技術(shù)文章 / Technical articles
相較于圓擬合、橢圓擬合條件下的數(shù)碼量角器而言,接觸角測(cè)量?jī)x具有其非常明顯的特征以及性要求,即要求能夠修正重力或浮力(如有)的影響,同時(shí),測(cè)值接觸角值時(shí),必須綜合考慮表面張力、接觸角以及界面張力的綜合影響。目前,從學(xué)科上來講,只有Young-Laplace方程擬合才能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試界面化學(xué)意義上的接觸角的目的。
在其他文章中,我們對(duì)接觸角測(cè)值中采用圓擬合、橢圓擬合進(jìn)行了對(duì)比,以及對(duì)國(guó)內(nèi)外不同的Young-Laplace方程擬合技術(shù)也進(jìn)行了對(duì)比,具體請(qǐng)參考相關(guān)文章的描述。
目前主流的接觸角測(cè)試算法主要有兩種,其技術(shù)對(duì)比如下所示:
種為基于Select Plance算法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)。這種算法從表面上無法判斷出其采用何種算法計(jì)算Bond系數(shù),而在實(shí)際運(yùn)行中,其顯著特征為不能計(jì)算左、右接觸角值,會(huì)挑液滴接觸角圖片,換言之,對(duì)于部分特殊的接觸角圖片,特別是高于120度以上接觸角值的圖片,其測(cè)值明顯偏大(從擬合特征來看,顯示為擬合線在水平線位置10-30像素左右往內(nèi)收縮)。
ADSA-RealDrop算法基于ADSA-P算法,在擬合分析計(jì)算Bond系數(shù)上具有獨(dú)特的算法,即采用了兩次擬合曲線算法,從而實(shí)現(xiàn)了液滴輪廓分析從軸對(duì)稱向非軸對(duì)稱的轉(zhuǎn)變。本項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在中國(guó)取得了發(fā)明。
如下,我們采用基于Select Plane算法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)和ADSA-RealDrop算法對(duì)同一張圖片進(jìn)行了分析。相關(guān)結(jié)果如下:
原圖如下所示,此圖為氣泡捕獲法時(shí)拍攝下的隱形眼鏡上的接觸角實(shí)際圖譜:
24位接觸角圖片
8位接觸角圖片(采用Select Plane算法時(shí)只能采用8位算法,因而精度會(huì)差一些,無法達(dá)到亞像素級(jí)別)
擬合效果如下:
1、基于Select Plane算法的軟件的擬合結(jié)果如下所示:明顯地,計(jì)算角度值顯示為382度,這是不合理的結(jié)果。且,擬合效果上出現(xiàn)了明顯的擬合輪廓線與實(shí)際的邊緣輪廓出現(xiàn)大偏差的情況。
2、采用ADSA-RealDrop算法的擬合計(jì)算接觸角值的結(jié)果為——明顯地,ADSA-RealDrop算法的找到并計(jì)算得出了左、右角度值的不同,且左、右兩側(cè)的擬合結(jié)果非常平滑,與真實(shí)液滴輪廓匹配。
3、圓擬合時(shí)的計(jì)算接觸角值的結(jié)果如下所示:明顯的,左側(cè)的邊緣輪廓沒有擬合上,這就是ADSA-RealDrop的優(yōu)勢(shì)所在(能夠分析出接觸角值的左、右區(qū)別)。
綜合如上可以得出的結(jié)論為:
1、第二代或第三代的Young-Laplace方程擬合技術(shù),特別是Select Plane算法時(shí)的Young-Laplace方程擬合技術(shù)無法具有通用性,即對(duì)于某些不符合其參數(shù)的圖片是無法進(jìn)行接觸角測(cè)值分析的。這個(gè)與接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試的基本要求,即通用性的要求有差距;
2、ADSA-RealDrop可以適用于包括前進(jìn)、后退角、3D接觸角等等非常復(fù)雜的接觸角測(cè)值,擬合成功率高。結(jié)合CAST3的手自一體功能,從而真正實(shí)現(xiàn)了任意圖片均可以分析得到滿意、重復(fù)性好的接觸角值,也真正做到了接觸角測(cè)值的無“觸”不在!
選點(diǎn)選面法 Selected Plane Method |
基于selected plane的Young-Laplace 方程擬合法 |
ADSA-RealDrop |
缺點(diǎn): |
優(yōu)點(diǎn): |
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1、次擬合分析邦德系Bond Number時(shí),由于所采用的關(guān)鍵點(diǎn)較少,易受測(cè)點(diǎn)位置噪聲影響 |
1、測(cè)試操作簡(jiǎn)單,精度高 |
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2、計(jì)算精度受公式或查找表格相關(guān)修正因子或參數(shù)的影響較大 |
2、化程度高,測(cè)試數(shù)據(jù)的可信度高,測(cè)值引用文獻(xiàn)多 |
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3、分析表面張力時(shí),需要采用與標(biāo)定參數(shù)時(shí)同樣的條件(或針頭的直徑、針頭的材質(zhì)、溫濕度條件等),測(cè)值結(jié)果存在不確定性 |
3、無系數(shù)標(biāo)定,不受針頭直徑、材質(zhì)等因素影響 |
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4、只能用于分析軸對(duì)稱的液滴,易受振動(dòng)影響 |
4、可以應(yīng)用于非軸對(duì)圖像的液滴表面張力分析 |
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5、測(cè)試精度一般,重復(fù)性一般 |
5、不易受振動(dòng)的影響 |
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6、全自動(dòng)化程度差 |
只能測(cè)試部分Bond Number范圍內(nèi)的液滴外形的表面張力值,不能測(cè)試所有范圍的液滴形狀 |
6、可以用于測(cè)試超低界面張力如0.001mN/m,以及超高表面張力(如熔化的金屬) |
優(yōu)點(diǎn): |
缺點(diǎn): |
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經(jīng)典測(cè)試方法 |
解決了測(cè)試速度和測(cè)值全自動(dòng)問題,在20世紀(jì)90年代中期的計(jì)算機(jī)技術(shù)條件下,達(dá)到這個(gè)水平已經(jīng)基本滿足要求 |
相較于稱重原理的表面張力儀,測(cè)值精度及重復(fù)性略低,通常為1mN/m,而稱重法時(shí)可以達(dá)到0.2mN/m。 |