一種測試本征接觸角的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種測試本征接觸角的裝置，屬于界面化學分析儀器領域，具有步進電機控制的光學旋轉平臺與步進電機聯接，光學旋轉平臺上設置有具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺和LED平行光源，光學旋轉平臺通過三個傳動支架連接至機架另一端上的軸承，三個傳動支架中部的傳動支架上設置有具有步進電機控制的一維光學平移臺，具有步進電機控制的一維光學平移臺上連接有具有微分頭控制的一維升降光學平移臺，具有微分頭控制的一維升降光學平移臺上設置有具有微分頭控制的二維水平調整臺，具有步進電機控制的直頂式注射泵固定于具有步進電機控制的一維俯仰調整平臺。本實用新型可以分析材料化學各向異性和表面粗糙等造成的接觸角滯后情況下的本征接觸角值。
【專利說明】一種測試本征接觸角的裝置
【技術領域】
[0001]本專利公布一種采用真實液滴法或圖像擬合法擬合Young-Laplace方程測試動態接觸角，提供一種利用Wenzel-Cassie-Baster模擬推導出來的本征接觸角計算公式,來測試固-液本征接觸角的測試方法和一種適用于本征接觸角測試的裝置，屬于界面化學分析【技術領域】。
【背景技術】
[0002]液-液界面張力、液-氣表面張力以及固-液接觸角值等基本指標是表征物質物理化學性質的基本參數，接觸角是指在固體水平平面上滴上一小滴液滴，固體表面上的固一液一氣三相交界點處，其氣-液界面和固-液界面兩切線把液相夾在其中時所形成的角度，見附圖1。接觸角測試是分析固-液界面物理化學性質的最主要手段，由于材料化學各向異性和表面粗糙等造成的接觸角滯后，目前文獻以及相關研究中通常使用的停滴和稱重法浸濕天平技術，均只能測試固-液的表觀接觸角值，無法準確表征其真實的接觸角情況，我們稱之為本征接觸角值。
[0003]在本征接觸角的測試過程中，通常會采用一種將固體樣品傾斜，測試傾斜時受重力影響條件下的動態接觸角值，而完成此類測試的機構主要分為兩類:其一，采用將樣品臺垂直轉動，鏡頭(連接有相機)不轉動的方式；這種方法要求所滴水滴必須保持在轉動軸的中心位置，否則液滴很容易移動，且在軟件算法上，必須通過坐標轉換完成計算，軟件計算時間較長；其二，采用將整個儀器旋轉的方式，這種方式在目前主流商業儀器中有體現，其缺點非常明顯，由于采用一機械結構為通常的皮帶或齒輪轉換，機械結構的控制精度不高、徑向晃動量非常大，非常不利于滾動情況下動態接觸角測值；同時由于整機的重量非常大，控制起來非常不方便。
[0004]目前，接觸角和界面張力測試儀器通常均是標準設計的儀器，有提及動態接觸角測試的機構，但如上所述，其特點在于僅僅垂直向轉動樣品臺，或通過整機轉動來實現測試目的；且在具體接觸角的測試以及最終本征接觸角的算法上均未有描述。如現有專利資料庫中《基于高速圖像處理的液體表界面動態特性測量分析儀》專利號:200610050811.8和200620103753.6，《一種靜態接觸角的自動檢測方法》專利號201010288857.X，《接觸角及表面能測量裝置》專利號:201010600278.4，《測量接觸角裝置》專利號:200710142656.7，《一種自潔玻璃接觸角的在線測量方法》專利號:200710008521.1等。
[0005]中國專利ZL200910034768.X《一種控溫濕同步測量液滴溫度、表面張力、接觸角的裝置》以及ZL201210127093.5《一種控溫、控濕、控壓條件下測量液滴接觸角和滾動角的裝置》，描述了一種控溫、控濕、控壓條件下測量液滴接觸角和滾動角的裝置，是一種比較模糊的理論性描述，具體實施細節也是概括性描述，從實施來看，可操作性不強。
