CN203672748U - 真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，仪器主体上安装有摄像机和主控板，摄像机连接主控板，仪器主体另一侧设置有三通阀门，微量进样器的下端连接三通阀门， 微量进样器的顶端连接有顶杆传动杆，顶杆传动杆联接传动结构，传动结构连接丝杆，丝杆通过传动皮带连接皮带主动轮和皮带从动轮，皮带上设置有皮带张紧压轮，皮带主动轮和皮带从动轮套于丝杆上，皮带主动轮连接的丝杆上置有转轴、进液旋钮、移液旋转钮，导轨与传动结构连接，微量进样器通过导液管连接至带有鲁尔接头的针头。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种采用真实液滴法拟合Young-Laplace方程的测试方法的便携式接触角和表界张力测试装置，属于化学界面分析仪器领域。
背景技术
液-液界面张力、液-气表面张力以及固-液接触角值等基本指标是表征物质物理化学性质的基本参数，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，见附图1。接触角测试是分析固-液界面物理化学性质的最主要手段，通过测试所得到的接触角值，经过Equation of state算法，仅使用一种液滴就可以非常准确的分析得出固体的表面张力值（达因值），而液-液界面张力以及液-气表面张力的测试也是物理化学分析中最主要的物性指标。
目前，接触角和界面张力测试仪器通常均是标准设计的仪器，体积大，需要市电供电，不利于携带或野外作业，也利于复杂样品、大尺寸样品的测值，如现有专利资料库中《基于高速图像处理的液体表界面动态特性测量分析仪》专利号：200610050811.8和200620103753.6，《一种静态接触角的自动检测方法》专利号201010288857.X，《接触角及表面能测量装置》专利号：201010600278.4，《测量接触角装置》专利号：200710142656.7，《一种自洁玻璃接触角的在线测量方法》专利号：200710008521.1等。
2011年8月，本公司申请的专利《采用真实液滴法的便携式接触角测试装置》（专利号：ZL201120310388.7）中已经对这样的便携装置作了一个简单的描述，但该装置中在光学成像系统、背景光照明系统以及整体控制结构上均比较简单，在实际应用于产品时存在很多不足。为此，我们对该便携式测试接触角和界面张力的装置进行了进一步优化。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题及不足，本实用新型提供了一种改进的真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，实现便携、野外测值、可测试大尺寸样品的目的，整体设计理念为小型、通过简单的供电方式实现装置的正常运行。
本实用新型的目的是通过如下的技术方案实现的。
真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，包括：仪器主体，摄像机，转轴，主动皮带轮，主控板，皮带张紧压轮，顶杆传动杆，从动皮带轮，丝杆，传动结构，微量进样器，偏光片，导轨，三通阀门，棱镜支架，聚四氟下底板，棱镜，鲁尔接头，针头，遮光片，传动机构，石英玻璃柔光片，LED背景灯。
仪器主体上安装有摄像机和主控板，摄像机连接主控板，仪器主体另一侧设置有三通阀门，微量进样器的下端连接三通阀门， 微量进样器的顶端连接有顶杆传动杆，顶杆传动杆联接传动结构，传动结构连接丝杆，丝杆通过传动皮带连接皮带主动轮和皮带从动轮，皮带上设置有皮带张紧压轮，皮带主动轮和皮带从动轮套于丝杆上，皮带主动轮连接的丝杆上置有转轴、进液旋钮、移液旋转钮，导轨与传动结构连接，微量进样器通过导液管连接至带有鲁尔接头的针头。
本实用新型提供了一个适合大尺寸样品表面测试的光学成像结构，具体包括：一个垂直安装的摄像机，其通讯接口为USB2.0或USB3.0接口；一个与摄像机相连接的远心镜头；远心镜头的最前端通过一个节圈连接一个偏振光镜片；一个90度棱镜安装到一个棱镜支架上，然后固定到装置的仪器主体上。由此，可以形成一个将液滴成像光路从水平转向垂直的光路折转结构。
