技術(shù)文章 / Technical articles
視頻光學(xué)接觸角測(cè)試儀作為界面化學(xué)分析的基本工具其分析功能包括：測(cè)試表面張力、界面張力、接觸角、表面自由能等多種功能。目前，世界商業(yè)化的接觸角測(cè)量?jī)x已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是，這些接觸角測(cè)量?jī)x的廠(chǎng)商中，從功能來(lái)看，還是存在很大的區(qū)別的，如下表所示：
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功能 |
國(guó)產(chǎn) |
進(jìn)口 |
技術(shù) CAST3 |
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表面張力 |
基礎(chǔ)的選點(diǎn)選面法表面張力計(jì)算功能 |
基于Select Plance算法的Young-Laplace方程擬合算法 |
ADSA-RealDrop算法 |
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界面張力 |
約束停滴法測(cè)試低至0.001mN/m界面張力 |
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表面及界面張力的分層效應(yīng)測(cè)試 |
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接觸角 |
量角器：圓擬合、WH法、橢圓擬合、切線(xiàn)法 |
量角器：圓擬合、WH法、橢圓擬合、切線(xiàn)法 |
非軸對(duì)稱(chēng)的Young-Laplace方程擬合算法：ADSA-RealDrop |
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簡(jiǎn)單的界面化學(xué)分析：軸對(duì)稱(chēng)的Young-Laplace方程擬合 |
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表面自由能 |
單液滴進(jìn)液系統(tǒng) |
簡(jiǎn)單的雙液滴同時(shí)分析進(jìn)液系統(tǒng) |
3注射器版本； 可多形成同時(shí)3個(gè)液滴在同一張圖像中出現(xiàn) |
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軟件只能分析一個(gè)液滴數(shù)據(jù) |
軟件可以同時(shí)分析一張圖片中形成的兩個(gè)液滴的照片 |
軟件可以多分析同一張圖片中形成的4個(gè)液滴的接觸角值，且左、右接觸角值分析計(jì)算 |
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較簡(jiǎn)單的模型，如Owens算法 |
9種數(shù)學(xué)模型 |
12種數(shù)學(xué)模型 |
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接觸角滯后 |
簡(jiǎn)單的機(jī)械部分提供滾動(dòng)平臺(tái) |
整體機(jī)架滾動(dòng)平臺(tái) 精度差，有回程間隙 |
蝸輪蝸桿高精密光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)控制樣品臺(tái)及鏡頭部分旋轉(zhuǎn)，精度可達(dá)0.007度 |
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軟件部分采用切線(xiàn)法或橢圓擬合法 |
軟件部分采用切線(xiàn)法或橢圓擬合法 |
軟件除提供切線(xiàn)、橢圓擬合外，更關(guān)鍵在于提供非軸對(duì)稱(chēng)的ADSA-RealDrop算法，有界面化學(xué)理論作為依據(jù)，更科學(xué)和，可靠性和可信度高。 |
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無(wú)本征接觸角計(jì)算功能 |
無(wú)本征接觸角計(jì)算功能 |
有本征接觸角功能，自動(dòng)修正表面粗糙度、化學(xué)多樣性等造成的接觸角滯后影響 |
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3D接觸角 |
無(wú) |
無(wú) |
3D接觸角平臺(tái) 3D接觸角鏡頭 |
通過(guò)本表格的分析，可以很明顯的算出，除了基本的一些硬件配置，如相機(jī)的分辨率、速度、光路折轉(zhuǎn)、3D形貌、樣品臺(tái)大小、樣品臺(tái)移動(dòng)范圍等基礎(chǔ)指標(biāo)外，評(píng)估視頻光學(xué)接觸角測(cè)定儀事實(shí)上關(guān)鍵還是在于：