[0006]針對現有技術中存在的問題，本發明人提出了一種采用真實液滴法或圖像擬合法擬合Young-Laplace方程的測試動態接觸角，并配套設計了一種適用于該測試方法的本征接觸角測試的裝置，該裝置由一個蝸輪蝸桿結構的旋轉機構控制的鏡頭與樣品臺一起旋轉的組合體、可XYZ以及水平調整的樣品臺組合體、樣品夾具、注射泵及其XYZ控制機構組合體、帶遠心鏡頭的攝像機和平行光源組成，通過拍攝液滴的輪廓圖像后，采用擬合Young-Laplace方程測試得到接觸角值，該裝置和測試方法可以分析材料化學各向異性和表面粗糙等造成的接觸角滯后情況下的本征接觸角值，在新材料、仿生材料等研究等領域具有極廣的推廣價值。
【發明內容】
[0007]為了解決現有技術中存在的問題及不足，本實用新型提供了一種測試本征接觸角的裝置，可以實現減少樣品臺旋轉過程的晃動、增加旋轉的方便性、轉動過程中接觸水平線不移動以及測試有重力影響條件下的動態接觸角值并最終完成測試本征接觸角的目的。
[0008]本實用新型的目的是通過如下的技術方案實現的。
[0009]一種測試本征接觸角的裝置，包括:電氣控制箱，具有步進電機控制的光學旋轉平臺，具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺，LED平行光源，具有微分頭控制的二維水平調整臺，具有步進電機控制的直頂式注射泵，具有步進電機控制的一維光學平移臺，支架，軸承，具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺，遠心鏡頭，鏡頭固定環，攝像機，支架，傳動支架，具有步進電機控制的一維光學平移臺，具有微分頭控制的一維升降光學平移臺，水平調整腳，相機支架，通過控制電氣箱與計算的USB2.0通訊協議完成雙向溝通或手動控制具有步進電機控制的光學旋轉平臺，帶動與之相連的傳動支架，控制攝像機、遠心鏡頭和樣品臺XYZ水平調整組合體一起旋轉。
[0010]電氣控制箱設置于機架一端，機架下方設置有四個水平調整腳，電氣控制箱的內側于支架上設置有具有步進電機控制的光學旋轉平臺，具有步進電機控制的光學旋轉平臺與電氣控制箱內的步進電機聯接，具有步進電機控制的光學旋轉平臺上設置有具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺和LED平行光源，具有步進電機控制的光學旋轉平臺通過三個傳動支架連接至機架另一端上的軸承，三個傳動支架中部的傳動支架上設置有具有步進電機控制的一維光學平移臺，具有步進電機控制的一維光學平移臺上連接有具有微分頭控制的一維升降光學平移臺，具有微分頭控制的一維升降光學平移臺上設置有具有微分頭控制的二維水平調整臺，具有微分頭控制的二維水平調整臺上方有可拆卸針頭，可拆卸針頭上連接有微量進樣器，可拆卸針頭固定于具有步進電機控制的直頂式注射泵上，具有步進電機控制的直頂式注射泵固定于具有步進電機控制的一維俯仰調整平臺，具有步進電機控制的一維俯仰調整平臺固定于支架上，支架上的軸承內穿有具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺，具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺上設置有遠心鏡頭，遠心鏡頭通過鏡頭固定環連接攝像機。
