一种试剂沥青静态接触角测试方法、装置及系统与流程

[0001]
本发明涉及沥青表面能参数评价技术领域，尤其涉及一种试剂沥青静态接触角测试方法、装置、系统及计算机存储介质。


背景技术：

[0002]
沥青混合料作为高速公路路面的主要材料一直被广泛应用。由温湿度变化、车辆荷载等引起的水损害是沥青路面病害的主要形式之一，而影响水损害程度的主要因素是沥青和集料之间的黏附性。降低路面水损害，提升道路的服役性能的首要任务就是准确评价沥青和集料之间的黏附性。相较于只能从宏观角度进行定性评价、灵敏度差的水煮法，表面能理论由于可以很好地表征沥青和集料材料的物理-化学-热力学性能，准确定量评价沥青和集料之间的黏附性，从而被广泛应用。
[0003]
沥青的表面能参数是应用表面能理论评价沥青混合料黏附性的前提和基础。常用的测量沥青表面能参数的方法是静滴法。静滴法试验利用光学接触角原理，将定量的已知表面能参数的测试试剂滴在沥青涂膜玻片上，利用高清摄像头获取液滴在沥青表面形成稳定接触角的液滴图像。基于液滴图像进行计算得到接触角值，再将接触角代入公式即可计算沥青的表面能参数。
[0004]
然而，目前采用静滴法在进行接触角值计算时，通常是对液滴轮廓的整体进行拟合然后计算，这种方式不仅拟合模型复杂，拟合速度慢，而且拟合精度较低，影响接触角的测试精度。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，有必要提供一种试剂沥青静态接触角测试方法、装置及系统，用以解决目前静滴法对液滴轮廓的拟合模型复杂，拟合精度低的问题。
[0006]
本发明提供一种试剂沥青静态接触角测试方法，包括以下步骤：
[0007]
获取测试试剂在沥青表面形成的稳定液滴的侧面图像，并确定基线在所述侧面图像中的位置；
[0008]
对所述侧面图像进行裁剪得到液滴图像，提取所述液滴图像中液滴轮廓点；
[0009]
从所述液滴轮廓点中筛选出与液滴的两侧轮廓对应的有效轮廓点；
[0010]
对所述有效轮廓点进行三次多项式拟合，得到两侧轮廓曲线的曲线函数；
[0011]
根据所述曲线函数以及所述基线的位置计算接触角值。
[0012]
进一步的，对所述侧面图像进行裁剪得到液滴图像，具体为：
[0013]
以液滴的高度方向为纵向，以液滴的高度方向的垂直方向为横向；
[0014]
设置液滴直径与所述液滴图像的横向长度的比值，设置液滴高度与所述液滴图像的纵向高度的比值；
[0015]
按设定的比值对所述侧面图像进行裁剪，得到所述液滴图像。
[0016]
进一步的，提取所述液滴图像中液滴轮廓点，具体为：
[0017]
将所述液滴图像转换为灰度图，提升所述灰度图中所有像素点的像素值；
[0018]
对所述灰度图进行中值滤波处理；
[0019]
使用canny算子提取所述灰度图中所有轮廓点；
[0020]
根据液滴的大小形状删除所述轮廓点中噪声轮廓点，得到液滴轮廓点。
[0021]
进一步的，从所述液滴轮廓点中筛选出与液滴的两侧轮廓对应的有效轮廓点，具体为：
[0022]
将液滴轮廓点的按液滴高度方向坐标值进行排序，选取液滴高度方向坐标值大于设定阈值的液滴轮廓点，得到两侧轮廓对应的有效轮廓点。
[0023]
进一步的，根据所述曲线函数以及所述基线的位置计算接触角值，具体为：
[0024]
根据所述曲线函数以及所述基线的位置计算所述基线与两侧轮廓曲线的交点，过所述交点作相应侧轮廓曲线的切线，计算所述切线的斜率，根据所述斜率计算相应侧轮廓曲线的接触角值，以两侧轮廓曲线的接触角值的平均值作为最终的接触角值。
[0025]
进一步的，还包括：
[0026]
选取多种测试试剂，针对每一种测试试剂获取多张液滴图像，根据每一液滴图像计算一接触角值，计算每一种测试试剂的多张液滴图像对应的接触角平均值得到相应种类测试试剂的接触角值。
[0027]
进一步的，还包括根据所述接触角值计算沥青的表面能参数。
[0028]
本发明还提供一种试剂沥青静态接触角测试装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述试剂沥青静态接触角测试方法。
[0029]
本发明还提供一种试剂沥青静态接触角测试系统，包括所述试剂沥青静态接触角测试装置，还包括光学接触角仪；
[0030]
所述光学接触角仪用于测试试剂的滴定以及所述侧面图像的拍摄，并将所述侧面图像发送至所述试剂沥青静态接触角测试装置。
[0031]
本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现所述试剂沥青静态接触角测试方法。
[0032]
