一種在超重力環境下測量接觸角的裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種在超重力環境下測量接觸角的裝置及方法，包括長臂離心機系統、接觸角測量系統，長臂離心機系統由轉動系統、長臂系統、承重系統組成；接觸角測量系統由密閉腔室、進液系統、照明系統、在線觀測系統、樣品臺系統組成。本發明克服了常規接觸角測定儀體積龐大、無法在離心超重條件下測量接觸角的缺點，取得了在離心超重和常重力條件下準確測量固—液動態接觸角的效果。
【專利說明】一種在超重力環境下測量接觸角的裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測量固一液動態接觸角的裝置和方法。

【背景技術】
[0002]接觸角是指液體滴在固體表面上時，在氣、液、固三相交界處,氣液界面與固液界面形成的夾角。接觸角是表征液體對固體表面潤濕程度的重要參數，也是接觸角法估算固體表面能的重要參數。在生物界，以及超疏水界面、自清潔表面、流體減阻、低粘附等工業生產領域，接觸角的研究都扮演著重要角色。
[0003]文獻 “Sessile drop in microgravity: creat1n, contact angle andinterface.Microgravity Science and Technology, 2009.21:p.67-76” 報道了利用拋物線飛機提供的微重力、常重力、2G超重環境下接觸角測量的裝置與方法。利用拋物線飛機營造的超重環境測量接觸角，超重時間短、機會有限、價格昂貴，而離心機可以在地面提供長時間、穩定、低廉的超重環境，并且可以提供不同的超重環境，更能夠方便快捷的測量不同超重環境下的接觸角。專利“超導磁體模擬微重力環境下接觸角測量裝置及其方法，CN 102564905 B，2013.11.06”報道了超導磁體模擬微重力環境下接觸角測量裝置及其方法，它只適用于超導磁體模擬微重力環境這種特殊環境下的接觸角測量，不適用與離心超重環境下接觸角的測量。文獻“接觸角測量技術的最新進展.理化試驗-物理分冊.2008，44:84-89”報道了接觸角測量技術的最新進展，目前測量接觸角方法主要有量角法、測力法、小液滴球冠法、液餅法、垂片法、透過法、躺滴法等。對于超重環境下接觸角的測量而言，測力法需要用調子天平，而電子天平在超重環境下由于自身的應變片或彈簧本身也有重量，會帶來測力帶來不可避免的誤差，故不適用；小液滴球冠法基于液滴很小時液滴形狀受重力的影響被忽略呈標準球冠，這種方法未考慮液滴很小時線能量對接觸角的影響，另一方面它測量的是排除重力影響的接觸角值，而不適用于研究超重環境下接觸角值；液餅法測量的是臨界接觸角值而不是動態接觸角的值；垂片法根據液體由于毛細管作用沿待測薄片上升高度計算出接觸角值，離心超重環境下由于受到CCD觀測系統等條件的限制，此法不適用；透過法是用于測固體粉末的接觸角的方法，而不是固體薄片的接觸角方法；躺滴法是經典的接觸角測量方法，也易于實現，但目前商用的儀器，自動化程度較高、體積龐大、結構復雜，并且只適用于常重力環境下接觸角的測量，對于離心超重環境來說，無法應用。


【發明內容】

[0004]為了克服現有技術的不足，本發明提供一種在離心超重環境下固一液動、靜態接觸角測量裝置，滿足在離心超重環境下測量固一液動態接觸角，也可以滿足在常重力條件下固一液動態接觸角的測量，可進行兩者的對比實驗。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括長臂離心機系統和接觸角測量系統。
[0006]所述的長臂離心機系統包括轉動系統、長臂系統和承重系統，所述的接觸角測量系統包括密閉腔室、進液系統、照明系統、在線觀測系統和樣品臺系統；
