技術(shù)文章 / Technical articles
視頻光學(xué)接觸角測試儀作為界面化學(xué)分析的基本工具其分析功能包括：測試表面張力、界面張力、接觸角、表面自由能等多種功能。目前，世界商業(yè)化的接觸角測量儀已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是，這些接觸角測量儀的廠商中，從功能來看，還是存在很大的區(qū)別的，如下表所示：
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功能 |
國產(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)測試 |
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接觸角 |
量角器：圓擬合、WH法、橢圓擬合、切線法 |
量角器：圓擬合、WH法、橢圓擬合、切線法 |
非軸對稱的Young-Laplace方程擬合算法：ADSA-RealDrop |
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簡單的界面化學(xué)分析：軸對稱的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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軟件部分采用切線法或橢圓擬合法 |
軟件部分采用切線法或橢圓擬合法 |
軟件除提供切線、橢圓擬合外，更關(guān)鍵在于提供非軸對稱的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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無本征接觸角計(jì)算功能 |
無本征接觸角計(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 |
無 |
3D接觸角平臺(tái) 3D接觸角鏡頭 |
通過本表格的分析，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，評估視頻光學(xué)接觸角測定儀事實(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)接觸角測量儀的基本功能，如表面張力、界面張力和接觸角測量都不能讓人滿意的情況下，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準(zhǔn)接觸角值，測到接觸角值，測準(zhǔn)表面張力值為準(zhǔn)。而且，接觸角測量的檢定標(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3D時(shí)空的接觸角測量結(jié)果?？傊?，數(shù)據(jù)的性是接觸角測定儀的生命。
如下提供了一張接觸角測試圖片。照片是測試超高粘度膠水（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)化接觸角測量儀分析軟件的夢魘：
1、膠水粘度高：
（1）測試液體（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有任何意義了，因而，此時(shí)采用圓擬合和WH法基本沒有任何用途。
（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用。
2、被測樣品為厚度只有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法沒有任何用武之地。
3、圖像的清晰度、對比度差，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)化的接觸角測量儀分析軟件中進(jìn)行分析。如采購儀器時(shí)，也可讓相應(yīng)的供應(yīng)商對本圖片進(jìn)行分析后再作終評估。接觸角測試儀關(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值。對于的圖片的計(jì)算結(jié)果則無法評估其功能的強(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、切線法擬合計(jì)算接觸角效果：
6、軸對稱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試的圖片：
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通過圖片可以看出，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值精度降低的情況。由于被測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值的異常情況。
對于這樣的圖片，ADSA-RealDrop算法沒有任何問題，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，黃色的邊緣線缺少了頂點(diǎn)部分被擬合的輪廓線（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，說明其垂直度較好，也已經(jīng)形成了較好的Young-laplace弧線。
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于大部分商業(yè)化的軟件是無法正常工作的。
我們用PhotoShop軟件并采用曲線工具對其進(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：
通過按Shief鍵或，可以拉動(dòng)下側(cè)的ROI線，改變分析區(qū)域，重新進(jìn)行邊緣查找后的效果如下：