有益效果：本发明首先通过静滴法获取清洗的侧面图像，然后提取出液滴轮廓点。提取液滴轮廓点后，并没有直接进行拟合计算接触角，而是从液滴轮廓点中提取除了液滴两侧轮廓的有效轮廓点。由于液滴顶部轮廓与接触角的计算是无关的，因此将其删除，避免液滴顶部多余的轮廓点降低两侧轮廓的拟合精度。同时，两侧轮廓的拟合较之整体轮廓的拟合其拟合模型更简单，将顶部轮廓删除后拟合计算速度更快。
附图说明
[0033]
图1为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试方法第一实施例的方法流程图；
[0034]
图2为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试方法第一实施例的侧面图像的裁切示意图；
[0035]
图3为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试方法第一实施例的基线位置确认示意图；
[0036]
图4为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试方法第一实施例的所有轮廓点提取
结果图；
[0037]
图5为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试方法第一实施例的轮廓点散点图；
[0038]
图6为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试方法第一实施例的去噪后的轮廓点散点图；
[0039]
图7为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试方法第一实施例的有效轮廓点拟合示意图；
[0040]
图8为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试方法第一实施例的接触角计算原理图；
[0041]
图9为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试系统第一实施例的系统架构图；
[0042]
图10为本发明提供的试剂沥青静态接触角测试系统第一实施例的基线位置确定图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0044]
实施例1
[0045]
如图1所示，本发明的实施例1提供了试剂沥青静态接触角测试方法，包括以下步骤：
[0046]
s1、获取测试试剂在沥青表面形成的稳定液滴的侧面图像，并确定基线在所述侧面图像中的位置；
[0047]
s2、对所述侧面图像进行裁剪得到液滴图像，提取所述液滴图像中液滴轮廓点；
[0048]
s3、从所述液滴轮廓点中筛选出与液滴的两侧轮廓对应的有效轮廓点；
[0049]
s4、对所述有效轮廓点进行三次多项式拟合，得到两侧轮廓曲线的曲线函数；
[0050]
s5、根据所述曲线函数以及所述基线的位置计算接触角值。
[0051]
本实施例首先获取侧面图像，侧面图像为采用静滴法试验拍摄试剂液滴滴落在沥青表面的液滴图像。将图像进行裁切后利用进行轮廓提取。提取到液滴轮廓后，进行轮廓点的筛选，将液滴顶端的轮廓删除，仅保留液滴两侧的有效轮廓。对筛选出的有效轮廓点进行三次多项式拟合，并在拟合曲线与基线的交点处做切线测得接触角。
[0052]
本发明摒弃了整体拟合的思想，采用分段多项式拟合的方式，选取液滴两侧轮廓基线附近的有效轮廓点信息，避免了液滴顶部多余轮廓点信息对拟合精度以及速度的影响；采用三次多项式拟合模型，拟合简单，拟合精度高，计算速度块，易算得接触角。本发明为准确计算沥青的表面能参数，评价沥青-集料之间的黏附性，选取合适的沥青集料组合提供相应基础。
[0053]
优选的，对所述侧面图像进行裁剪得到液滴图像，具体为：
[0054]
以液滴的高度方向为纵向，以液滴的高度方向的垂直方向为横向；
[0055]
设置液滴直径与所述液滴图像的横向长度的比值，设置液滴高度与所述液滴图像的纵向高度的比值；
[0056]
按设定的比值对所述侧面图像进行裁剪，得到所述液滴图像。
[0057]
将获得的侧面图像按照统一标准进行裁切，使得液滴在液滴图像中占比合适，位
置居中。裁切之前，设定液滴的高度方向(液滴所受重力方向)为纵向，即y轴坐标方向，液滴的高度方向的垂直方向为横向，即x轴坐标方向。液滴与沥青平面的接触面近似于圆形，获取液滴的直径，如图2所示，裁切标准为：液滴直径a与图像长度c的比值设置为固定比值，液滴高度b与图像高度d的比值设定为固定比值，这两个固定比值设置为80％到100％之间较为合适，本实施例中取90％。
