CN203688403U - 一种测试本征接触角的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种测试本征接触角的装置，属于界面化学分析仪器领域，具有步进电机控制的光学旋转平台与步进电机联接，光学旋转平台上设置有具有微分头控制的一维俯仰调整平台和LED平行光源，光学旋转平台通过三个传动支架连接至机架另一端上的轴承，三个传动支架中部的传动支架上设置有具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台上连接有具有微分头控制的一维升降光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台上设置有具有微分头控制的二维水平调整台，具有步进电机控制的直顶式注射泵固定于具有步进电机控制的一维俯仰调整平台。本实用新型可以分析材料化学各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后情况下的本征接触角值。
Description
技术领域
本专利公布一种采用真实液滴法或图像拟合法拟合Young-Laplace方程测试动态接触角，提供一种利用Wenzel-Cassie-Baster模拟推导出来的本征接触角计算公式，来测试固-液本征接触角的测试方法和一种适用于本征接触角测试的装置，属于界面化学分析技术领域。
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，由于材料化学各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后，目前文献以及相关研究中通常使用的停滴和称重法浸湿天平技术，均只能测试固-液的表观接触角值，无法准确表征其真实的接触角情况，我们称之为本征接触角值。
在本征接触角的测试过程中，通常会采用一种将固体样品倾斜，测试倾斜时受重力影响条件下的动态接触角值，而完成此类测试的机构主要分为两类：其一，采用将样品台垂直转动，镜头（连接有相机）不转动的方式；这种方法要求所滴水滴必须保持在转动轴的中心位置，否则液滴很容易移动，且在软件算法上，必须通过坐标转换完成计算，软件计算时间较长；其二，采用将整个仪器旋转的方式，这种方式在目前主流商业仪器中有体现，其缺点非常明显，由于采用一机械结构为通常的皮带或齿轮转换，机械结构的控制精度不高、径向晃动量非常大，非常不利于滚动情况下动态接触角测值；同时由于整机的重量非常大，控制起来非常不方便。
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，有提及动态接触角测试的机构，但如上所述，其特点在于仅仅垂直向转动样品台，或通过整机转动来实现测试目的；且在具体接触角的测试以及最终本征接触角的算法上均未有描述。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。
中国专利ZL200910034768.X《一种控温湿同步测量液滴温度、 表面张力、接触角的装置》以及ZL201210127093.5《一种控温、控湿、控压条件下测量液滴接触角和滚动角的装置》，描述了一种控温、控湿、控压条件下测量液滴接触角和滚动角的装置，是一种比较模糊的理论性描述，具体实施细节也是概括性描述，从实施来看，可操作性不强。
针对现有技术中存在的问题，本发明人提出了一种采用真实液滴法或图像拟合法拟合Young-Laplace方程的测试动态接触角，并配套设计了一种适用于该测试方法的本征接触角测试的装置，该装置由一个蜗轮蜗杆结构的旋转机构控制的镜头与样品台一起旋转的组合体、可XYZ以及水平调整的样品台组合体、样品夹具、注射泵及其XYZ控制机构组合体、带远心镜头的摄像机和平行光源组成，通过拍摄液滴的轮廓图像后，采用拟合Young-Laplace方程测试得到接触角值，该装置和测试方法可以分析材料化学各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后情况下的本征接触角值，在新材料、仿生材料等研究等领域具有极广的推广价值。