[0007]所述的轉動系統包括變頻器、電機、減速機和長臂固定器；交流電由變頻器輸入電機，電機通過減速機驅動安裝在長臂固定器上的長臂系統旋轉；
[0008]所述的長臂系統在長臂兩端分別懸掛密閉腔室和配重，長臂中部通過長臂固定絲杠和長臂固定螺母連接長臂固定器，垂直于長臂的加固定條固定支柱與長臂之間連接若干加固條；
[0009]所述的承重系統包括滾珠軸承、承重支架和底座；長臂固定器通過滾珠軸承安裝在承重支架上，承重支架安裝在底座上；
[0010]所述的密閉腔室是一個密閉的塑料盒，一端安裝在線觀測系統的遠心鏡頭，另一端安裝照明系統，盒內安裝樣品臺系統，樣品臺系統的高度與遠心鏡頭的中心處于同一水平線上；
[0011]所述的照明系統是一平行光背光源；
[0012]所述的觀測系統包括遠心鏡頭、(XD、視頻信號發射器、視頻信號接收器和電腦；CCD將遠心鏡頭觀測到的光學信號轉化為電信號，通過視頻信號發射器和視頻信號接收器傳送至電腦進行顯示；
[0013]所述的樣品臺系統通過有機玻璃的上底板和下底板固定樣品；
[0014]所述的進液系統包括液體注射單元、針頭、液體注射單元發射器和液體注射單元接收器；液體注射單元中，馬達驅動注射器推桿，注射器出口通過軟管連接針頭，針頭進入密閉腔室且垂直固定于樣品正上方；液體注射單元接收器接收液體注射單元發射器發射的信號，驅動電機正轉或反轉；
[0015]所述的液體注射單元、液體注射單元接收器、CCD控制器和視頻信號發射器都固定在長臂上。
[0016]本發明還提供一種在離心超重環境下測量固一液動態接觸角的方法，包括以下步驟:
[0017](I)啟動離心機，調節變頻器旋鈕，將離心機的轉速調到期望值；
[0018](2)待離心機的轉速穩定后，利用液體注射單元信號發射器向液體注射單元接收器發射進液和吸液的信號，實現液滴在固體樣品表面上的前進與后退；
[0019](3)利用實時觀測系統實時捕捉液滴在前進或后退過程中隨時間變化的外觀圖像；
[0020](4)利用接觸角分析軟件drop analysis-drop snake軟件每巾貞圖片中液滴的前進或后退接觸角值。
[0021]本發明的有益效果是:本發明為了研究超重環境下的潤濕性，設計并構建了用于接觸角測量的長臂離心機及接觸角測量儀，發展了接觸角測定方法，克服了常規接觸角測定儀體積龐大、無法在離心超重條件下測量接觸角的缺點，取得了在離心超重和常重力條件下準確測量固一液動態接觸角的效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的示意圖；
[0023]圖2是本發明的離心機轉動系統示意圖；
[0024]圖3是本發明的離心機長臂系統示意圖；
[0025]圖4是本發明的離心機承重系統示意圖；
[0026]圖5是本發明的接觸角測量系統示意圖；
[0027]圖6是本發明的觀測系統示意圖；
[0028]圖7是本發明的樣品臺系統不意圖；
[0029]圖8是本發明的液體注射單元示意圖。
[0030]圖中:1 一配重，2—長臂，3—液體注射單元接收器，4一視頻信號發射器，5—長臂加固條，6一液體注射單兀，7一接觸角測量單兀，8一視頻信號接收器，9一液體注射單兀發射器，10 一電腦，11 一變頻器，12 一底座，13 一減速器，14 一電機，15 一調節螺絲，16 一長臂固定器，17—梅花聯軸器，18—彈片聯軸器，19一掛桿，20—長臂固定器轉動軸，21—長臂固定螺母，22—長臂固定絲杠，23—支柱，24—錐形軸承外套，25—錐形軸承底座，26—承重板，27—卡套，28—滾珠軸承，29—卡槽螺母，30—卡槽螺母絲杠，31—承重梁，32—承重支柱，33—注射器，34—螺紋推桿，35—小馬達，36—液體注射單元夾具，37—連接軟管，38—密閉腔室，39—平行光光源，40—樣品臺，41 一遠心鏡頭，42—招制底板，43 —CCD, 44一CO)控制器，45 —USB視頻卡，46—樣品臺下底板，47—樣品臺上底板,48—樣品,49—樣品臺支柱，50一聯軸器，51—四角螺母，52一卡扣。

