一种固体表面液滴接触角的测量方法及装置

摘要

一种固体表面液滴接触角的测量方法及装置，用于测量不同介质和大小的液滴在固体表面上的接触角。该方法根据液滴体积和接触角的一一对应性，得到多个对应于不同接触角的液滴轮廓，从而建立一个用来存储不同液滴轮廓的数据库。测量时，将样品固定在隔震平台上，利用微量注射器将已知容积的液体滴在样品表面上，当液滴达到平衡后，利用光学成像系统、CCD摄像头和计算机获取样品平面上的液滴形态图像，并通过计算软件利用图像匹配的方法对液滴形状进行处理和分析，计算得到液滴的接触角，把实验测量得到的液滴轮廓和数据库中的液滴轮廓做匹配，确定对应的接触角。与已有方法相比，该方法考虑了液滴体积和重量的影响，测量精度有所提高。

权利要求

1.一种固体表面液滴接触角的测量方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)在重力作用下，位于样品表面上的静止液滴上的任意一点都满足下式方程：方程(1)中ρ代表被测液滴的密度；g代表重力加速度；w代表纵坐标轴的的值，r代

2 2

表横坐标的值，w′＝dw/dr，w″＝dw/dr，ΔP0代表液滴内外压强差，γLV代表液滴的表面张力系数；

2)根据液滴体积和接触角的一一对应关系，对于不同的液滴表面张力系数、液滴密度和体积，利用数值方法求解方程(1)，得到多个对应于不同接触角的液滴轮廓，从而建立一个用来存储不同液滴轮廓的数据库；所述的数值方法采用打靶法；

3)利用微量注射器将液体滴在样品表面上，得到已知容积的被测液滴，当被测液滴达到平衡后，利用CCD摄像头和计算机获取样品平面上的被测液滴的形态图像；

4)利用图像分析的方法对被测液滴形态图像进行自动识别，得到该被测液滴轮廓上各点的坐标值；

5)输入被测液滴的表面张力系数、密度、体积和接触角测量范围；

6)根据输入参数，从数据库得到的液滴轮廓中得到一系列的坐标值(Xi，Yi)，其中横坐标Xi与被测液滴实际轮廓的横坐标值xi相等，即Xi＝xi；

7)定义误差函数 Yi和yi分别代表数据库得到的液滴轮廓及实际液滴轮廓的纵坐标值，对于给定不同的接触角，由计算得到的轮廓与测量值的匹配程度不同，所以误差函数F的值也不同，其中误差最小的代表与真实液滴的轮廓最为匹配，它所对应的接触角就是液滴与样品表面接触的真实接触角。

2.一种采用如权利要求1所述方法的固体表面液滴接触角的测量装置，其特征在于：该装置包括隔震平台(1)、支架(2)、载物平台(4)、升降台(9)、光源(3)、CCD摄像头(10)、微量注射器(6)以及计算机(12)；所述的支架(2)和升降台(9)固定在隔震平台(1)上，所述的载物平台、微量注射器和光源设置在支架上；所述的CCD摄像头(10)设置在升降台(9)上，并与所述的光源(3)相对应，利用CCD摄像头通过透光孔(8)拍摄液滴图像，采集的图像通过电缆实时地传送到计算机进行处理。

说明书

一种固体表面液滴接触角的测量方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种液滴接触角的测量方法，用于精确测量不同介质和大小的液滴在固体表面上的接触角，属于测量技术领域。

背景技术

[0002] 各种材料包括有机物、无机物，以及液态金属等表征出的界面湿润性质是现代物理化学领域内研究的重点，接触角则是表征界面湿润性质的重要参数。目前，即使世界上最先进的接触角测量仪在液滴比较大或接触角比较大(比如超疏水材料)时，都不能很好的给出接触角的值，这些测量结果和试验结果有时会出现很大的误差。造成误差的一个主要原因是测量接触角时没有考虑重力的影响，没有考虑体积的变化对液滴轮廓带来的影响，因此，测量精度不是很好，测量误差的范围在5～10°。但是，在实际测量时的液滴往往受到重力的影响，对于液态金属，即使体积很小，重力的影响也不可忽视。因此在接触角测量中，液滴体积应该做为一个重要的参量予以对待。因此，有必要开发一种可以在考虑液滴重力的情况下精确测量接触角的方法。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足和缺点，旨在提供一种基于图像匹配的固体表面上液滴接触角的测量方法，以期得到精确的测量结果。