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测试本征接触角的装置，可以实现减少样品台旋转过程的晃动、增加旋转的方便性、转动过程中接触水平线不移动以及测试有重力影响条件下的动态接触角值并最终完成测试本征接触角的目的。
本实用新型的目的是通过如下的技术方案实现的。
一种测试本征接触角的装置，包括：电气控制箱，具有步进电机控制的光学旋转平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，LED平行光源，具有微分头控制的二维水平调整台，具有步进电机控制的直顶式注射泵，具有步进电机控制的一维光学平移台，支架，轴承，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，远心镜头，镜头固定环，摄像机，支架，传动支架，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台，水平调整脚，相机支架，通过控制电气箱与计算的USB2.0通讯协议完成双向沟通或手动控制具有步进电机控制的光学旋转平台，带动与之相连的传动支架，控制摄像机、远心镜头和样品台XYZ水平调整组合体一起旋转。
电气控制箱设置于机架一端，机架下方设置有四个水平调整脚，电气控制箱的内侧于支架上设置有具有步进电机控制的光学旋转平台，具有步进电机控制的光学旋转平台与电气控制箱内的步进电机联接，具有步进电机控制的光学旋转平台上设置有具有微分头控制的一维俯仰调整平台和LED平行光源，具有步进电机控制的光学旋转平台通过三个传动支架连接至机架另一端上的轴承，三个传动支架中部的传动支架上设置有具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台上连接有具有微分头控制的一维升降光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台上设置有具有微分头控制的二维水平调整台，具有微分头控制的二维水平调整台上方有可拆卸针头，可拆卸针头上连接有微量进样器，可拆卸针头固定于具有步进电机控制的直顶式注射泵上，具有步进电机控制的直顶式注射泵固定于具有步进电机控制的一维俯仰调整平台，具有步进电机控制的一维俯仰调整平台固定于支架上，支架上的轴承内穿有具有微分头控制的一维俯仰调整平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台上设置有远心镜头，远心镜头通过镜头固定环连接摄像机。
为了防止旋转过程中样品台与注射泵出现干涉，注射泵与主体连接部分设计了一个可翻转机械结构，在旋转过程中，将注射泵向上90度翻转，为了提高注射泵的控制方便性，设计了一个注射泵XY控制结构，包括：具有微分头控制的一维光学平移台一23，具有微分头控制的一维光学平移台二24，两个具有微分头控制的一维光学平移台呈垂直分布。
设计了一套用于样品台旋动条件下测试动态接触角的特殊控制部件，包括一个具有蜗轮蜗杆结构的光学旋转平台、一个微分头控制的二维水平调整台以及一样固定样品所用的样品夹具，其中：
第一、步进电机控制的光学旋转平台包括：步进电机数据接口，接口为9针，数据接口安装支架，手动控制旋钮，步进电机，步进电机固定支架，旋转平台主体，蜗轮结构，蜗杆结构，旋转面板，刻度盘；旋转平台主体上通过步进电机固定支架和数据接口安装支架分别连接有步进电机数据接口和步进电机，步进电机连接有手动控制旋钮，旋转平台主体内置有蜗轮结构、蜗杆结构、旋转面板，旋转面板罩于蜗轮结构上，旋转面板外圈设置有刻度盘，蜗轮结构与蜗杆结构咬合。
第二、微分头控制的二维水平调整台包括：上面板35，不锈钢珠36，带不锈钢珠头的传动机构37，固定支架一38，微分头一39，下面板40，微分头二41，固定支架二42，安装螺丝孔43， 上面板和下面板通过安装螺丝孔连接，微分头共有两个，微分头通过固定支架与带不锈钢珠头的传动机构连接，带不锈钢珠头的传动机构上设置有不锈钢珠。
