专利名称：一种固体表面液滴接触角的测量方法及装置的制作方法
技术领域：
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：
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 l(f。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
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。
发明的技术方案如下
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
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<formula>formula see original document page 3</formula>
方程(l)中P代表被测液滴的密度；g代表重力加速度；^代表纵坐标轴的的值，r代表 横坐标的值，w' = t/w/A， w" = d2w/A2， A尸。代表液滴内外压强差，Y^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；
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，Y》，其中横坐 标Xt与被测液滴实际轮廓的横坐标值Xi相等，即Xi=x,;
7) 定义误差函数F-t(j;-乂)2， 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，对于给定禾同的接触角，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,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。
上述技术方案中，所述的数值方法采用打靶法。
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。
本发明具有以下优点基突出性效果本发明与巳有技术相比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。
图l为静止液滴轮廓示意图。
图2为接触角测量装置示意图。
图3……程序流程图。
图中l一隔震平台；2 —支架；3 —光源；4. 一载物平台；5 —材料样品；6 —微量注射器； 7 —液滴；8 —透光孔；9一升降台；IO — CCD摄像头；ll一电缆；12 —计算机。
具体实施例方式
图2为接触角测量装置示意图，该装置包括隔震平台l、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。
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。 具体测量步骤如下
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
<formula>formula see original document page 5</formula>
方程(l)中P代表被测液滴的密度；《代表重力加速度；『代表纵坐标轴的的值，r代表 横坐标的值，w' = Jw/A， w" = ^W/A2， A3代表液滴内外压强差，YLv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；
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a，Y丄其中横坐 标Xi与被测液滴实际轮廓的横坐标值Xi相等，即Xi = x1;
7) 定义误差函数^ =力0;-x.)2， 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，对于给定术1^l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,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。
实施例
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
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e，在具体计算过程中,=0，任意给定粘附区的宽度〃丄=。和液滴在
基底出的内外压力差AP。L。)。2) 通过打靶法求解(打靶法的公式为^L。-r。+Ar， A/^L。二AP。+AP);
3) 判断最终的边界条件是否满足(即程序终止的条件V-V。， ，=0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；
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。
实时计算接触角的具体操作为-
1) 启动接触角测量仪和接触角测量软件；
2) 输入液滴的初始参数液体密度、表面张力系数、液滴体积；
3) 用微量注射器注入相应体积大小的液滴；
4) 测量软件自动获取液滴的轮廓；
5) 从数据库中寻找轮廓线，进行匹配；
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；
7) 给出由6)得到的接触角的值；
8) 结束
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<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>ρgw</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub> <mi>P</mi> <mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mo>[</mo><mfrac> <msup><mi>w</mi><mrow> <mo>′</mo> <mo>′</mo></mrow> </msup> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup><mi>w</mi><mrow> <mo>′</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mn>3</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <msup><mi>w</mi><mo>′</mo> </msup> <msqrt><mn>1</mn><mo>+</mo><msup> <mi>w</mi> <mrow><mo>′</mo><mn>2</mn> </mrow></msup> </msqrt></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mi>r</mi></mfrac><mo>]</mo><msub> <mi>γ</mi> <mi>LV</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>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；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；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<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>Y</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009101361010002C2.tif" wi="29" he="9" top= "161" left = "59" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>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. 按照权利要求l所述的固体表面液滴接触角的测量方法，其特征在于步骤2)中所述 的数值方法采用打靶法。
3. —种采用如权利要求l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。
全文摘要
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。
文档编号G01N21/85GK101539502SQ20091013610
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者吕存景, 郑泉水, 郝鹏飞 申请人:清华大学