該儀器的關(guān)鍵指標(biāo)功能是否？測(cè)得的數(shù)據(jù)是否可信？是否代表了本的真實(shí)水平？而不能僅僅停留在價(jià)格或者非常不重要的指標(biāo)，如是否有3D形貌分析上。一臺(tái)光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x的基本功能，如表面張力、界面張力和接觸角測(cè)量都不能讓人滿(mǎn)意的情況下，再多的額外功能，再好的其他指標(biāo)，也不能代表什么！一切必須以是否能夠測(cè)準(zhǔn)接觸角值，測(cè)到接觸角值，測(cè)準(zhǔn)表面張力值為準(zhǔn)。而且，接觸角測(cè)量的檢定標(biāo)準(zhǔn)一定不是玻璃校定板，而是紅寶石球3D校準(zhǔn)工具。只有3D工具才能夠檢定出來(lái)3D時(shí)空的接觸角測(cè)量結(jié)果?？傊?，數(shù)據(jù)的性是接觸角測(cè)定儀的生命。
如下提供了一張接觸角測(cè)試圖片。照片是測(cè)試超高粘度膠水（12100CP.S)與PE材料的接觸角值。這張圖片看似非常普通，但是由于如下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的存在，使用這張圖片成為了絕大多數(shù)商業(yè)化接觸角測(cè)量?jī)x分析軟件的夢(mèng)魘：
1、膠水粘度高：
（1）測(cè)試液體（膠水）的粘度高達(dá)12100CP.S，從而再高的進(jìn)液器控制精度也是沒(méi)有任何意義了，因而，此時(shí)采用圓擬合和WH法基本沒(méi)有任何用途。
（2）由于膠水粘度高，因而其流平性較差，因而極可能形成左、右接觸角不一致現(xiàn)象。如圖片所示。因而，基礎(chǔ)的Young-Laplace方程擬合算法基本沒(méi)用。
2、被測(cè)樣品為厚度只有0.1mm的PE膜：樣品不易形成很平整的表面，易造成水平基線(xiàn)位置有雜點(diǎn)。如圖片所示。此時(shí)，采用局部輪廓擬合的切線(xiàn)法沒(méi)有任何用武之地。
3、圖像的清晰度、對(duì)比度差，進(jìn)一步考驗(yàn)軟件的邊緣分析能力。
如下圖片可下載后，再導(dǎo)入其他商業(yè)化的接觸角測(cè)量?jī)x分析軟件中進(jìn)行分析。如采購(gòu)儀器時(shí)，也可讓相應(yīng)的供應(yīng)商對(duì)本圖片進(jìn)行分析后再作終評(píng)估。接觸角測(cè)試儀關(guān)鍵的在于處理異常圖片或異常情況下的角度或表面張力測(cè)值。對(duì)于的圖片的計(jì)算結(jié)果則無(wú)法評(píng)估其功能的強(qiáng)大與否的。
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該圖片如果采用ADSA-RealDrop算法進(jìn)行分析時(shí)，結(jié)果為左接觸角84.299度，右接觸角95.408度。如下所示：
.bmp)
相應(yīng)的邊緣查找后臺(tái)效果如下所示：
對(duì)于同一張圖片，進(jìn)行了8位灰度處理后，再采用其他商業(yè)化的接觸角分析軟件分析的結(jié)果如下所示：
1、自動(dòng)水平線(xiàn)功能如下：
2、邊緣查找功能如下：
3、圓擬合計(jì)算接觸角值的結(jié)果：
4、橢圓擬合計(jì)算接觸角的分析結(jié)果：
5、切線(xiàn)法擬合計(jì)算接觸角效果：
6、軸對(duì)稱(chēng)Young-Laplace方程擬合計(jì)算接觸角：
算接觸角.png)
如下為一張超高粘度膠水表面張力測(cè)試的圖片：
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通過(guò)圖片可以看出，在彩色攝像機(jī)條件下，液滴的邊緣輪廓不會(huì)出現(xiàn)黑白相機(jī)時(shí)的過(guò)曝光、邊緣失去、輪廓大小因背景光亮度變化而變化等造成接觸角測(cè)值精度降低的情況。由于被測(cè)試樣品為高粘度膠水，因而，在圖像中出現(xiàn)了明顯的頂點(diǎn)位置的一個(gè)拉絲，即出現(xiàn)了常規(guī)條件下界面張力或表面張力測(cè)值的異常情況。
對(duì)于這樣的圖片，ADSA-RealDrop算法沒(méi)有任何問(wèn)題，由于其采用了兩次擬合分析Bong Number和表面張力、接觸角值的技術(shù)，在無(wú)頂點(diǎn)的情況下，仍可以分析出表面張力值。把下圖放大后，可以看出，黃色的邊緣線(xiàn)缺少了頂點(diǎn)部分被擬合的輪廓線(xiàn)（綠色）所補(bǔ)回，并地計(jì)算出了表面張力分析結(jié)果，左側(cè)為27.469mN/m，右側(cè)為27.841mN/m。左、右兩側(cè)表面張力差值不大，說(shuō)明其垂直度較好，也已經(jīng)形成了較好的Young-laplace弧線(xiàn)。
如下所示：
由于世界上絕大多數(shù)的商業(yè)化的光學(xué)接觸角測(cè)試儀均只能分析黑白圖片，同一張圖片進(jìn)行8位灰度處理后的原圖如下所示，供用戶(hù)導(dǎo)入到相關(guān)軟件后進(jìn)行分析。
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如上的灰度圖片目前對(duì)于大部分商業(yè)化的軟件是無(wú)法正常工作的。
我們用PhotoShop軟件并采用曲線(xiàn)工具對(duì)其進(jìn)行了處理，處理后的圖片如下所示：
(1).bmp)
如下圖片，其他商業(yè)化的軟件的邊緣查找通常分析到了拉絲位置，如下所示：
通過(guò)按Shief鍵或，可以拉動(dòng)下側(cè)的ROI線(xiàn)，改變分析區(qū)域，重新進(jìn)行邊緣查找后的效果如下：