第三、样品夹具包括：带螺纹结构的传动丝杆，2根导轨，带螺纹结构的滑块，锁紧螺丝，2个上压紧盖板，4个锁紧螺丝，固定块，安装孔，2根导轨的一端固定于固定块上，固定块上通过锁紧螺丝、安装孔固定有上压紧盖板，固定块的中部固定有带螺纹结构的传动丝杆，传动丝杆及2根导轨另一端穿过带螺纹结构的滑块，带螺纹结构的滑块上通过锁紧螺丝固定有上压紧盖板，带螺纹结构的滑块内贯穿有一个锁紧螺丝。 为使液滴轮廓达到亚像素级，经过我们长期的试验，在镜头与光源的选择上，采用如下结构：（1）在镜头的选择上，采用远心镜头，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（2）在背景光源的选择上，采用LED平行光源，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（3）在摄像机的选择上，选用播放速度达到60帧/秒以上的高速摄像机。
附图说明
图1：接触角示意图；
图2：本专利所述的接触角和界面张力测试装置正视图；
图2中：1-电气控制箱；2-具有步进电机控制的光学旋转平台；3-具有微分头控制的一维俯仰调整平台；4-LED平行光源；5-具有微分头控制的二维水平调整台；6-具有步进电机控制的直顶式注射泵（含有微量进样器及可拆卸针头）；7-具有步进电机控制的一维光学平移台；8-支架；9-轴承；10-具有微分头控制的一维俯仰调整平台；11-远心镜头；12-镜头固定环；13-摄像机；14-支架；15、16、20-传动支架；17-具有步进电机控制的一维光学平移台；18-具有步进电机控制的一维光学平移台；19-具有微分头控制的一维升降光学平移台；21-水平调整脚；22-相机支架。
图3：本专利所述的接触角和界面张力测试装置俯视图；
图3中：23-具有微分头控制的一维光学平移台一；24-具有微分头控制的一维光学平移台二。
图4：本专利所述具有步进电机控制的光学旋转平台的结构图；
图4中：25-步进电机数据接口（9针）；26-数据接口安装支架；27-手动控制旋钮；28-步进电机；29-步进电机固定支架；30-旋转平台主体；31-蜗轮结构；32-蜗杆结构；33-旋转面板；34-刻度盘。
图5：具有微分头控制的二维水平调整台的正视图；
图6：为图5的俯视图；
图5、6中：35-上面板；36-不锈钢珠；37-带不锈钢珠头的传动机构；38-固定支架一；39-微分头一；40-下面板；41-微分头二；42-固定支架二；43-安装螺丝孔。
图7：样品夹具；
图7中：44-带螺纹结构的传动丝杆；45-2根导轨；46-带螺纹结构的滑块；47-锁紧螺丝；48-2个上压紧盖板；49-4个锁紧螺丝；50-固定块；51-安装孔。
具体实施方式
为实现减少样品台旋转过程的晃动、增加旋转的方便性、转动过程中接触水平线不移动以及测试有重力影响条件下的动态接触角值并最终完成测试本征接触角的目的，我们无论在整个结构布局、备件采购、光路设计、测试算法等方面均作了创新性设计。具体实施方式如下：
1、本发明设计综合了通用条件和垂直旋转样品台的情况下影像法接触角的装置，包括：电气控制箱，具有步进电机控制的光学旋转平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，LED平行光源，具有微分头控制的二维水平调整台，具有步进电机控制的直顶式注射泵（含有微量进样器及可拆卸针头），具有步进电机控制的一维光学平移台，支架，轴承，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，远心镜头，镜头固定环，摄像机，支架，传动支架，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台，水平调整脚，相机支架，其显著特征在于通过控制（通过控制电气箱与计算的USB2.0通讯协议完成双向沟通或手动控制）具有步进电机控制的光学旋转平台，带动与之相连的传动支架，控制摄像机、远心镜头和样品台XYZ水平调整组合体一起旋转。