[0004] 发明的技术方案如下：

[0005] 一种液滴接触角的测量方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

[0006] 1)在重力作用下，位于样品表面上的静止液滴上的任意一点都满足下式方程：

[0007]

[0008] 方程(1)中ρ代表被测液滴的密度；g代表重力加速度；w代表纵坐标轴的的值，r代表横坐标的值，w′＝dw/dr，w″＝d2w/dr2，ΔP0代表液滴内外压强差，γLV代表液滴的表面张力系数；

[0009] 2)根据液滴体积和接触角的一一对应关系，对于不同的液滴表面张力系数、液滴密度和体积，利用数值方法求解方程(1)，得到多个对应于不同接触角的液滴轮廓，从而建立一个用来存储不同液滴轮廓的数据库；

[0010] 3)利用微量注射器将液体滴在样品表面上，得到已知容积的被测液滴，当被测液滴达到平衡后，利用CCD摄像头和计算机获取样品平面上的被测液滴的形态图像；

[0011] 4)利用图像分析的方法对被测液滴形态图像进行自动识别，得到该被测液滴轮廓上各点的坐标值；

[0012] 5)输入被测液滴的表面张力系数、密度、体积和接触角测量范围；

[0013] 6)根据输入参数，从数据库得到的液滴轮廓中得到一系列的坐标值(Xi，Yi)，其中横坐标Xi与被测液滴实际轮廓的横坐标值xi相等，即Xi＝xi；

[0014] 7)定义误差函数 Yi和yi分别代表数据库得到的液滴轮廓及实际液滴轮廓的纵坐标值，对于给定不同的接触角，由计算得到的轮廓与测量值的匹配程度不同，所以误差函数F的值也不同，其中误差最小的代表与真实液滴的轮廓最为匹配，它所对应的接触角就是液滴与样品表面接触的真实接触角。

[0015] 上述技术方案中，所述的数值方法采用打靶法。

[0016] 本发明提供的实现上述方法的装置如下：一种固体表面液滴接触角的测量装置，其特征在于：该装置包括隔震平台、支架、载物平台、升降台、光源、CCD摄像头、微量注射器以及计算机；所述的支架和升降台固定在隔震平台上，所述的载物平台、微量注射器和光源设置在支架上；所述的CCD摄像头设置在升降台上，并与所述的光源相对应，利用CCD摄像头通过透光孔拍摄液滴图像，采集的图像通过电缆实时地传送到计算机进行处理。

[0017] 本发明具有以下优点基突出性效果：本发明与已有技术相比：①考虑了液滴体积和重量对液滴接触角的影响，提高了接触角的测量精度。②采用液滴轮廓匹配的图像处理方法，扩大了测量范围。

附图说明

[0018] 图1为静止液滴轮廓示意图。

[0019] 图2为接触角测量装置示意图。

[0020] 图3……程序流程图。

[0021] 图中：1-隔震平台；2-支架；3-光源；4.-载物平台；5-材料样品；6-微量注射器；7-液滴；8-透光孔；9-升降台；10-CCD摄像头；11-电缆；12-计算机。

具体实施方式

[0022] 图2为接触角测量装置示意图，该装置包括隔震平台1、支架2、光源3、载物平台4、微量注射器6、升降台9、CCD摄像头10和计算机12。所述的支架2和升降台9固定在隔震平台1上，所述的载物平台、微量注射器和光源设置在支架上；所述的CCD摄像头10设置在升降台9上，并与所述的光源3相对应，利用CCD摄像头通过透光孔8拍摄液滴图像，采集的图像通过电缆实时地传送到计算机进行处理。