[0058]
本实施例中，裁切得到的液滴图像如图3所示，液滴图像基线位置的获取方式为，将裁切好的液滴图像导入到matlab软件中并在绘图窗口显示，调用impixelinfo函数并将鼠标放置在基线上可以显示基线的像素、坐标信息，将基线y坐标值记为j。
[0059]
优选的，提取所述液滴图像中液滴轮廓点，具体为：
[0060]
将所述液滴图像转换为灰度图，提升所述灰度图中所有像素点的像素值；
[0061]
对所述灰度图进行中值滤波处理；
[0062]
使用canny算子提取所述灰度图中所有轮廓点；
[0063]
根据液滴的大小形状删除所述轮廓点中噪声轮廓点，得到液滴轮廓点。
[0064]
在提取轮廓之前，先进行图像预处理，将彩色的液滴图像转换为灰度图。提升灰度图所有像素点的像素值以弱化液滴轮廓外的噪声。提升的像素值一般在150以内，可以根据图像的明亮程度和轮廓提取的效果进行调整。对灰度图采用3*3窗口的中值滤波进行平滑，可以进一步消除液滴外部的噪声。通过图像裁切和图像降噪预处理，减少了液滴图像中多余阴影和噪声对轮廓提取的干扰。然后使用canny算子提取液滴图像中的轮廓，提取的结果包括完整的液滴轮廓、液滴中心的光圈和个别噪点。如图4所示，提取的轮廓图像中轮廓点为白色，像素值为1，其余点为黑色，像素值为0。根据这个特点提取轮廓图像中所有像素值为1的点的横/纵坐标，分别赋给变量x，y，得到轮廓点的坐标。本实施例中轮廓点的提取通过在mat lab软件中编程实现，应该理解的，也可以采用其它软件变成实现。
[0065]
为了便于多项式拟合，首先调换x、y坐标值轮廓图像逆时针旋转90
°
，如图5所示。筛选出x坐标小于j值(基线的y坐标值)的轮廓点，即筛除基线以下的无效轮廓点；然后根据液滴光圈以及个别噪点在液滴轮廓中的位置将这些无效轮廓点筛选出来并删除，只留下完整的液滴轮廓点，如图6所示。以图5为例，液滴中心光圈的x坐标均在80～160之间，y坐标均在100～250之间，将符合这些条件的点删除即可。本实施例中轮廓点的筛选通过在excel软件中编程实现，应该理解的，也可以采用其它软件变成实现。
[0066]
优选的，从所述液滴轮廓点中筛选出与液滴的两侧轮廓对应的有效轮廓点，具体为：
[0067]
将液滴轮廓点的按液滴高度方向坐标值进行排序，选取液滴高度方向坐标值大于设定阈值的液滴轮廓点，得到两侧轮廓对应的有效轮廓点。
[0068]
因为接触角仅在液滴两侧(高度方向的两侧)测得，液滴顶部的轮廓属于多余信息。将轮廓点按照y坐标升序排列，分别取液滴轮廓两侧占总轮廓1/4的部分轮廓点为有效轮廓点。例如一个液滴轮廓共有100个轮廓点数据，截取液滴左侧25个轮廓点和液滴右侧的25个轮廓点为有效轮廓点。
[0069]
优选的，根据所述曲线函数以及所述基线的位置计算接触角值，具体为：
[0070]
根据所述曲线函数以及所述基线的位置计算所述基线与两侧轮廓曲线的交点，过所述交点作相应侧轮廓曲线的切线，计算所述切线的斜率，根据所述斜率计算相应侧轮廓
曲线的接触角值，以两侧轮廓曲线的接触角值的平均值作为最终的接触角值。
[0071]
将筛选出的有效轮廓点分别按照x坐标升序排列，将左侧轮廓曲线的横/纵坐标赋给变量xl、yl，右侧轮廓曲线的横/纵坐标赋给变量xl、yl。分别对变量xl、yl和变量xl、yl进行三次多项式拟合，如图7所示，得到多项式曲线函数模型。将拟合得到的曲线函数存于变量面板中，左侧曲线函数命名为fittedmodell，右侧曲线函数命名为fittedmodelr。如图8所示，根据两侧曲线函数以及j值，分别计算两侧轮廓曲线与基线的交点，并计算过交点的切线的斜率，得到两侧轮廓的接触角值，两侧的接触角值的平均值作为最终的接触角值。
[0072]
优选的，还包括：
[0073]
选取多种测试试剂，针对每一种测试试剂获取多张液滴图像，根据每一液滴图像计算一接触角值，计算每一种测试试剂的多张液滴图像对应的接触角平均值得到相应种类测试试剂的接触角值。
[0074]
为了得到更精确的接触角值，一种沥青至少需要采用三种试剂进行试验，每种试剂进行至少三次重复试验。本实施例采用四种试剂分别是：蒸馏水、甲酰胺、乙二醇、丙三醇，共可获得12张液滴图像。将每种试剂与沥青进行的三个平行试验测得的接触角取平均值作为该试剂与沥青的最终结果。
[0075]
优选的，还包括根据所述接触角值计算沥青的表面能参数。
[0076]
测试得到接触角值后，将已知的测试试剂的表面能参数以及测得的接触角值代入young-dupre方程计算沥青未知的表面能参数。
[0077]
具体的，为了更清楚的解释本发明，以下以湖北某公司生产的70#基质沥青为例，进行接触角值计算的说明：