电气控制箱设置于机架一端，机架下方设置有四个水平调整脚，电气控制箱的内侧于支架上设置有具有步进电机控制的光学旋转平台，具有步进电机控制的光学旋转平台与电气控制箱内的步进电机联接，具有步进电机控制的光学旋转平台上设置有具有微分头控制的一维俯仰调整平台和LED平行光源，具有步进电机控制的光学旋转平台通过三个传动支架连接至机架另一端上的轴承，三个传动支架中中部的传动支架上设置有具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台上连接有具有微分头控制的一维升降光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台上设置有具有微分头控制的二维水平调整台，具有微分头控制的二维水平调整台上方有可拆卸针头，可拆卸针头上连接有微量进样器，可拆卸针头固定于具有步进电机控制的直顶式注射泵上，具有步进电机控制的直顶式注射泵固定于具有步进电机控制的一维俯仰调整平台，具有步进电机控制的一维俯仰调整平台固定于支架上，支架上的轴承内穿有具有微分头控制的一维俯仰调整平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台上设置有远心镜头，远心镜头通过镜头固定环连接摄像机。
进一步地，电气控制箱内设置有步进电机驱动器、运动控制卡、光源控制电路等。
为了防止旋转过程中样品台与注射泵出现干涉，注射泵与主体连接部分设计了一个可翻转机械结构（附图4中未图示），在旋转过程中，将注射泵向上90度翻转，为了提高注射泵的控制方便性，设计了一个注射泵XY控制结构，包括：具有微分头控制的一维光学平移台一23，具有微分头控制的一维光学平移台二24，两个具有微分头控制的一维光学平移台呈垂直分布。
2、本发明还设计了一套用于样品台旋动条件下测试动态接触角的特殊控制部件，包括一个具有蜗轮蜗杆结构的光学旋转平台、一个微分头控制的二维水平调整台以及一样固定样品所用的样品夹具，其中：
第一、步进电机控制的光学旋转平台包括：步进电机数据接口，接口为9针，数据接口安装支架，手动控制旋钮，步进电机，步进电机固定支架，旋转平台主体，蜗轮结构，蜗杆结构，旋转面板，刻度盘；旋转平台主体上通过步进电机固定支架和数据接口安装支架分别连接有步进电机数据接口和步进电机，步进电机连接有手动控制旋钮，旋转平台主体内置有蜗轮结构、蜗杆结构、旋转面板，旋转面板罩于蜗轮结构上，旋转面板外圈设置有刻度盘，蜗轮结构与蜗杆结构咬合。
第二、微分头控制的二维水平调整台包括：上面板35，不锈钢珠36，带不锈钢珠头的传动机构37，固定支架一38，微分头一39，下面板40，微分头二41，固定支架二42，安装螺丝孔43， 上面板和下面板通过安装螺丝孔连接，微分头共有两个，微分头通过固定支架与带不锈钢珠头的传动机构连接，带不锈钢珠头的传动机构上设置有不锈钢珠。
第三、样品夹具包括：带螺纹结构的传动丝杆，2根导轨，带螺纹结构的滑块，锁紧螺丝，2个上压紧盖板，4个锁紧螺丝，固定块，安装孔，2根导轨的一端固定于固定块上，固定块上通过锁紧螺丝、安装孔固定有上压紧盖板，固定块的中部固定有带螺纹结构的传动丝杆，传动丝杆及2根导轨另一端穿过带螺纹结构的滑块，带螺纹结构的滑块上通过锁紧螺丝固定有上压紧盖板，带螺纹结构的滑块内贯穿有一个锁紧螺丝。
3、为使液滴轮廓达到亚像素级，经过我们长期的试验，在镜头与光源的选择上，采用如下结构：（1）在镜头的选择上，采用远心镜头，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（2）在背景光源的选择上，采用LED平行光源，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（3）在摄像机的选择上，选用播放速度达到60帧/秒以上的高速摄像机。