[0011]為了防止旋轉過程中樣品臺與注射泵出現干涉，注射泵與主體連接部分設計了一個可翻轉機械結構，在旋轉過程中，將注射泵向上90度翻轉，為了提高注射泵的控制方便性，設計了一個注射泵XY控制結構，包括:具有微分頭控制的一維光學平移臺一 23，具有微分頭控制的一維光學平移臺二 24，兩個具有微分頭控制的一維光學平移臺呈垂直分布。
[0012]設計了一套用于樣品臺旋動條件下測試動態接觸角的特殊控制部件，包括一個具有蝸輪蝸桿結構的光學旋轉平臺、一個微分頭控制的二維水平調整臺以及一樣固定樣品所用的樣品夾具，其中:[0013]第一、步進電機控制的光學旋轉平臺包括:步進電機數據接口，接口為9針，數據接口安裝支架，手動控制旋鈕，步進電機，步進電機固定支架，旋轉平臺主體，蝸輪結構，蝸桿結構，旋轉面板，刻度盤；旋轉平臺主體上通過步進電機固定支架和數據接口安裝支架分別連接有步進電機數據接口和步進電機，步進電機連接有手動控制旋鈕，旋轉平臺主體內置有蝸輪結構、蝸桿結構、旋轉面板，旋轉面板罩于蝸輪結構上，旋轉面板外圈設置有刻度盤，蝸輪結構與蝸桿結構咬合。
[0014]第二、微分頭控制的二維水平調整臺包括:上面板35，不銹鋼珠36，帶不銹鋼珠頭的傳動機構37，固定支架一 38，微分頭一 39，下面板40，微分頭二 41，固定支架二 42，安裝螺絲孔43，上面板和下面板通過安裝螺絲孔連接，微分頭共有兩個，微分頭通過固定支架與帶不銹鋼珠頭的傳動機構連接，帶不銹鋼珠頭的傳動機構上設置有不銹鋼珠。
[0015]第三、樣品夾具包括:帶螺紋結構的傳動絲桿，2根導軌，帶螺紋結構的滑塊，鎖緊螺絲，2個上壓緊蓋板，4個鎖緊螺絲，固定塊，安裝孔，2根導軌的一端固定于固定塊上，固定塊上通過鎖緊螺絲、安裝孔固定有上壓緊蓋板，固定塊的中部固定有帶螺紋結構的傳動絲桿，傳動絲桿及2根導軌另一端穿過帶螺紋結構的滑塊，帶螺紋結構的滑塊上通過鎖緊螺絲固定有上壓緊蓋板，帶螺紋結構的滑塊內貫穿有一個鎖緊螺絲。為使液滴輪廓達到亞像素級，經過我們長期的試驗，在鏡頭與光源的選擇上，采用如下結構:(I)在鏡頭的選擇上，采用遠心鏡頭，從而大幅提升景深以及輪廓邊緣的清晰度；(2)在背景光源的選擇上，采用LED平行光源，從而大幅提升景深以及輪廓邊緣的清晰度；(3)在攝像機的選擇上，選用播放速度達到60幀/秒以上的高速攝像機。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1:接觸角示意圖；
[0017]圖2:本專利所述的接觸角和界面張力測試裝置正視圖；
[0018]圖2中:1_電氣控制箱；2_具有步進電機控制的光學旋轉平臺；3_具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺；4-LED平行光源；5_具有微分頭控制的二維水平調整臺；6-具有步進電機控制的直頂式注射泵(含有微量進樣器及可拆卸針頭);7-具有步進電機控制的一維光學平移臺；8-支架；9-軸承；10_具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺；11_遠心鏡頭；12-鏡頭固定環；13_攝像機；14_支架；15、16、20_傳動支架；17_具有步進電機控制的一維光學平移臺；18_具有步進電機控制的一維光學平移臺；19_具有微分頭控制的一維升降光學平移臺；21_水平調整腳；22_相機支架。
[0019]圖3:本專利所述的接觸角和界面張力測試裝置俯視圖；
[0020]圖3中:23_具有微分頭控制的一維光學平移臺一 ；24_具有微分頭控制的一維光學平移臺二。
[0021]圖4:本專利所述具有步進電機控制的光學旋轉平臺的結構圖；
