一種憎水性時靜態接觸角檢測方法

2023-09-18 17:10:25

專利名稱：一種憎水性時靜態接觸角檢測方法
技術領域：
本發明屬於材料性能測試技術領域，尤其涉及一種憎水性時靜態接觸角檢測方法。
背景技術：
材料的表面能是表徵材料性能的一個重要參數，表面能低的材料具有憎水性強的特點，在船舶防汙、電力系統防汙閃、防覆冰材料等方面都有著廣泛的應用。表面能是這些材料的關鍵特性，可以通過測量接觸角來獲得材料的表面能。因此，準確測量接觸角具有廣泛的意義。目前常用座滴法測量靜態接觸角，通過接觸角檢測系統獲得液滴圖像後關鍵部分就是接觸角的算法，主要有切線法、量角法、量高法、圓和橢圓擬合算法、θ /2法、多項式和樣條擬合法、ADSA-P算法等。切線法通過量角器直接測量水珠在三重線處的切線，目前也常將水珠圖像存儲為電子圖像後通過手動畫切線然後根據半角公式計算獲得接觸角。由於三重線及附近常較為模糊，而且肉眼對切線的分辨能力也不高，該算法也未能有效利用除三重線附近外水珠邊緣信息，導致其誤差和分散性稍大。假設水珠為一球冠，量角法通過將等腰直角三角形平移和旋轉獲得旋轉過的角度進而獲得接觸角。量高法考慮水滴為一個球冠，成像後水珠圖像邊緣為圓的一部分，根據球冠的高和球冠底端圓的直徑通過計算即可獲得接觸角。θ/2法也是假設水珠邊緣為圓形時計算接觸角的一種方法。當水珠體積在6 μ L以下時水珠近似為球冠，這些方法誤差較小，但隨著水珠體積的增加水滴逐漸偏離球冠，算法誤差增加。(多項式和樣條)擬合法選擇水珠三重線附近的一些關鍵點， 然後基於某種表達式進行擬合，獲得曲線後根據三重線處的切線即可獲得接觸角。對不同憎水性情況下接觸角測量進行了研究，發現基於圓與橢圓擬合算法的組合有不錯的效果。 但假設水珠邊緣為圓或橢圓的一部分僅僅是對水珠邊緣的一種近似，隨著接觸角和水珠體積的增加，圖像上的水珠邊緣逐漸偏離圓和橢圓，用圓和橢圓擬合算法的誤差逐漸增大。 ADSA-P(axisymmetric drop shape analysis-profile)算法根據 Young-Laplace 方禾呈推導獲得水珠邊緣滿足的關係，然後針對獲得的水珠邊緣點獲得方程參數進而獲得接觸角。 ADSA-P算法原理相對複雜、計算量較大、受圖像清晰度、偏轉等因素影響大，但該算法理論上對水珠體積沒有要求，能很好利用水珠邊緣信息，具有自己的優點。處於憎水性狀態時不同材料的靜態接觸角差別很大，可在90° 180°範圍內變化，而實際測量時所用水珠體積可能在較大範圍內變化，甚至可大至100 μ L。通常使用的切線法、圓擬合算法、θ/2法、 量角法、量高法、多項式和樣條擬合法、橢圓擬合算法和ADSA-P算法中任選一個算法均不能在整個接觸角和水珠體積變化範圍內均能準確獲得靜態接觸角。

發明內容
針對上述背景技術中提到現有單一水珠靜態接觸角計算方法計算精度低的不足， 本發明提出了一種憎水性時靜態接觸角檢測方法。
本發明的技術方案是，一種憎水性時靜態接觸角檢測方法，其特徵是該方法包括以下步驟步驟1 採集水珠圖像；步驟2 對水珠圖像進行分析a.當水珠靜態接觸角在大於90°、小於等於110°範圍內，且水珠體積小於 IOOyL時，選擇橢圓擬合算法；b.當水珠靜態接觸角在大於110°、小於等於130°範圍內，且水珠體積不大於 10 μ L時，選擇橢圓擬合算法；C.當水珠靜態接觸角大於110°、小於等於130°範圍內，且水珠體積大於IOyL 時，選擇ADSA-P算法；d.