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,接觸角測量儀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,測值接觸角值時,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,從學科上來講,只有Young-Laplace方程擬合才能夠?qū)崿F(xiàn)測試界面化學意義上的接觸角的目的。
在其他文章中,我們對接觸角測值中采用圓擬合、橢圓擬合進行了對比,以及對國內(nèi)外不同的Young-Laplace方程擬合技術(shù)也進行了對比,具體請參考相關文章的描述。
目前主流的接觸角測試算法主要有兩種,其技術(shù)對比如下所示:
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算Bond系數(shù),而在實際運行中,其顯著特征為不能計算左、右接觸角值,會挑液滴接觸角圖片,換言之,對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,在擬合分析計算Bond系數(shù)上具有獨特的算法,即采用了兩次擬合曲線算法,從而實現(xiàn)了液滴輪廓分析從軸對稱向非軸對稱的轉(zhuǎn)變。本項技術(shù)已經(jīng)在中國取得了發(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算法對同一張圖片進行了分析。相關結(jié)果如下:
原圖如下所示,此圖為氣泡捕獲法時拍攝下的隱形眼鏡上的接觸角實際圖譜:
24位接觸角圖片
8位接觸角圖片(采用Select Plane算法時只能采用8位算法,因而精度會差一些,無法達到亞像素級別)
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算法的擬合計算接觸角值的結(jié)果為——明顯地,ADSA-RealDrop算法的找到并計算得出了左、右角度值的不同,且左、右兩側(cè)的擬合結(jié)果非常平滑,與真實液滴輪廓匹配。
3、圓擬合時的計算接觸角值的結(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算法時的Young-Laplace方程擬合技術(shù)無法具有通用性,即對于某些不符合其參數(shù)的圖片是無法進行接觸角測值分析的。這個與接觸角測量儀測試的基本要求,即通用性的要求有差距;
2、ADSA-RealDrop可以適用于包括前進、后退角、3D接觸角等等非常復雜的接觸角測值,擬合成功率高。結(jié)合CAST3的手自一體功能,從而真正實現(xiàn)了任意圖片均可以分析得到滿意、重復性好的接觸角值,也真正做到了接觸角測值的無“觸”不在!
選點選面法 Selected Plane Method |
基于selected plane的Young-Laplace 方程擬合法 |
ADSA-RealDrop |
缺點: |
優(yōu)點: |
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1、次擬合分析邦德系Bond Number時,由于所采用的關鍵點較少,易受測點位置噪聲影響 |
1、測試操作簡單,精度高 |
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2、計算精度受公式或查找表格相關修正因子或參數(shù)的影響較大 |
2、化程度高,測試數(shù)據(jù)的可信度高,測值引用文獻多 |
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3、分析表面張力時,需要采用與標定參數(shù)時同樣的條件(或針頭的直徑、針頭的材質(zhì)、溫濕度條件等),測值結(jié)果存在不確定性 |
3、無系數(shù)標定,不受針頭直徑、材質(zhì)等因素影響 |
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4、只能用于分析軸對稱的液滴,易受振動影響 |
4、可以應用于非軸對圖像的液滴表面張力分析 |
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5、測試精度一般,重復性一般 |
5、不易受振動的影響 |
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6、全自動化程度差 |
只能測試部分Bond Number范圍內(nèi)的液滴外形的表面張力值,不能測試所有范圍的液滴形狀 |
6、可以用于測試超低界面張力如0.001mN/m,以及超高表面張力(如熔化的金屬) |
優(yōu)點: |
缺點: |
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經(jīng)典測試方法 |
解決了測試速度和測值全自動問題,在20世紀90年代中期的計算機技術(shù)條件下,達到這個水平已經(jīng)基本滿足要求 |
相較于稱重原理的表面張力儀,測值精度及重復性略低,通常為1mN/m,而稱重法時可以達到0.2mN/m。 |