[0022]圖4中:25_步進電機數據接口(9針);26_數據接口安裝支架；27_手動控制旋鈕；28-步進電機；29_步進電機固定支架；30_旋轉平臺主體；31_蝸輪結構；32_蝸桿結構；33-旋轉面板；34_刻度盤。
[0023]圖5:具有微分頭控制的二維水平調整臺的正視圖；
[0024]圖6:為圖5的俯視圖；[0025]圖5、6中:35_上面板；36_不銹鋼珠；37_帶不銹鋼珠頭的傳動機構；38_固定支架一 ；39_微分頭一 ；40_下面板；41_微分頭二 ；42_固定支架二 ；43_安裝螺絲孔。
[0026]圖7:樣品夾具；
[0027]圖7中:44_帶螺紋結構的傳動絲桿；45_2根導軌；46_帶螺紋結構的滑塊；47_鎖緊螺絲；48-2個上壓緊蓋板；49-4個鎖緊螺絲；50_固定塊；51_安裝孔。
【具體實施方式】
[0028]為實現減少樣品臺旋轉過程的晃動、增加旋轉的方便性、轉動過程中接觸水平線不移動以及測試有重力影響條件下的動態接觸角值并最終完成測試本征接觸角的目的，我們無論在整個結構布局、備件采購、光路設計、測試算法等方面均作了創新性設計。【具體實施方式】如下:
[0029]1、本發明設計綜合了通用條件和垂直旋轉樣品臺的情況下影像法接觸角的裝置，包括:電氣控制箱，具有步進電機控制的光學旋轉平臺，具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺，LED平行光源，具有微分頭控制的二維水平調整臺，具有步進電機控制的直頂式注射泵(含有微量進樣器及可拆卸針頭)，具有步進電機控制的一維光學平移臺，支架，軸承，具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺，遠心鏡頭，鏡頭固定環，攝像機，支架，傳動支架，具有步進電機控制的一維光學平移臺，具有步進電機控制的一維光學平移臺，具有微分頭控制的一維升降光學平移臺，水平調整腳，相機支架，其顯著特征在于通過控制(通過控制電氣箱與計算的USB2.0通訊協議完成雙向溝通或手動控制)具有步進電機控制的光學旋轉平臺，帶動與之相連的傳動支架，控制攝像機、遠心鏡頭和樣品臺XYZ水平調整組合體一起旋轉。電氣控制箱設置于機架一端，機架下方設置有四個水平調整腳，電氣控制箱的內側于支架上設置有具有步進電機控制的光學旋轉平臺，具有步進電機控制的光學旋轉平臺與電氣控制箱內的步進電機聯接，具有步進電機控制的光學旋轉平臺上設置有具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺和LED平行光源，具有步進電機控制的光學旋轉平臺通過三個傳動支架連接至機架另一端上的軸承，三個傳動支架中中部的傳動支架上設置有具有步進電機控制的一維光學平移臺，具有步進電機控制的一維光學平移臺上連接有具有微分頭控制的一維升降光學平移臺，具有微分頭控制的一維升降光學平移臺上設置有具有微分頭控制的二維水平調整臺，具有微分頭控制的二維水平調整臺上方有可拆卸針頭，可拆卸針頭上連接有微量進樣器，可拆卸針頭固定于具有步進電機控制的直頂式注射泵上，具有步進電機控制的直頂式注射泵固定于具有步進電機控制的一維俯仰調整平臺，具有步進電機控制的一維俯仰調整平臺固定于支架上，支架上的軸承內穿有具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺，具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺上設置有遠心鏡頭，遠心鏡頭通過鏡頭固定環連接攝像機。
[0030]進一步地，電氣控制箱內設置有步進電機驅動器、運動控制卡、光源控制電路等。