當水珠靜態接觸角大於130°時，選擇ADSA-P算法；步驟3 根據上述算法求得的固、液、氣三者交界點處的切線求得接觸角。所述橢圓擬合算法求接觸角的計算公式為θ = ( θ L+ θ R) /2其中θ為接觸角；θ L為使用橢圓擬合算法時求得的最終左接觸角；θ R為使用橢圓擬合算法時求得的最終右接觸角。所述θ J勺計算公式為θ L = θ L2-180atan (k》/ π其中θ 為左側的接觸角；Ic1為固體水平面斜率。所述θ R的計算公式為θ R = θ E2+180atan (k》/ π其中θ R2為右側的接觸角。所述ADSA-P算法求接觸角的計算公式為θ = ( θ θ r) /2其中θ χ為使用ADSA-P算法時求得的最終左接觸角；θ r為使用ADSA-P算法時求得的最終右接觸角。本發明的有益效果包括(1)計算準確性高不同水珠體積和接觸角情況下，水珠邊緣近似服從的曲線不同，本方法通過對不同接觸角和水珠體積的情況選擇合適的曲線方程並擬合，能得到更加準確的接觸角。(2)適應範圍廣單一的圓擬合算法、橢圓擬合算法或ADSA-P算法在一定範圍的水珠體積和接觸角時計算的準確性較高，但在其他情況下準確性下降，本發明針對不同水珠體積和接觸角時均選擇更加合適的算法。因此，它在不同的水珠體積和憎水性下均能得到更為準確的接觸角，適用範圍更廣。


圖1為本發明的流程圖；圖2為水珠邊緣示意圖；圖3為各接觸角下橢圓擬合算法準確性的效果圖；圖3a s 分別為接觸角為 90°、95° UOO0、105° UlO0、115°、120°、125°、 130° ,135° ,140° ,145° ,150° ,155° ,160° ,165° ,170° ,175° 和 179° 下水珠體積對橢圓擬合算法準確性的影響；圖4為不同接觸角和水珠體積時的擬合效果圖；圖^、b為接觸角為90°，水珠體積分別為0. 51 μ L和101. 18 μ L時仿真水珠用橢圓擬合算法的擬合效果；圖4c、d為接觸角為105°，水珠體積分別為0. 70 μ L和104. 28 μ L 時仿真水珠用橢圓擬合算法的擬合效果；圖4e、f為接觸角為140°，水珠體積分別為 4. 23μ L和99. 68 μ L時仿真水珠用橢圓擬合算法的擬合效果；圖4g、h為接觸角為140°， 水珠體積分別為4. 23 μ L和99. 68 μ L時仿真水珠用ADSA-P算法的擬合效果；圖4i、j為接觸角為170°，水珠體積分別為l.OOyL和105. 17 μ L時仿真水珠用橢圓擬合算法的擬合效果；圖4k、1為接觸角為170°，水珠體積分別為1. 00μ L和105. 17 μ L時仿真水珠用 ADSA-P算法的擬合效果；圖5為潔淨HTV時水珠體積對橢圓擬合算法得到靜態接觸角的影響；圖6為潔淨HTV且水珠體積為5 μ L時橢圓擬合算法的計算結果；圖7為染汙的RTV水珠體積為10 μ L時，不同算法的計算結果；圖7a為橢圓擬合算法的計算結果；圖7b為ADSA-P算法的計算結果；圖8為超疏水的水珠圖像在不同算法下的計算結果；圖fe為橢圓擬合算法的計算結果；圖8b為ADSA-P算法的計算結果。