【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限于下述實施例。
[0032]本發明包括長臂離心機系統、接觸角測量系統。長臂離心機系統由轉動系統、長臂系統、承重系統組成；而接觸角測量系統由密閉腔室、進液系統、照明系統、在線觀測系統、樣品臺系統組成。
[0033]所述的長臂離心機轉動系統是由變頻器、電機、減速機、聯軸器、長臂固定器構成的。變頻器輸入端接交流電，輸出端接電機。電機轉動軸通過梅花聯軸器與減速機的水平方向的軸連接，減速機的豎直方向的軸再通過彈片聯軸器與長臂固定器的軸相連，而長臂固定在長臂固定器上。通過調節變頻器輸出的電流頻率調節電機的轉速，電機的轉速經過減速機減速，減速機減速后的轉速就是長臂的轉速，也就是此離心機的轉速，不同的轉速，產生不同的離心力，即不同的超重環境。
[0034]所述的長臂系統由鋁合金方形管長臂、長臂不銹鋼加固條、加固條固定支柱、掛桿組成。鋁合金方形管長臂的中間有兩個用于固定于與長臂固定器固定用的螺絲孔。不銹鋼加固條通過加固條固定支架在豎直方向對鋁合金方形管長臂進行了加固，減少了在其轉動過程中的抖動。鋁合金方形管長臂的兩端安裝有用絲杠做成的掛桿，用于懸掛接觸角測量單元和配重。
[0035]承重系統由錐形軸承、承重板、卡套、滾珠軸承、卡槽螺母、卡槽螺母絲杠、承重支架、底座組成。長臂固定器的軸端緊密配合裝有錐形軸承的外套，承重板緊密配合裝有錐形軸承的底座。長臂固定器外周通過緊密配合連接有一卡套，卡套外周通過緊密配合連接有一滾珠軸承，卡槽螺母和卡槽螺母絲杠將滾珠軸承和承重板固定在承重支架上。
[0036]所述的承重支架由四根承重支柱和兩根三角鋼承重梁組成，兩根三角鋼承重梁平行通過螺母固定在承重支柱上。承重支柱的通過螺母固定在底座上。
[0037]所述的底座是一塊鋼板，上面有三個調節螺絲，通過緊調節螺絲或者松動調節螺絲，可以實現鋼板的水平調節。
[0038]所述的接觸角測量系統密閉腔室是由塑料盒子做成的一個長方體形狀密閉空間，一端裝有供觀測用的遠心鏡頭，另一端裝有照明系統，在鏡頭與照明系統之間裝有樣品臺系統，樣品臺系統的高度與鏡頭的中心處于同一水平線上。在樣品臺系統正上方是針頭，針頭垂直于樣品臺。
[0039]所述的照明系統是一平行光背光源，由安裝在凸透鏡焦點處的LED燈作為發光光源，光線經過凸透鏡匯聚后呈平行光。光的強度可以通過與LED電源相連的繼電器調節。
[0040]所述的在線觀測系統是一個遠程在線觀測系統，由遠心鏡頭、(XD、CXD控制器、視頻信號發射器、視頻信號接收器、USB視頻卡、電腦組成。CCD將遠心鏡頭觀測到的光學信號轉化為電信號，視頻信號通過視頻信號發射器遠程發射，被視頻信號接收器接收，通過USB視頻卡從而在電腦上顯示出圖像，進而實現實時觀測。
[0041]所述的樣品臺系統是一個固體樣品固定臺，底部是四根銅樣品臺支柱，樣品臺支柱固定在密閉腔室底部，樣品臺支柱頂部固定樣品臺。樣品臺由樣品臺上底板和樣品臺下底板組成，均由有機玻璃制成:樣品臺上底板由兩塊帶有凹槽，用以卡樣品，并可以隨時拆下，起到夾緊和卡樣品的雙重作用；樣品臺下底板起到支撐樣品的作用。在安裝樣品時，先將樣品臺上底板拆下，將樣品卡住，然后放在樣品臺下底板的固定位置上，再用螺絲將樣品臺上底板和樣品臺下底板固定。