本实用新型采用真实液滴法或图像拟合法拟合Young-Laplace方程的测试动态接触角，并进而利用Wenzel-Cassie-Baster模拟推导出来的本征接触角计算公式，测试固-液本征接触角，该装置由一个蜗轮蜗杆结构的旋转机构控制的镜头与样品台一起旋转的组合体、可XYZ以及水平调整的样品台组合体、样品夹具、注射泵及其XYZ控制机构组合体、带远心镜头的摄像机和平行光源组成，通过拍摄液滴的轮廓图像后，采用拟合Young-Laplace方程测试得到接触角值，该装置和测试方法可以分析材料化学各向异性和表面粗糙等造成的接触角滞后情况下的本征接触角值，在新材料、仿生材料等研究等领域具有极广的推广价值。
Claims (5)
1.一种测试本征接触角的装置，包括：电气控制箱，具有步进电机控制的光学旋转平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，LED平行光源，具有微分头控制的二维水平调整台，具有步进电机控制的直顶式注射泵，具有步进电机控制的一维光学平移台，支架，轴承，具有微分头控制的一维俯仰调整平台，远心镜头，镜头固定环，摄像机，支架，传动支架，具有步进电机控制的一维光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台，水平调整脚，相机支架；其特征在于，
电气控制箱设置于机架一端，机架下方设置有四个水平调整脚，电气控制箱的内侧于支架上设置有具有步进电机控制的光学旋转平台，具有步进电机控制的光学旋转平台与电气控制箱内的步进电机联接，具有步进电机控制的光学旋转平台上设置有具有微分头控制的一维俯仰调整平台和LED平行光源，具有步进电机控制的光学旋转平台通过三个传动支架连接至机架另一端上的轴承，三个传动支架中部的传动支架上设置有具有步进电机控制的一维光学平移台，具有步进电机控制的一维光学平移台上连接有具有微分头控制的一维升降光学平移台，具有微分头控制的一维升降光学平移台上设置有具有微分头控制的二维水平调整台，具有微分头控制的二维水平调整台上方有可拆卸针头，可拆卸针头上连接有微量进样器，可拆卸针头固定于具有步进电机控制的直顶式注射泵上，具有步进电机控制的直顶式注射泵固定于具有步进电机控制的一维俯仰调整平台，具有步进电机控制的一维俯仰调整平台固定于支架上，支架上的轴承内穿有具有微分头控制的一维俯仰调整平台，具有微分头控制的一维俯仰调整平台上设置有远心镜头，远心镜头通过镜头固定环连接摄像机。
2.根据权利要求1所述的一种测试本征接触角的装置，其特征在于，注射泵与主体连接部分设置一个可翻转机械结构，一个注射泵XY控制结构，包括：具有微分头控制的一维光学平移台一(23)，具有微分头控制的一维光学平移台二(24)，两个具有微分头控制的一维光学平移台呈垂直分布。
3.根据权利要求1所述的一种测试本征接触角的装置，其特征在于，步进电机控制的光学旋转平台包括：步进电机数据接口，接口为9针，数据接口安装支架，手动控制旋钮，步进电机，步进电机固定支架，旋转平台主体，蜗轮结构，蜗杆结构，旋转面板，刻度盘；旋转平台主体上通过步进电机固定支架和数据接口安装支架分别连接有步进电机数据接口和步进电机，步进电机连接有手动控制旋钮，旋转平台主体内置有蜗轮结构、蜗杆结构、旋转面板，旋转面板罩于蜗轮结构上，旋转面板外圈设置有刻度盘，蜗轮结构与蜗杆结构咬合。
4.根据权利要求1所述的一种测试本征接触角的装置，其特征在于，微分头控制的二维水平调整台包括：上面板，不锈钢珠，带不锈钢珠头的传动机构，固定支架一(38)，微分头一(39)，下面板，微分头二(41)，固定支架(42)，安装螺丝孔， 上面板和下面板通过安装螺丝孔连接，微分头共有两个，微分头通过固定支架与带不锈钢珠头的传动机构连接，带不锈钢珠头的传动机构上设置有不锈钢珠。
5.根据权利要求1所述的一种测试本征接触角的装置，其特征在于，本实用新型配套提供了一套样品夹具，包括：带螺纹结构的传动丝杆，2根导轨，带螺纹结构的滑块，锁紧螺丝，2个上压紧盖板，4个锁紧螺丝，固定块，安装孔，2根导轨的一端固定于固定块上，固定块上通过锁紧螺丝、安装孔固定有上压紧盖板，固定块的中部固定有带螺纹结构的传动丝杆，传动丝杆及2根导轨另一端穿过带螺纹结构的滑块，带螺纹结构的滑块上通过锁紧螺丝固定有上压紧盖板，带螺纹结构的滑块内贯穿有一个锁紧螺丝。
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