真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明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，特别地，本发明还提供了该装置采用真实液滴法测试接触角 及界面张力的测试方法。
【背景技术】
[0002] 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 固一液一气三相交界点处，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。
[0003]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。
[0004] 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。
[0005] 在接触角和界面张力的算法上，中国专利资料有部分提及的内容与本发明的内 容上有一定的相似，但在具体
【发明内容】
的实现上存在较大差异。如，《一种固体表面液滴 接触角的测量方法及装置》专利号=200910136101.0。在具体实现方式上，该专利采用了 Young-Laplace方程的改写的没有离散的二阶偏微分方程求解曲线并采用打靶法拟合接触 角角度值的，仅仅提出了一个简单的液体接触角测试的Young-Laplace方程拟合的概念， 具体实施过程的可能不高。中国专利ZL201210566095.4《基于液滴轮廓曲线四测量点的 液体界面张力的测量方法》中提出了一种基于液滴轮廓曲线四测量点的液体界面张力的测 量方法，该方法是采用图像采集设备摄制液滴在辅助测试平台上表面上铺展的图片或液滴 悬挂于水平放置的轴对称辅助支承表面下的图片，对图片进行处理提取液滴轮廓曲线；在 液滴轮廓曲线上选取四个测量点，测量相邻测量点间的坚直距离、每个测量点处过测量点 的水平线与液滴轮廓曲线的交点间的距离、每个测量点处的液滴轮廓曲线的切线与水平线 之间的夹角；根据液滴轮廓曲线计算出与四个测量点相关的液体体积；根据公式计算出液 体的界面张力。算法中仅仅是对轮廓部分进行了几何换算，与本专利的创新点完全不一致。 ZL201210594516. 4《一种静态接触角的计算方法》提出了一种基于Young-Laplace方程仿 真产生不同体积和接触角的液滴边缘；计算仿真产生的液滴边缘的接触角，进而获得计算 所得接触角、液滴体积与真实接触角的关系；拍摄真实液滴图像，计算图像的接触角；根据 计算所得接触角、液滴体积与真实接触角的关系以及实际图像的接触角，采用插值法或类 似方法获得准确的接触角。这是一种简单的应用，而没有涉及具体的算法。
[0006] 作为光学法界面化学分析的一种方法，影像分析法界面化学分析技术在世界上 有类似技术，通常以Young-Laplace方程拟合的形式出现。但由于算法和计算机发展影 响很大，这些Young-Laplace拟合或采用Bashforth-Adams查表法或简单的经验求解 (以 Bashforth. F、Adams. J. C、Andreas、S. Hartland 等为代表，，或米用基于 DS/DE 或少 数点（30°、45°、60°角度值）坐标比值的Select plane快速界面张力测试的算法（以 Springer、F. K. Hansen等为代表)，或采用ALFI算法并以经验假设的简单影像分析法（以 Rotenberg、A. W. Neumann、0.1 . del. RI0 为代表)，均有明显缺陷。
【发明内容】
[0007] 本专利为实现便携、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，因而，无论在进样系统、镜头、背景光以及相机 等各个方面都作了精心设计。
[0008] 本发明的具体实施方案如下： 真实液滴法的便携式接触角和界面张力测试装置，包括： 1、 设计一个适合大尺寸样品表面测试的光学成像结构，具体包括：（1) 一个垂直安装 的摄像机，其通讯接口为USB2. 0或USB3. 0接口；（2)安装一个与摄像机相连接的远心镜 头；（3)在远心镜头的最前端通过一个节圈（25mm)连接一个偏振光镜片；（4)将一个90度 棱镜安装到一个棱镜支架上，然后固定到装置的主体结构中。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； 2、 设计一个适合大尺寸样品表面测试的背景光源结构，具体包括：（1)将一组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；（2)将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；（3)将一个90度棱镜安装到一个棱镜支架上，然后固 定到装置的主体结构中；（4)在装置的主体结构侧方加工一个侧槽，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； 通过如上1、2的光路折转结构，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；m 3、 设计一套简约化的进液、移液、形成液滴的机械控制结构，机械结构包括：（1)将微 量进样器下端固定到三个可转向的三通阀门上；（2)将该三通阀门固定到装置的主体结构 上；（3)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；（4)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（3)所述的顶杆传动杆以之连接；(5)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； 3、 引进一个低电压背景光技术，本专利采用了一种新型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； 4、 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； 5、 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； 真实液