[0042]所述的進液系統由液體注射單元、連接軟管、針頭、液體注射單元發射器、液體注射單元接收器組成。液體注射單元由液體注射單元夾具、小馬達、聯軸器、螺紋推桿、卡扣、進樣器(注射器)組成。小馬達、聯軸器、螺紋推桿、注射器、卡扣，都被安裝在一個由有機玻璃制成的液體注射單元夾具之中。液體注射單元接收器輸出端接小馬達，小馬達與螺紋推桿通過聯軸器固連，螺紋推桿與注射器推桿通過卡扣連接，注射器出口接連接軟管，連接軟管連接針頭。液體注射單元發射器發射信號，液體注射單元接收器接收到信號后，啟動電機順時針或逆時針旋轉，進而帶動與電機固連的螺紋推桿順時針或逆時針旋轉，從而使注射器推桿推進或后退，最終實現液體從針頭的擠出或吸入。
[0043]所述的液體注射單元、液體注射單元接收器、CCD控制器、視頻信號發射器都固定在長臂上。
[0044]所述的密閉腔室固定在一塊鋁制底板上，鋁制底板兩端裝有吊鉤，通過吊鉤將接觸角測量單元掛在長臂一端的掛桿上。長臂的另一端掛桿上掛有重量與接觸角測量單元相等鋁合金制的配重，實現離心旋轉時長臂的平衡。
[0045]所述的接觸角測量單元是指密閉腔室、鋁制底板、吊鉤、樣品臺系統、遠心鏡頭、(XD、平行光光源、連接軟管、針頭組裝成的一個整體。
[0046]圖1為本發明在離心超重環境下接觸角測量裝置整體外觀圖，包括:配重1，長臂2，液體注射單元接收器3，視頻信號發射器4，長臂加固條5，液體注射單元6，接觸角測量單元7，視頻信號接收器8，液體注射單元發射器9，電腦10，變頻器11，I底座12，減速器13，電機14，調節螺絲15。
[0047]離心機的長臂2長6000mm，即離心機的旋轉半徑為3000mm。接觸角測量單元7懸掛在長臂的一端，另一端懸掛有重量與接觸角測量單元相同的配重1，這保持了離心機在離心旋轉過程中保持平衡。電機14，減速機13都固定在底座12上，調節三個螺絲15調節可以調節底座12保持水平。
[0048]調節變頻器11的旋鈕，可以調控電機14的轉速，電機14的轉速經過減速機13的減速后就是長臂2的轉速，即離心機的轉速。變頻器11有數字顯示器，接觸角實驗開始前，先確定離心機轉速與變頻器示數之間的關系，然后通過變頻器11示數的精確控制調控離心機的轉速，而轉速與重力之間有固定的關系，故，通過調控變頻器11的示數就可以相應地調控離心重力水平。
[0049]本裝置的液體注射單元發射器9可以發射液體注射的信號，液體注射單元接收器3接收到信號后啟動液體注射單元6向接觸角測量單元7注射或回吸液體。視頻信號發射器4會將從接觸角測量單元7接收到的視頻信號發射出去，在遠處的視頻信號接收器8會將視頻信號發射器4發射過來的視頻信號接收，并在電腦10上顯示，實現接觸角測量單元7中液滴前進或后退的在線觀測。
[0050]見圖2本發明離心機的轉動系統，主要包括變頻器11，電機14，梅花聯軸器17，減速機13，彈片聯軸器18，長臂固定器16。
[0051]通過調節變頻器11的示數，可以精確調節電機14的轉速，電機14的轉動軸的轉動通過梅花聯軸器17帶動減速機13水平方向軸的轉動，減速機13水平方向軸的轉動會帶動減速機13豎直方向軸的轉動，減速機豎直方向軸的轉動會通過彈片聯軸器18帶動長臂固定器16的轉動。從而實現通過調節變頻器11調控離心機轉速的過程。
[0052]見圖3離心機長臂系統，主要包括配重1，長臂2，長臂加固條5，接觸角測量單元7，長臂固定器16，掛桿19，長臂固定器轉動軸20，長臂固定螺母21，長臂固定絲杠22，支柱23。
[0053]長臂固定絲杠22和長臂固定螺母21將長臂2和長臂固定器16固定并連為一體。接觸角測量單元7和配重I都掛在長臂上的掛桿19上。長臂加固條5通過支柱23將長臂進行加固，減少長臂的撓度。長臂固定器轉動軸20通過圖2中的彈片聯軸器18與圖2中的減速機13豎直方向的軸固連。