[0031]為了防止旋轉過程中樣品臺與注射泵出現干涉，注射泵與主體連接部分設計了一個可翻轉機械結構(附圖4中未圖示)，在旋轉過程中，將注射泵向上90度翻轉，為了提高注射泵的控制方便性，設計了一個注射泵XY控制結構，包括:具有微分頭控制的一維光學平移臺一 23，具有微分頭控制的一維光學平移臺二 24，兩個具有微分頭控制的一維光學平移臺呈垂直分布。[0032]2、本發明還設計了一套用于樣品臺旋動條件下測試動態接觸角的特殊控制部件，包括一個具有蝸輪蝸桿結構的光學旋轉平臺、一個微分頭控制的二維水平調整臺以及一樣固定樣品所用的樣品夾具，其中:
[0033]第一、步進電機控制的光學旋轉平臺包括:步進電機數據接口，接口為9針，數據接口安裝支架，手動控制旋鈕，步進電機，步進電機固定支架，旋轉平臺主體，蝸輪結構，蝸桿結構，旋轉面板，刻度盤；旋轉平臺主體上通過步進電機固定支架和數據接口安裝支架分別連接有步進電機數據接口和步進電機，步進電機連接有手動控制旋鈕，旋轉平臺主體內置有蝸輪結構、蝸桿結構、旋轉面板，旋轉面板罩于蝸輪結構上，旋轉面板外圈設置有刻度盤，蝸輪結構與蝸桿結構咬合。
[0034]第二、微分頭控制的二維水平調整臺包括:上面板35，不銹鋼珠36，帶不銹鋼珠頭的傳動機構37，固定支架一 38，微分頭一 39，下面板40，微分頭二 41，固定支架二 42，安裝螺絲孔43，上面板和下面板通過安裝螺絲孔連接，微分頭共有兩個，微分頭通過固定支架與帶不銹鋼珠頭的傳動機構連接，帶不銹鋼珠頭的傳動機構上設置有不銹鋼珠。
[0035]第三、樣品夾具包括:帶螺紋結構的傳動絲桿，2根導軌，帶螺紋結構的滑塊，鎖緊螺絲，2個上壓緊蓋板，4個鎖緊螺絲，固定塊，安裝孔，2根導軌的一端固定于固定塊上，固定塊上通過鎖緊螺絲、安裝孔固定有上壓緊蓋板，固定塊的中部固定有帶螺紋結構的傳動絲桿，傳動絲桿及2根導軌另一端穿過帶螺紋結構的滑塊，帶螺紋結構的滑塊上通過鎖緊螺絲固定有上壓緊蓋板，帶螺紋結構的滑塊內貫穿有一個鎖緊螺絲。
[0036]3、為使液滴輪廓達到亞像素級，經過我們長期的試驗，在鏡頭與光源的選擇上，采用如下結構:(I)在鏡頭的選擇上，采用遠心鏡頭，從而大幅提升景深以及輪廓邊緣的清晰度；(2)在背景光源的選擇上，采用LED平行光源，從而大幅提升景深以及輪廓邊緣的清晰度；(3)在攝像機的選擇上，選用播放速度達到60幀/秒以上的高速攝像機。
[0037]本實用新型采用真實液滴法或圖像擬合法擬合Young-Laplace方程的測試動態接觸角，并進而利用Wenzel-Cassie-Baster模擬推導出來的本征接觸角計算公式,測試固-液本征接觸角，該裝置由一個蝸輪蝸桿結構的旋轉機構控制的鏡頭與樣品臺一起旋轉的組合體、可XYZ以及水平調整的樣品臺組合體、樣品夾具、注射泵及其XYZ控制機構組合體、帶遠心鏡頭的攝像機和平行光源組成，通過拍攝液滴的輪廓圖像后，采用擬合Young-Laplace方程測試得到接觸角值，該裝置和測試方法可以分析材料化學各向異性和表面粗糙等造成的接觸角滯后情況下的本征接觸角值，在新材料、仿生材料等研究等領域具有極廣的推廣價值。
【權利要求】