[0078]
1.采用湖北某公司生产的70#基质沥青制备沥青涂膜玻片并拍摄液滴图像：
[0079]
向dsa100的三个针管注射器中分别灌入足量的蒸馏水、甲酰胺、乙二醇、丙三醇试剂。将70#基质沥青涂抹玻片放置在试验腔正对摄像头的中央。选择一种试剂针管，将针头悬在沥青玻片上方。操纵软件释放5μl试剂，液滴悬挂在针头上。上抬试验腔，在液滴与沥青表面接触的瞬间定下基线的位置，此时液滴滴落在沥青表面。重复试验最后获得12张带有基线的液滴图像。
[0080]
2.裁切图像，对进行图像降噪预处理并提取液滴轮廓：
[0081]
将获取的12张图像统一按照液滴直径a与图像长度c的比值、液滴的高b与图像高度c的比值均为80％进行裁切。将一张图像导入进行亮度提升、中值滤波和轮廓提取。将所有轮廓点的横纵坐标分给赋值给变量x、y。
[0082]
3.对x、y变量进行筛选得到有效轮廓点坐标
[0083]
调换x与y的数据。筛选删除基线以下轮廓点、液滴中心的光圈点以及其它少量的噪点，得到逆时针旋转90
°
的完整液滴轮廓。选取液滴两侧占轮廓点总点数1/4的点作为有效点。
[0084]
4.将有效轮廓点坐标进行三次多项式拟合并做切线计算接触角：
[0085]
将有效轮廓点进行三次多项式拟合。将拟合得到的曲线函数模型保存，并输入基线的坐标值j计算左右两侧的接触角值。
[0086]
5.以上步骤运行一次只可以处理一张液滴图像，12张图像需要重复12次。将每种试剂三次重复试验的6个接触角值结果取平均值，最后可得四种测试试剂对应的接触角值。
[0087]
测试结果如下表所示：
[0088]
表1、
[0089][0090]
由表1可知采用本发明测得的70#基质沥青的接触角值变异系数小，重复性以及稳定性较好。
[0091]
实施例2
[0092]
本发明的实施例2提供了试剂沥青静态接触角测试装置，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现实施例1提供的试剂沥青静态接触角测试方法。
[0093]
本发明实施例提供的试剂沥青静态接触角测试装置，用于实现试剂沥青静态接触角测试方法，因此，试剂沥青静态接触角测试方法所具备的技术效果，试剂沥青静态接触角测试装置同样具备，在此不再赘述。
[0094]
实施例3
[0095]
本发明的实施例3提供了试剂沥青静态接触角测试系统，包括实施例2提供的试剂沥青静态接触角测试装置，还包括光学接触角仪；
[0096]
所述光学接触角仪用于测试试剂的滴定以及所述侧面图像的拍摄，并将所述侧面图像发送至所述试剂沥青静态接触角测试装置。
[0097]
本实施例采用的光学接触角仪是德国生产的光学接触角仪drop shape analysis 100(dsa100)。该设备由滴定试剂的高精度针头、拍摄图像的高清摄像头和进行图像处理的软件设备组成。通过高精度针头将试剂释放到沥青表面，由高清摄像头捕捉影像并投影到软件界面中。本实施例利用该设备进行试剂的滴定并拍摄沥青上液滴的图像。
[0098]
具体的，如图9所示，将沥青涂膜玻片平躺放置在试验腔体中并对准摄像头正前
方，让玻片出现在图像的正中央。为了测量静态接触角，避免由于玻片倾斜导致液滴受到侧向重力作用产生滑移，应使沥青玻片上表面保持水平。向高精度针头的注射针管灌入测试试剂，并排空针管前段的空气直至有连续的液滴滴出为止。调整针头位置使之悬于沥青玻片正上方，针头和沥青表面保持一定的的距离。释放4～5μl测试试剂，此时液滴稳定地悬在针头并在沥青表面形成清晰的倒影。上抬试验腔体，使沥青上表面向液滴靠近。如图10所示，当液滴与倒影相交的瞬间，在交点处确定一条水平直线即为“基线”，在液滴底端和液滴在沥青表面的倒影接触的一瞬间快速在接触点确定下基线的位置，是为了保证基线的位置在液滴与沥青的接触面上。图10中水平直线即为基线，表征了试剂液滴与沥青的接触面。基线与液滴边缘的交点是试剂、沥青、空气的三相接触点，是测量接触角的位置，如图3所示，液滴与沥青接触后会滴落到沥青上，此时得到带有基线的稳定液滴的侧面图像。
[0099]
实施例4
[0100]
本发明的实施例4提供了计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现实施例1提供的试剂沥青静态接触角测试方法。
[0101]
本发明实施例提供的计算机存储介质，用于实现试剂沥青静态接触角测试方法，因此，试剂沥青静态接触角测试方法所具备的技术效果，计算机存储介质同样具备，在此不再赘述。
[0102]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。