[0054]見圖4離心機承重系統,主要包括錐形軸承(錐形軸承外套24,錐形軸承底座25)，承重板26，卡套27，滾珠軸承28，卡槽螺母29，卡槽螺母絲杠30，承重梁31，承重支柱32。
[0055]錐形軸承外套24通過過盈配合的方式鑲嵌在長臂固定器16之中，錐形軸承的底座25通過過盈配合的方式套在承重板26上，然后將長臂固定器套在底座上，也即是使錐形軸承外套24套在錐形軸承底座25上，這就實現了長臂2及長臂固定器16重量向承重板的轉移。卡套27通過過盈配合的方式套在長臂固定器16上，滾珠軸承28通過過盈配合的方式套在卡套27上，用4個卡槽螺母29將滾珠軸承28的四角卡住，然后用卡槽螺母絲杠30將其固定在由承重梁31和承重支柱32做成的支架上。
[0056]見圖5接觸角測量系統，主要包括液體注射單元接收器3，液體注射單元發射器9，注射器33，螺紋推桿34，小馬達35，液體注射單元夾具36，連接軟管37，密閉腔室38，平行光光源39，樣品臺40，遠心鏡頭41，鋁制底板42，(XD43。
[0057]液體注射單元接收器3的輸出端與小馬達35相連，接收到有液體注射單元發射器9發射的信號后，會啟動小馬達35的順時針或逆時針旋轉，小馬達35與螺紋推桿34固連，螺紋推桿也會隨小馬達35 —起旋轉，從而推動注射器33的推桿，將液體從注射器33擠出到連接軟管37，進入密閉腔室38 (密閉腔室38固定在鋁制底板42上)，通過針頭注射到放在樣品臺40上的樣品上。平行光光源39發出平行光，照在樣品及樣品上的液滴上，遠心鏡頭41將固液接觸的畫面捕捉，傳入(XD43。
[0058]見圖6觀測系統，主要包括遠心鏡頭41，(XD43，CXD控制器44，視頻信號發射器4，視頻信號接收器8，USB視頻卡45，電腦10。
[0059]本發明的觀測系統是實時遠程在線觀測系統，遠心鏡頭41觀測固液接觸過程，圖像信號通過CCD43傳至視頻信號發射器4，視頻信號發射器4發射圖像信號，視頻信號接收器8接收后經過USB視頻卡傳至電腦10顯示，從而實現固液接觸過程的實時在線觀測。
[0060]見圖7樣品臺系統，主要包括樣品臺下底板46，樣品臺上底板47，樣品48，樣品臺支柱49。
[0061]樣品臺支柱49將樣品臺固定在密閉腔室38的底部，并將樣品臺下底板46和樣品臺上底板47支撐起來，樣品48卡在樣品臺上底板47的卡槽內夾到樣品臺下底板46上。
[0062]見圖8液體注射單元，主要包括注射器33，螺紋推桿34，小馬達35，液體注射單元夾具36，連接軟管37，聯軸器50，四角螺母51，卡扣52。
[0063]由于小馬達35與螺紋推桿34通過聯軸器50固連，小馬達35順時針旋轉會帶動螺紋推桿35順時針旋轉。另外，固定的四角螺母51套在螺紋推桿35上，螺紋推桿35的順時針旋轉這會使它自己緩慢向前移動，通過卡扣52推動注射器推桿，液體從注射器33進入連接軟管37，進而從針頭被擠出。小馬達35逆時針旋轉，拉動注射器推桿與注射器33發生相對位移，從而實現液體回吸的過程。
[0064]方法實施例1:
[0065](I)離心超重2G環境下三蒸水在硅晶片上前進、后退接觸角的測量。
[0066]第一步:將接觸角測量單元7掛在長臂2的掛桿19上，長臂2另一端的掛桿19上掛上配重I。
[0067]第二步:將三蒸水吸入注射器33，排除氣泡后與連接軟管37連接，裝入液體注射單元夾具36的卡槽中。打開密閉腔室38，將事先準備好的硅晶片卡在樣品臺上底板47的卡槽中一起放在樣品臺下底板46上，四角用螺絲固定，蓋上密閉腔室的蓋子，打開平行光光源39。
[0068]第三步:打開變頻器11電源，調節調節旋鈕至變頻器17示數為17.70，此時離心機旋轉的24rpm，離心重力加速度為2G。
