真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，儀器主體上安裝有攝像機和主控板，攝像機連接主控板，儀器主體另一側設置有三通閥門，微量進樣器的下端連接三通閥門，?微量進樣器的頂端連接有頂桿傳動桿，頂桿傳動桿聯接傳動結構，傳動結構連接絲桿，絲桿通過傳動皮帶連接皮帶主動輪和皮帶從動輪，皮帶上設置有皮帶張緊壓輪，皮帶主動輪和皮帶從動輪套于絲桿上，皮帶主動輪連接的絲桿上置有轉軸、進液旋鈕、移液旋轉鈕，導軌與傳動結構連接，微量進樣器通過導液管連接至帶有魯爾接頭的針頭。
【專利說明】真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種采用真實液滴法擬合Young-Laplace方程的測試方法的便攜式接觸角和表界張力測試裝置，屬于化學界面分析儀器領域。
【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，通過測試所得到的接觸角值，經過Equation of state算法,僅使用一種液滴就可以非常準確的分析得出固體的表面張力值(達因值)，而液-液界面張力以及液-氣表面張力的測試也是物理化學分析中最主要的物性指標。
[0003]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，體積大，需要市電供電，不利于攜帶或野外作業，也利于復雜樣品、大尺寸樣品的測值，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。
[0004]2011年8月，本公司申請的專利《采用真實液滴法的便攜式接觸角測試裝置》(專利號:ZL201120310388.7)中已經對這樣的便攜裝置作了一個簡單的描述，但該裝置中在光學成像系統、背景光照明系統以及整體控制結構上均比較簡單，在實際應用于產品時存在很多不足。為此，我們對該便攜式測試接觸角和界面張力的裝置進行了進一步優化。
【發明內容】
[0005]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改進的真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，實現便攜、野外測值、可測試大尺寸樣品的目的，整體設計理念為小型、通過簡單的供電方式實現裝置的正常運行。
[0006]本實用新型的目的是通過如下的技術方案實現的。
[0007]真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，包括:儀器主體，攝像機，轉軸，主動皮帶輪，主控板，皮帶張緊壓輪，頂桿傳動桿，從動皮帶輪，絲桿，傳動結構，微量進樣器，偏光片，導軌，三通閥門，棱鏡支架，聚四氟下底板，棱鏡，魯爾接頭，針頭，遮光片，傳動機構，石英玻璃柔光片，LED背景燈。
[0008]儀器主體上安裝有攝像機和主控板，攝像機連接主控板，儀器主體另一側設置有三通閥門，微量進樣器的下端連接三通閥門，微量進樣器的頂端連接有頂桿傳動桿，頂桿傳動桿聯接傳動結構，傳動結構連接絲桿，絲桿通過傳動皮帶連接皮帶主動輪和皮帶從動輪，皮帶上設置有皮帶張緊壓輪，皮帶主動輪和皮帶從動輪套于絲桿上，皮帶主動輪連接的絲桿上置有轉軸、進液旋鈕、移液旋轉鈕，導軌與傳動結構連接，微量進樣器通過導液管連接至帶有魯爾接頭的針頭。
[0009]本實用新型提供了一個適合大尺寸樣品表面測試的光學成像結構，具體包括:一個垂直安裝的攝像機，其通訊接口為USB2.0或USB3.0接口 ；一個與攝像機相連接的遠心鏡頭；遠心鏡頭的最前端通過一個節圈連接一個偏振光鏡片；一個90度棱鏡安裝到一個棱鏡支架上，然后固定到裝置的儀器主體上。由此，可以形成一個將液滴成像光路從水平轉向垂直的光路折轉結構。