1.一種測試本征接觸角的裝置，包括:電氣控制箱，具有步進電機控制的光學旋轉平臺，具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺，LED平行光源，具有微分頭控制的二維水平調整臺，具有步進電機控制的直頂式注射泵，具有步進電機控制的一維光學平移臺，支架，軸承，具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺，遠心鏡頭，鏡頭固定環，攝像機，支架，傳動支架，具有步進電機控制的一維光學平移臺，具有微分頭控制的一維升降光學平移臺，水平調整腳，相機支架；其特征在于， 電氣控制箱設置于機架一端，機架下方設置有四個水平調整腳，電氣控制箱的內側于支架上設置有具有步進電機控制的光學旋轉平臺，具有步進電機控制的光學旋轉平臺與電氣控制箱內的步進電機聯接，具有步進電機控制的光學旋轉平臺上設置有具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺和LED平行光源，具有步進電機控制的光學旋轉平臺通過三個傳動支架連接至機架另一端上的軸承，三個傳動支架中部的傳動支架上設置有具有步進電機控制的一維光學平移臺，具有步進電機控制的一維光學平移臺上連接有具有微分頭控制的一維升降光學平移臺，具有微分頭控制的一維升降光學平移臺上設置有具有微分頭控制的二維水平調整臺，具有微分頭控制的二維水平調整臺上方有可拆卸針頭，可拆卸針頭上連接有微量進樣器，可拆卸針頭固定于具有步進電機控制的直頂式注射泵上，具有步進電機控制的直頂式注射泵固定于具有步進電機控制的一維俯仰調整平臺，具有步進電機控制的一維俯仰調整平臺固定于支架上，支架上的軸承內穿有具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺，具有微分頭控制的一維俯仰調整平臺上設置有遠心鏡頭，遠心鏡頭通過鏡頭固定環連接攝像機。
2.根據權利要求1所述的一種測試本征接觸角的裝置，其特征在于，注射泵與主體連接部分設置一個可翻轉機械結構，一個注射泵XY控制結構，包括:具有微分頭控制的一維光學平移臺一(23)，具有微分頭控制的一維光學平移臺二(24)，兩個具有微分頭控制的一維光學平移臺呈垂直分布。
3.根據權利要求1所述的一種測試本征接觸角的裝置，其特征在于，步進電機控制的光學旋轉平臺包括:步進電機數據接口，接口為9針，數據接口安裝支架，手動控制旋鈕，步進電機，步進電機固定支架，旋轉平臺主體，蝸輪結構，蝸桿結構，旋轉面板，刻度盤；旋轉平臺主體上通過步進電機固定支架和數據接口安裝支架分別連接有步進電機數據接口和步進電機，步進電機連接有手動控制旋鈕，旋轉平臺主體內置有蝸輪結構、蝸桿結構、旋轉面板，旋轉面板罩于蝸輪結構上，旋轉面板外圈設置有刻度盤，蝸輪結構與蝸桿結構咬合。
4.根據權利要求1所述的一種測試本征接觸角的裝置，其特征在于，微分頭控制的二維水平調整臺包括:上面板，不銹鋼珠，帶不銹鋼珠頭的傳動機構，固定支架一(38)，微分頭一(39)，下面板，微分頭二(41)，固定支架(42)，安裝螺絲孔，上面板和下面板通過安裝螺絲孔連接，微分頭共有兩個，微分頭通過固定支架與帶不銹鋼珠頭的傳動機構連接，帶不銹鋼珠頭的傳動機構上設置有不銹鋼珠。
5.根據權利要求1所述的一種測試本征接觸角的裝置，其特征在于，本實用新型配套提供了一套樣品夾具，包括:帶螺紋結構的傳動絲桿，2根導軌，帶螺紋結構的滑塊，鎖緊螺絲，2個上壓緊蓋板，4個鎖緊螺絲，固定塊，安裝孔，2根導軌的一端固定于固定塊上，固定塊上通過鎖緊螺絲、安裝孔固定有上壓緊蓋板，固定塊的中部固定有帶螺紋結構的傳動絲桿，傳動絲桿及2根導軌另一端穿過帶螺紋結構的滑塊，帶螺紋結構的滑塊上通過鎖緊螺絲固定有上 壓緊蓋板，帶螺紋結構的滑塊內貫穿有一個鎖緊螺絲。
【文檔編號】G01N13/00GK203688403SQ201320791789
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】施建輝 申請人:上海梭倫信息科技有限公司