[0069]第四步:從變頻器17示數調為17.70時記時，I分鐘后認為離心機轉速恒定，此時，啟動觀測系統開始捕捉圖像。每隔I秒捕捉I張。用液體注射單元發射器9向液體注射單元6發射進液指令，液體注射單元接收器3接收到指令后，啟動小馬達35順時針旋轉，將液滴緩慢擠出，直至視頻視野中液滴長大到合適大小，然后用液體注射單元發射器9向液體注射單元接收器3發射回吸液體指令，液體注射單元6中的小馬達35逆時針旋轉，將液體緩慢回吸，直至將硅晶片上的三蒸水被吸干。液滴在硅晶片上不斷增大的過程中形成了前進角，當三蒸水被回吸，液滴減小的過程中形成了后退角。實驗結束后，停止圖像捕捉。
[0070]第五步:接觸角的分析。利用接觸角分析軟件drop analysis-drop snake軟件分析從第四步捕捉到的圖片中液滴的前進和后退接觸角值。
[0071](2)對照試驗:常重力條件下三蒸水在硅晶片上前進、后退接觸角的測量。
[0072]第一步:將接觸角測量單元7掛在長臂2的掛桿19上，長臂2另一端的掛桿19上掛上配重I。
[0073]第二步:將三蒸水吸入注射器33，排除氣泡后與連接軟管37連接，裝入液體注射單元夾具36的卡槽中。打開密閉腔室38，將事先準備好的硅晶片卡在樣品臺上底板47的卡槽中一起放在樣品臺下底板46上，四角用螺絲固定，蓋上密閉腔室的蓋子，打開平行光光源39。
[0074]第三步:啟動觀測系統開始捕捉圖像。每隔I秒捕捉I張。用液體注射單元發射器9向液體注射單元6發射進液指令，液體注射單元接收器3接收到指令后，啟動小馬達35順時針旋轉，將液滴緩慢擠出，直至視頻視野中液滴長大到合適大小，然后用液體注射單元發射器9向液體注射單元接收器3發射回吸液體指令，液體注射單元6中的小馬達35逆時針旋轉，將液體緩慢回吸，直至將硅晶片上的三蒸水被吸干。液滴在硅晶片上不斷增大的過程中形成了前進角，當三蒸水被回吸，液滴減小的過程中形成了后退角。實驗結束后，停止圖像捕捉。
[0075]第四步:接觸角的分析。利用接觸角分析軟件drop analysis-drop snake軟件分析從第四步捕捉到的圖片中液滴的前進和后退接觸角值。
[0076]方法實施例2:
[0077](I)離心超重5G環境下三蒸水在FEP上前進、后退接觸角的測量。
[0078]第一步:將接觸角測量單元7掛在長臂2的掛桿19上，長臂2另一端的掛桿19上掛上配重I。
[0079]第二步:將三蒸水吸入注射器33，排除氣泡后與連接軟管37連接，裝入液體注射單元夾具36的卡槽中。打開密閉腔室38，將事先準備好的FEP片卡在樣品臺上底板47的卡槽中一起放在樣品臺下底板46上，四角用螺絲固定，蓋上密閉腔室的蓋子，打開平行光光源39。
[0080]第三步:打開變頻器11電源，調節調節旋鈕至變頻器17示數為29.40，此時離心機旋轉的38.6rpm,離心重力加速度為5G。
[0081]第四步:從變頻器17示數調為39.4時記時，I分鐘后認為離心機轉速恒定，此時，啟動觀測系統開始捕捉圖像。每隔I秒捕捉I張。用液體注射單元發射器9向液體注射單元6發射進液指令，液體注射單元接收器3接收到指令后，啟動小馬達35順時針旋轉，將液滴緩慢擠出，直至視頻視野中液滴長大到合適大小，然后用液體注射單元發射器9向液體注射單元接收器3發射回吸液體指令，液體注射單元6中的小馬達35逆時針旋轉，將液體緩慢回吸，直至將FEP片上的三蒸水被吸干。液滴在FEP片上不斷增大的過程中形成了前進角，當三蒸水被回吸，液滴減小的過程中形成了后退角。實驗結束后，停止圖像捕捉。
[0082]第五步:接觸角的分析。利用接觸角分析軟件drop analysis-drop snake軟件分析從第四步捕捉到的圖片中液滴的前進和后退接觸角值。
[0083](2)對照試驗:常重力條件下三蒸水在FEP片上前進、后退接觸角的測量。
