12、液滴管支架13、第一调节螺栓14、上下滑动块15、第四手轮16、进样管17、进样管固定座18、第二调节螺栓19、调节丝杠20、第五手轮21、丝杠固定座22、LED冷光源23、控制柜24、第三调数字或模拟及图像采集卡模块节螺栓25、第一手轮26、底板27、调平底脚28等28个组件、配件组成。

通用平台包括能灵活配置和组装的调平底脚28、底板27、相机镜头支架7、第三手轮4、圆棒导轨3、左右滑动块5、松紧螺栓8和控制柜24；

光学系统包括配装高性能的光学相机镜头11，光学相机镜头11安装在相机镜头支架7上端的圆孔中，第三手轮4、圆棒导轨3、左右滑动块5控制光学相机镜头11的X轴移动；

视频成像系统包括数字或模拟及图像采集卡模块10，该数字或模拟及图像采集卡模块10装配在相机镜头支架7上端的圆孔中，并与光学相机镜头11相配合能高分辨力实现高速图像处理、连续批次图像处理，松紧螺栓8位于相机镜头支架7上端，用于控制数字或模拟及图像采集卡模块10的拆装。

精度定位精密加液进样控制系统配装在控制柜24外侧，其包括配装的第五手轮21、第二调节螺栓19、调节丝杆20、丝杆固定座22、进样管17、进样管固定座18、液滴管支架13、液滴针管12、第一调节螺栓14、上下移动滑块15、第四手轮16，第五手轮21微旋和调节丝杠20的逐渐推进能精确推进进样管17内的液体到液滴针管12；液滴针管12规格的选择，能实现悬滴法、液体桥法测量，通过第一调节螺栓14的松调能实现振荡滴法测量。

样品旋转平台Y、Z轴能自由位移、水平旋转和翻转，能实现座滴法测量，前进/后退角同步测量和液滴启示滚动角的测量，也能进行铺张湿润性、黏性和吸附过程分析；该样品旋转平台由第二手轮1、前后移动滑块2、转盘6、样品旋转平台9、第三调节螺栓25、第一手轮26部件组成；其中，由第一手轮26控制Y轴升降，第二手轮1和前后移动滑块2控制样品旋转平台9沿Z轴前后位移，转盘6控制控制样品旋转平台9水平转动，第三调节螺栓25调节样品旋转平台9水平或翻转倾角。

控制组件由LED冷光源23、调光控制系统、步进电机驱动、环境温度传感器组成；由最新的LED冷光源23及电脑控制调光系统，环境温度自动读入电脑并且在专门液晶屏上显示构成友好的人员操作界面；LED冷光源23、调光控制系统、步进电机驱动、环境温度传感器嵌入控制柜，控制柜还外接电脑和专门液晶屏插头。

本发明采用第③类，除了需要了解液体的密度，基于计算机数字图像处理的测量方法具有许多优越性：①用量少(少至几十微升即可)；②适合高粘度液体，如粘结剂等；③适合于高温(高至上千度)，高压(上百大气压)下的测量；④操作简便：形成液滴，摄取图像，就能测出结果(计算时间约为0.1秒以下)。

与悬滴、座滴法相比较，液体桥测量方法(液桥法)目前仍停留在学术研究阶段，还未被商品化，但初步的研究已经表明，液桥法与悬滴、座滴法相比拥有以下的优点：

①、精密度更高：界面形状法精度的高低取决于微小的表面/界面张力的变化会对其形状产生较大的影响(在其他条件不变的前提下)；影响愈大，灵敏度精度愈高，液桥法比悬滴法更灵敏(悬滴法则比座滴法灵敏)。

②、适用范围更广：在测量界面张力时，当液/液二相的密度差很小时(如＜0.1g/ml)，形成悬滴就很不容易，使悬滴法适用范围受到限制，而这一点不适用于液桥法：即使二者的密度差为0，液桥法可以继续应用在胶体化学领域，尤其是石油化学领域，测量密度差很小的液/液界张力是时常遇到的挑战。

③、液桥法可能更适用于研究，如电磁场力对液体界面的影响，并可用后者而反作用重力的影响，使液体界面实际上处于零重力环境，这对考察界面在失重环境下的形为具有很大的吸引力。