提供一个适合大尺寸样品表面测试的背景光源结构，具体包括：一组LED灯组合成背景光源后，光路以垂直方向安装到一个连接支架上；一个石英玻璃柔光片同样以光路垂直向安装到连接支架上；一个90度棱镜安装到一个棱镜支架上，然后固定到装置的仪器主体上；仪器主体一侧加工一个侧槽，插入一个遮光片，以降低背景光在小液滴接触角测值时的光线反射，进一步优化液滴轮廓边缘的清晰度。由此，可以形成一个将背景光路从水平转向垂直的光路折转结构。
通过上述两个光路折转结构，可以完成测试从标准的侧面拍摄接触角或界面张力所需图像到俯拍图片的光路转变，从而完成可以将装置放到被测物表面进行测值。
提供一套简约化的进液、移液、形成液滴的机械控制结构，机械结构包括：微量进样器下端固定到三个可转向的三通阀门上；三通阀门固定到装置的仪器主体上；设计一个顶杆传动杆固定到微量进样器的顶杆上，以进液或吸液；设计一套包括皮带主动轮、皮带从动轮、传动皮带、皮带张紧轮、丝杆、导轨和进液旋钮（或5V直流减速电机）的位移结构，同时，将所述顶杆传动杆与之连接；设计一套包括丝杆、移液旋转钮（或相应5V直流减速电机）、导轨的位移结构，同时将一个传动机构与之连接，在此结构上安装一个鲁尔接头并与针头相连，从而形成一个针头向上以及向下的移液结构。
背景光源采用了一种3.3V电压供电的LED背光板，3.3V电压取自于电脑的USB通讯接口的5V，通过串连电阻的方式降压后使用。
采用一个主控板，控制直流电机以及USB供电，主控板与摄像机通过USB2.0连接，并通过USB2.0与电脑相连，并通过编写软件实现数据通讯、拍照或录相、控制进液和移液电机等。
采用一种低压供电的相机系统，本专利引进了由USB供电的低照度USB数字相机。
附图说明
图1：本专利所述的便携式接触角和界面张力仪正视图；
图中：1-仪器主体；2-摄像机；3-进液旋钮；4-转轴；5-皮带轮（主动轮）；6-主控板；7-皮带张紧压轮；8-顶杆传动杆；9-皮带轮（从动轮）；10-丝杆；11-传动结构；12-镜头；13-微量进样器；14-偏光片；15-导轨（共3根）；16-三通阀门；17-棱镜支架；18-聚四氟制下底板；19-棱镜；20-鲁尔接头；21-针头；22-遮光片；23-传动机构；24-棱镜；25-棱镜支架；26-石英玻璃柔光片；27- LED背景灯；28-移液旋转钮；29-丝杆。
具体实施方式
为实现便携可野外作业和测试大尺寸样品的目标，同时为保证接触角和界面张力测值的精度，可靠性等，本专利通过如下方式实现：
1、真实液滴法测试接触角和界面张力值的实施方案：
（1）实施真实液滴法时，通过软件系统控制光学成像系统（CCD），将液滴的实时影像捕捉到电脑中；
（2）软件系统自动分析实时影像资料（如AVI、MPG等格式）的液滴轮廓线边缘或自动分析连续捕捉的图片资料（如BMP、JPG等图片格式）。
2、便携式接触角和表面张力测试装置的结构组成实施方案如下：
如图1所示，真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，包括：仪器主体，摄像机，转轴，主动皮带轮，主控板，皮带张紧压轮，顶杆传动杆，从动皮带轮，丝杆，传动结构，微量进样器，偏光片，导轨，三通阀门，棱镜支架，聚四氟下底板，棱镜，鲁尔接头，针头，遮光片，传动机构，石英玻璃柔光片，LED背景灯。
仪器主体上安装有摄像机和主控板，摄像机连接主控板，仪器主体另一侧设置有三通阀门，微量进样器的下端连接三通阀门， 微量进样器的顶端连接有顶杆传动杆，顶杆传动杆联接传动结构，传动结构连接丝杆，丝杆通过传动皮带连接皮带主动轮和皮带从动轮，皮带上设置有皮带张紧压轮，皮带主动轮和皮带从动轮套于丝杆上，皮带主动轮连接的丝杆上置有转轴、进液旋钮、移液旋转钮，导轨与传动结构连接，微量进样器通过导液管连接至带有鲁尔接头的针头。
本实用新型提供了一个适合大尺寸样品表面测试的光学成像结构，具体包括：一个垂直安装的摄像机，其通讯接口为USB2.0或USB3.0接口；一个与摄像机相连接的远心镜头；远心镜头的最前端通过一个节圈连接一个偏振光镜片；一个90度棱镜安装到一个棱镜支架上，然后固定到装置的仪器主体上。由此，可以形成一个将液滴成像光路从水平转向垂直的光路折转结构。
提供一个适合大尺寸样品表面测试的背景光源结构，具体包括：一组LED灯组合成背景光源后，光路以垂直方向安装到一个连接支架上；一个石英玻璃柔光片同样以光路垂直向安装到连接支架上；一个90度棱镜安装到一个棱镜支架上，然后固定到装置的仪器主体上；仪器主体一侧加工一个侧槽，插入一个遮光片，以降低背景光在小液滴接触角测值时的光线反射，进一步优化液滴轮廓边缘的清晰度。由此，可以形成一个将背景光路从水平转向垂直的光路折转结构。