[0084]第一步:將接觸角測量單元7掛在長臂2的掛桿19上，長臂2另一端的掛桿19上掛上配重I。
[0085]第二步:將三蒸水吸入注射器33，排除氣泡后與連接軟管37連接，裝入液體注射單元夾具36的卡槽中。打開密閉腔室38，將事先準備好的硅晶片卡在樣品臺上底板47的卡槽中一起放在樣品臺下底板46上，四角用螺絲固定，蓋上密閉腔室的蓋子，打開平行光光源39。
[0086]第三步:啟動觀測系統開始捕捉圖像。每隔I秒捕捉I張。用液體注射單元發射器9向液體注射單元6發射進液指令，液體注射單元接收器3接收到指令后，啟動小馬達35順時針旋轉，將液滴緩慢擠出，直至視頻視野中液滴長大到合適大小，然后用液體注射單元發射器9向液體注射單元接收器3發射回吸液體指令，液體注射單元6中的小馬達35逆時針旋轉，將液體緩慢回吸，直至將FEP片上的三蒸水被吸干。液滴在FEP片上不斷增大的過程中形成了前進角，當三蒸水被回吸，液滴減小的過程中形成了后退角。實驗結束后，停止圖像捕捉。
[0087]第四步:接觸角的分析。利用接觸角分析軟件drop analysis-drop snake軟件分析從第四步捕捉到的圖片中液滴的前進和后退接觸角值。
【權利要求】
1.一種在超重力環境下測量接觸角的裝置，包括長臂離心機系統和接觸角測量系統，其特征在于:所述的長臂離心機系統包括轉動系統、長臂系統和承重系統，所述的接觸角測量系統包括密閉腔室、進液系統、照明系統、在線觀測系統和樣品臺系統；所述的轉動系統包括變頻器、電機、減速機和長臂固定器；交流電由變頻器輸入電機，電機通過減速機驅動安裝在長臂固定器上的長臂系統旋轉；所述的長臂系統在長臂兩端分別懸掛密閉腔室和配重，長臂中部通過長臂固定絲杠和長臂固定螺母連接長臂固定器，垂直于長臂的加固定條固定支柱與長臂之間連接若干加固條；所述的承重系統包括滾珠軸承、承重支架和底座；長臂固定器通過滾珠軸承安裝在承重支架上，承重支架安裝在底座上；所述的密閉腔室是一個密閉的塑料盒，一端安裝在線觀測系統的遠心鏡頭，另一端安裝照明系統，盒內安裝樣品臺系統，樣品臺系統的高度與遠心鏡頭的中心處于同一水平線上；所述的照明系統是一平行光背光源；所述的觀測系統包括遠心鏡頭、CCD、視頻信號發射器、視頻信號接收器和電腦；CCD將遠心鏡頭觀測到的光學信號轉化為電信號，通過視頻信號發射器和視頻信號接收器傳送至電腦進行顯示；所述的樣品臺系統通過有機玻璃的上底板和下底板固定樣品；所述的進液系統包括液體注射單元、針頭、液體注射單元發射器和液體注射單元接收器；液體注射單元中，馬達驅動注射器推桿，注射器出口通過軟管連接針頭，針頭進入密閉腔室且垂直固定于樣品正上方；液體注射單元接收器接收液體注射單元發射器發射的信號，驅動電機正轉或反轉；所述的液體注射單元、液體注射單元接收器、CCD控制器和視頻信號發射器都固定在長臂上。
2.一種利用權利要求1所述裝置的超重力環境下測量接觸角的方法，其特征在于包括下述步驟:(1)啟動離心機，調節變頻器旋鈕，將離心機的轉速調到期望值；(2)待離心機的轉速穩定后，利用液體注射單元信號發射器向液體注射單元接收器發射進液和吸液的信號，實現液滴在固體樣品表面上的前進與后退；(3)利用實時觀測系統實時捕捉液滴在前進或后退過程中隨時間變化的外觀圖像；(4)利用接觸角分析軟件drop analysis-dropsnake軟件每幀圖片中液滴的前進或后退接觸角值。
【文檔編號】G01N13/00GK104330338SQ201410620488
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】尹大川, 劉永明, 包晟, 吳子慶, 郭衛紅, 何進, 李大為, 商澎 申請人:西北工業大學