④、由于受到二固体相的“支撑”，液桥法可能较悬滴法对振动不敏感。

而最新的科学研究表明，发生在二相接触的最初阶段的动态界面特性、行为往往也是对整个润湿过程影响最深远起决定性的阶段。近几年随着高速图像处理技术的快速发展，为研究界面的这一动态特性、过程提供了一个难得的可能性，比如在测量分析液体表界面动态特性时，最新的检测方法加上最新的图像处理技术，将给此领域带来革命性的变化。

本发明借助最新的计算机图像处理技术对第③类不同的测量方法进行了综合研究整合，基于结构模块概念自主设计研制了一套灵活满足悬滴法、座滴法、振荡滴法和液体桥法等四种不同测量方法测量的分析系统，具有广适用性、多功能、高速度、低成本和高精度、高可靠性的自动测量分析的特点。本发明仪器的多功能性能提高一些贵重组件的性能/价格比，对客户有很大的吸引力。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims

1、基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪，包括通用平台，其特征是：所述的通用平台配装有经结构模块化组装的光学系统、视频成像系统、精度定位精密加液进样控制系统、样品旋转平台、LED单色冷光源及电脑控制调光系统和嵌入在控制柜(24)内的控制组件。

2、根据权利要求1所述的基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪，其特征是：所述的通用平台包括能灵活配置和组装的调平底脚(28)、底板(27)、相机镜头支架(7)、第三手轮(4)、圆棒导轨(3)、左右滑动块(5)、松紧螺栓(8)和控制柜(24)；

所述的光学系统包括配装高性能的光学相机镜头(11)，光学相机镜头(11)安装在相机镜头支架(7)上端的圆孔中，所述的第三手轮(4)、圆棒导轨(3)、左右滑动块(5)控制所述的光学相机镜头(11)X轴移动；

所述的视频成像系统包括数字或模拟及图像采集卡模块(10)，该数字或模拟及图像采集卡模块(10)装配在相机镜头支架(7)上端的圆孔中，并与光学相机镜头(11)相配合能高分辨力实现高速图像处理、连续批次图像处理，松紧螺栓(8)位于相机镜头支架(7)上端，用于控制数字或模拟及图像采集卡模块(10)的拆装。

3、根据权利要求1或2所述的基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪，其特征是：所述的精度定位精密加液进样控制系统配装在控制柜(24)外侧，其包括配装的第五手轮(21)、第二调节螺栓(19)、调节丝杆(20)、丝杆固定座(22)、进样管(17)、进样管固定座(18)、液滴管支架(13)、液滴针管(12)、第一调节螺栓(14)、上下移动滑块(15)、第四手轮(16)，第五手轮(21)微旋和调节丝杠(20)的逐渐推进能精确推进进样管(17)内的液体到液滴针管(12)；液滴针管(12)规格的选择，能实现悬滴法、液体桥法测量，通过第一调节螺栓(14)的松调能实现振荡滴法测量。

样品旋转平台Y、Z轴能自由位移、水平旋转和翻转，能实现座滴法测量，前进/后退角同步测量和液滴启示滚动角的测量，也能进行铺张湿润性、黏性和吸附过程分析；该样品旋转平台由第二手轮(1)、前后移动滑块(2)、转盘(6)、样品旋转平台(9)、第三调节螺栓(25)、第一手轮(26)部件组成；其中，由第一手轮(26)控制Y轴升降，第二手轮(1)和前后移动滑块(2)控制样品旋转平台(9)沿Z轴前后位移，转盘(6)控制控制样品旋转平台(9)水平转动，第三调节螺栓(25)调节样品旋转平台(9)水平或翻转倾角。

4、根据权利要求3所述的基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪，其特征是：所述的控制组件由LED冷光源(23)、调光控制系统、步进电机驱动、环境温度传感器组成；由最新的LED冷光源(23)及电脑控制调光系统，环境温度自动读入电脑并且在专门液晶屏上显示构成友好的人员操作界面；LED冷光源(23)、调光控制系统、步进电机驱动、环境温度传感器嵌入所述的控制柜，所述的控制柜还外接电脑和专门液晶屏插头。