通过上述两个光路折转结构，可以完成测试从标准的侧面拍摄接触角或界面张力所需图像到俯拍图片的光路转变，从而完成可以将装置放到被测物表面进行测值。
提供一套简约化的进液、移液、形成液滴的机械控制结构，机械结构包括：微量进样器下端固定到三个可转向的三通阀门上；三通阀门固定到装置的仪器主体上；设计一个顶杆传动杆固定到微量进样器的顶杆上，以进液或吸液；设计一套包括皮带主动轮、皮带从动轮、传动皮带、皮带张紧轮、丝杆、导轨和进液旋钮（或5V直流减速电机）的位移结构，同时，将所述顶杆传动杆与之连接；设计一套包括丝杆、移液旋转钮（或相应5V直流减速电机）、导轨的位移结构，同时将一个传动机构与之连接，在此结构上安装一个鲁尔接头并与针头相连，从而形成一个针头向上以及向下的移液结构。
采用了一种3.3V电压供电的LED背光板，3.3V电压取自于电脑的USB通讯接口的5V，通过串连电阻的方式降压后使用。
采用一个主控板，控制直流电机以及USB供电，主控板与摄像机通过USB2.0连接，并通过USB2.0与电脑相连，并通过编写软件实现数据通讯、拍照或录相、控制进液和移液电机等。
采用一种低压供电的相机系统，本专利引进了由USB供电的低照度USB数字相机。
进一步地，所述的进液旋钮和移液旋转钮也可采用相应直流电机实现。
3、采用真实液滴法测试接触角的实现方式：
（1）将仪器通过主控板6USB通讯接口连接到电脑，打开真实液滴法接触角分析软件；
（2）吸取液体：将三通阀门16转到排气一侧，转动进液旋钮或通过软件控制直流电机3将微量进样器向下排空13，完成后三通阀门16转到吸液状态，并将相应的软管连接到三通阀门后放到被测液体中，反向转动进液旋钮或直流电机，完成吸取液体的动作；
（3）将本测试仪器放置到被测固体相样品上；
（4）移液：旋动旋钮或通过软件控制直流电机3，滴出液体并留在针头。旋动移液旋转钮或通过软件控制直流电机28，使液滴移向固体样品，接触到固体样品后，再反向旋转旋钮或通过软件控制直流电机28，实现在固体样品上滴上一个小水滴；
（5）软件控制USB相机12拍摄液滴的影像资料；
（6）软件自动根据真实液滴法分析得到接触角值。
4、采用真实液滴法测试界面张力值的实现方式：
（1）将仪器通过主控板6USB通讯接口连接到电脑，打开真实液滴法接触角分析软件；
（2）吸取液体：将三通阀门16转到排气一侧，转动进液旋钮或通过软件控制直流电机3将微量进样器向下排空13，完成后三通阀门16转到吸液状态，并将相应的软管连接到三通阀门后放到被测液体中，反向转动进液旋钮或直流电机，完成吸取液体的动作；
（3）将本测试仪器测试针头位置放置一个方形的石英玻璃容器。如果测试液-液界面张力，则在容器中放置低密度相液体；
（4）形成液体：
旋动移液旋转钮或通过软件控制直流电机28，使针头进入容器的一定位置；旋动旋钮或通过软件控制直流电机3，滴出液体并留在针头，形成一个悬滴（Pendant drop）；
（5）软件控制USB相机12拍摄液滴的影像资料；
（6）软件自动根据真实液滴法分析得到界面张力值。
5、便携式接触角的供电系统的实现方式：
在供电系统上，考虑到野外测试，本装置中采用了USB供电的方式，通过笔记本电脑的USB通讯口供电。在背景光的设计上，采用了低电压3.3V LED背光板，并通过串连电阻实现降压目的，在相机的设计上，采用了由USB供电的低照度USB数字相机，从而一方面保证了成像质量，另一方面实现了野外、便携测试的目的。
折转光路的实现方式以及光路处理技术:
（1）通过两个特殊设计的棱镜结构，形成一个背景光和成像系统的光路90度折转，从而可以用于测试大尺寸样品表面的接触角值;
（2）为防止被测物表面光线反射，在镜头技术的设计上采用了远心镜头，从而使用轮廓更为清晰。同时，采用了一个偏振光镜14，以避免反射光的影响。特别是在太阳能基板测试时，采用本套系统，测试时更为方便;
（3）为防止小角度接触角测值时轮廓上边缘光线散射，设计了一个遮光片22，将背景光线的上半部分挡住，从而有效提升上边缘轮廓的清晰度。
6、防止测试时污染被测物表面的方法：
装置设计了一个可拆装的聚四氟乙烯底板18，在测试前将其拆下，用超声波清洗干净并用无尘纸擦干。然后带上干净的手套再装回到装置上去。