具體實施例方式下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。本發明是通過如下技術方案實現的使用數位相機或鏡頭、工業相機結合圖像採集卡在垂直於材料所在平面拍照獲得水珠圖像，針對該圖像獲得水珠邊緣後根據憎水性和水珠體積的大小自適應選擇橢圓擬合算法或ADSA-P算法進行擬合。根據這些參數獲得在固、液、氣三者交界點處的切線即可獲得靜態接觸角。1.橢圓擬合算法橢圓擬合算法大致可分為兩類，基於聚類的算法和最小二乘擬合的算法，後者應用更廣泛，它主要是通過調整橢圓的參數來使離散數據點到橢圓距離測度的和最小化，常規最小二乘擬合計算量大，接觸角計算的實時性將受到影響。橢圓的一般方程可表示為
F (m, η) = η · m = ax2+bxy+cy2+dx+ey+f = 0(1)式中x、y分別表示橫、縱坐標，m = [a, b, c, d, e, f]T, η = [x2，xy，y2，x，y，1]。設Iii = [Xi2, XiYi, Ji2, Xi, Yi, 1]，B = [nj, n2T, · · ·，n/. · ·，nNT]T, (m, Iii)稱之為平面上點(Xi，Yi)到曲線F(m，η) = 0的代數距離。當橢圓擬合所有離散數據點代數距離平方和最小時即可求解出相應的二次曲線，這屬於非線性最小二乘問題，需要迭代，常規的最小二乘算法如Levenberg-Marquardt算法計算量和編程量都較大。對於N點的觀測數據， 擬合準則為
權利要求
1.一種憎水性時靜態接觸角檢測方法，其特徵是該方法包括以下步驟 步驟1 採集水珠圖像；步驟2 對水珠圖像進行分析a.當水珠靜態接觸角在大於90°、小於等於110°範圍內，且水珠體積小於100μ L時， 選擇橢圓擬合算法；b.當水珠靜態接觸角在大於110°、小於等於130°範圍內，且水珠體積不大於IOyL 時，選擇橢圓擬合算法；c.當水珠靜態接觸角大於110°、小於等於130°範圍內，且水珠體積大於10μ L時，選擇ADSA-P算法；d.當水珠靜態接觸角大於130°時，選擇ADSA-P算法；步驟3 根據上述算法求得的固、液、氣三者交界點處的切線求得接觸角。
2.根據權利要求1所述的一種憎水性時靜態接觸角檢測方法，其特徵是所述橢圓擬合算法求接觸角的計算公式為θ = (θι+θΕ)/2其中θ為接觸角；θ ^為使用橢圓擬合算法時求得的最終左接觸角； θ Ε為使用橢圓擬合算法時求得的最終右接觸角。
3.根據權利要求2所述的一種憎水性時靜態接觸角檢測方法，其特徵是所述θ^的計算公式為θ L = θ L2-ISOatan(Ii1)/π其中θ L2為左側的接觸角； &為固體水平面斜率。
4.根據權利要求2所述的一種憎水性時靜態接觸角檢測方法，其特徵是所述θκ的計算公式為θ Ε = θ E2+180atan (^)/ π其中θ Κ2為右側的接觸角。
5.根據權利要求1所述的一種憎水性時靜態接觸角檢測方法，其特徵是所述ADSA-P算法求接觸角的計算公式為θ = (θ1+θΓ)/2其中θ ！為使用ADSA-P算法時求得的最終左接觸角； θ r為使用ADSA-P算法時求得的最終右接觸角。
全文摘要
本發明公開了材料性能測試技術領域中的一種憎水性時靜態接觸角檢測方法。首先採集水珠圖像，然後對水珠圖像進行分析，對不同條件下的水珠選擇指定的算法進行分析，最後求得接觸角。本發明根據實際條件選擇接觸角算法，計算準確度高、試用範圍廣。
文檔編號G01N13/00GK102507390SQ20111034291
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月3日 優先權日2011年11月3日
發明者律方成, 徐志鈕 申請人:華北電力大學(保定)