[0023] 利用上述测量装置，首先将材料样品5放置在载物平台4上，利用微量注射器6将已知容积的液体滴在样品表面上，当液滴达到平衡后，利用光学成像系统、CCD摄像头和计算机获取样品平面上的液滴形态图像，并通过计算软件利用图像匹配的方法对液滴形状进行处理和分析，计算得到液滴的接触角。如果给定液滴的表面张力系数、密度和体积，对于特定的基底来说，液滴的形状和接触角是一一对应的；再根据液滴体积和接触角的一一对应性，建立一个数据库，把实验测量得到的液滴轮廓和数据库中的液滴轮廓做匹配，确定对应的接触角，从而把接触角的测量达到很高的精度。

[0024] 具体测量步骤如下：

[0025] 1)在重力作用下，位于样品表面上的静止液滴上的任意一点都满足下式方程：

[0026]

[0027] 方程(1)中ρ代表被测液滴的密度；g代表重力加速度；w代表纵坐标轴的的值，2 2
r代表横坐标的值，w′＝dw/dr，w″＝dw/dr，ΔP0代表液滴内外压强差，γLV代表液滴的表面张力系数；

[0028] 2)根据液滴体积和接触角的一一对应关系，对于不同的液滴表面张力系数、液滴密度和体积，利用数值方法求解方程(1)，得到多个对应于不同接触角的液滴轮廓，从而建立一个用来存储不同液滴轮廓的数据库；

[0029] 3)利用微量注射器将液体滴在样品表面上，得到已知容积的被测液滴，当被测液滴达到平衡后，利用CCD摄像头和计算机获取样品平面上的被测液滴的形态图像；

[0030] 4)利用图像分析的方法对被测液滴形态图像进行自动识别，得到该被测液滴轮廓上各点的坐标值；

[0031] 5)输入被测液滴的表面张力系数、密度、体积和接触角测量范围；

[0032] 6)根据输入参数，从数据库得到的液滴轮廓中得到一系列的坐标值(Xi，Yi)，其中横坐标Xi与被测液滴实际轮廓的横坐标值xi相等，即Xi＝xi；

[0033] 7)定义误差函数 Yi和yi分别代表数据库得到的液滴轮廓及实际液滴轮廓的纵坐标值，对于给定不同的接触角，由计算得到的轮廓与测量值的匹配程度不同，所以误差函数F的值也不同，其中误差最小的代表与真实液滴的轮廓最为匹配，它所对应的接触角就是液滴与样品表面接触的真实接触角。

[0034] 实施例：

[0035] 如图3所示，具体实施分为两大块：1)建立数据库；2)实时计算接触角。其中建立数据库的具体操作为：

[0036] 1)给定被测液滴的初始物理常数：表面张力系数、密度、体积。在数值求解过程中给定初始边界条件(给定接触角θ，在具体计算过程中w0＝0，任意给定粘附区的宽度r0|w＝0和液滴在基底出的内外压力差ΔP0|w＝0)。

[0037] 2)通过打靶法求解(打靶法的公式为ri|w＝0＝r0+Δr，ΔPi|w＝0＝ΔP0+ΔP)；

[0038] 3)判断最终的边界条件是否满足(即程序终止的条件V＝V0， 是否满足)。如果是，则储存这组数据代表的液滴轮廓，如果不是，回到步骤2)，继续用打靶法求解；

[0039] 4)通过连续变化液滴体积和接触角，建立数据库，储存一定体积范围对应的不同接触角的轮廓的x，y坐标值。

[0040] 实时计算接触角的具体操作为：

[0041] 1)启动接触角测量仪和接触角测量软件；

[0042] 2)输入液滴的初始参数：液体密度、表面张力系数、液滴体积；

[0043] 3)用微量注射器注入相应体积大小的液滴；

[0044] 4)测量软件自动获取液滴的轮廓；

[0045] 5)从数据库中寻找轮廓线，进行匹配；

[0046] 6)判断精度要求(由误差函数控制)，如果满足所要的精度，匹配停止，如果不满足，则继续进行搜索匹配；

[0047] 7)给出由6)得到的接触角的值；

[0048] 8)结束