采用本发明专利的接触角仪，因采用了真实液滴法，且设计了专门配合的仪器结构，测值时，由于高精度的机械结构设计、控制功能的实现，测值过程完全配合液滴的轮廓形状分析角度而没有前提假设，可以大大提高静态接触角的测值精度。同时，在机械结构以及电路设计中，充分考虑了便携和野外测试需求，采用了紧凑型、90度折转成像和背景光光路和低压供电等设计，有效地保证了设计目的的实现。采用本实用新型技术，可实现对大样品（如400-无穷大）、在线测值、野外测值（如石油开采）、特殊规格接触角的测试，非常值得在薄膜、太阳能、PDP、LCD、石油石化、芯片、陶瓷浴缸等行业的应用，具有非常高的推广价值。
Claims (6)
1.真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，包括：仪器主体，摄像机，转轴，主动皮带轮，主控板，皮带张紧压轮，顶杆传动杆，从动皮带轮，丝杆，传动结构，微量进样器，偏光片，导轨，三通阀门，棱镜支架，聚四氟下底板，棱镜，鲁尔接头，针头，遮光片，传动机构，石英玻璃柔光片，LED背景灯，其特征在于，仪器主体上安装有摄像机和主控板，摄像机连接主控板，仪器主体另一侧设置有三通阀门，微量进样器的下端连接三通阀门， 微量进样器的顶端连接有顶杆传动杆，顶杆传动杆联接传动结构，传动结构连接丝杆，丝杆通过传动皮带连接皮带主动轮和皮带从动轮，皮带上设置有皮带张紧压轮，皮带主动轮和皮带从动轮套于丝杆上，皮带主动轮连接的丝杆上置有转轴、进液旋钮、移液旋转钮，导轨与传动结构连接，微量进样器通过导液管连接至带有鲁尔接头的针头。
2.根据权利要求1所述的真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，其特征在于，本实用新型提供了一个适合大尺寸样品表面测试的光学成像结构，具体包括：一个垂直安装的摄像机，其通讯接口为USB2.0或USB3.0接口；一个与摄像机相连接的远心镜头；远心镜头的最前端通过一个节圈连接一个偏振光镜片；一个90度棱镜安装到一个棱镜支架上，然后固定到装置的仪器主体上，形成一个将液滴成像光路从水平转向垂直的光路折转结构。
3.根据权利要求1所述的真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，其特征在于，提供一个适合大尺寸样品表面测试的背景光源结构，具体包括：一组LED灯组合成背景光源后，光路以垂直方向安装到一个连接支架上；一个石英玻璃柔光片同样以光路垂直向安装到连接支架上；一个90度棱镜安装到一个棱镜支架上，然后固定到装置的仪器主体上；仪器主体一侧加工一个侧槽，插入一个遮光片，形成一个将背景光路从水平转向垂直的光路折转结构。
4.根据权利要求1所述的真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，其特征在于，提供一套简约化的进液、移液、形成液滴的机械控制结构，机械结构包括：微量进样器下端固定到三个可转向的三通阀门上；三通阀门固定到装置的仪器主体上；设计一个顶杆传动杆固定到微量进样器的顶杆上，以进液或吸液；设计一套包括皮带主动轮、皮带从动轮、传动皮带、皮带张紧轮、丝杆、导轨和进液旋钮的位移结构，同时，将所述顶杆传动杆与之连接；设计一套包括丝杆、移液旋转钮、导轨的位移结构，同时将一个传动机构与之连接，在此结构上安装一个鲁尔接头并与针头相连，形成一个针头向上以及向下的移液结构。
5.根据权利要求3所述的真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，其特征在于，背景光源采用了一种3.3V电压供电的LED背光板，3.3V电压取自于电脑的USB通讯接口的5V，通过串连电阻的方式降压后使用。
6.根据权利要求1所述的真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，其特征在于，主控板与摄像机通过USB2.0连接，并通过USB2.0与电脑相连。
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Cited By (2)
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| CN104330338A (zh) * | 2014-11-06 | 2015-02-04 | 西北工业大学 | 一种在超重力环境下测量接触角的装置及方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140625 |