[0010]提供一個適合大尺寸樣品表面測試的背景光源結構，具體包括:一組LED燈組合成背景光源后，光路以垂直方向安裝到一個連接支架上；一個石英玻璃柔光片同樣以光路垂直向安裝到連接支架上；一個90度棱鏡安裝到一個棱鏡支架上，然后固定到裝置的儀器主體上；儀器主體一側加工一個側槽，插入一個遮光片，以降低背景光在小液滴接觸角測值時的光線反射，進一步優化液滴輪廓邊緣的清晰度。由此，可以形成一個將背景光路從水平轉向垂直的光路折轉結構。
[0011]通過上述兩個光路折轉結構，可以完成測試從標準的側面拍攝接觸角或界面張力所需圖像到俯拍圖片的光路轉變，從而完成可以將裝置放到被測物表面進行測值。
[0012]提供一套簡約化的進液、移液、形成液滴的機械控制結構，機械結構包括:微量進樣器下端固定到三個可轉向的三通閥門上；三通閥門固定到裝置的儀器主體上；設計一個頂桿傳動桿固定到微量進樣器的頂桿上，以進液或吸液；設計一套包括皮帶主動輪、皮帶從動輪、傳動皮帶、皮帶張緊輪、絲桿、導軌和進液旋鈕(或5V直流減速電機)的位移結構，同時，將所述頂桿傳動桿與之連接；設計一套包括絲桿、移液旋轉鈕(或相應5V直流減速電機)、導軌的位移結構，同時將一個傳動機構與之連接，在此結構上安裝一個魯爾接頭并與針頭相連，從而形成一個針頭向上以及向下的移液結構。
[0013]背景光源米用了 一種3.3V電壓供電的LED背光板,3.3V電壓取自于電腦的USB通訊接口的5V，通過串連電阻的方式降壓后使用。
[0014]采用一個主控板，控制直流電機以及USB供電，主控板與攝像機通過USB2.0連接，并通過USB2.0與電腦相連，并通過編寫軟件實現數據通訊、拍照或錄相、控制進液和移液電機等。
[0015]采用一種低壓供電的相機系統，本專利引進了由USB供電的低照度USB數字相機。【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1:本專利所述的便攜式接觸角和界面張力儀正視圖；
[0017]圖中:1-儀器主體；2_攝像機；3_進液旋鈕；4-轉軸；5_皮帶輪(主動輪);6_主控板-J-皮帶張緊壓輪；8_頂桿傳動桿；9_皮帶輪(從動輪)；10-絲桿；11_傳動結構；12_鏡頭；13-微量進樣器；14-偏光片；15-導軌(共3根)；16-三通閥門；17-棱鏡支架；18_聚四氟制下底板；19_棱鏡；20_魯爾接頭；21_針頭；22_遮光片；23_傳動機構；24_棱鏡；25-棱鏡支架；26_石英玻璃柔光片；27- LED背景燈；28_移液旋轉鈕；29_絲桿。
[0018]【具體實施方式】
[0019]為實現便攜可野外作業和測試大尺寸樣品的目標，同時為保證接觸角和界面張力測值的精度，可靠性等，本專利通過如下方式實現:[0020]1、真實液滴法測試接觸角和界面張力值的實施方案:
[0021](I)實施真實液滴法時，通過軟件系統控制光學成像系統(CXD)，將液滴的實時影像捕捉到電腦中；
[0022](2)軟件系統自動分析實時影像資料(如AV1、MPG等格式)的液滴輪廓線邊緣或自動分析連續捕捉的圖片資料(如BMP、JPG等圖片格式)。
[0023]2、便攜式接觸角和表面張力測試裝置的結構組成實施方案如下:
[0024]如圖1所示，真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，包括:儀器主體，攝像機，轉軸，主動皮帶輪，主控板，皮帶張緊壓輪，頂桿傳動桿，從動皮帶輪，絲桿，傳動結構，微量進樣器，偏光片，導軌，三通閥門，棱鏡支架，聚四氟下底板，棱鏡，魯爾接頭，針頭，遮光片，傳動機構，石英玻璃柔光片，LED背景燈。
[0025]儀器主體上安裝有攝像機和主控板，攝像機連接主控板，儀器主體另一側設置有三通閥門，微量進樣器的下端連接三通閥門，微量進樣器的頂端連接有頂桿傳動桿，頂桿傳動桿聯接傳動結構，傳動結構連接絲桿，絲桿通過傳動皮帶連接皮帶主動輪和皮帶從動輪，皮帶上設置有皮帶張緊壓輪，皮帶主動輪和皮帶從動輪套于絲桿上，皮帶主動輪連接的絲桿上置有轉軸、進液旋鈕、移液旋轉鈕，導軌與傳動結構連接，微量進樣器通過導液管連接至帶有魯爾接頭的針頭。
[0026]本實用新型提供了一個適合大尺寸樣品表面測試的光學成像結構，具體包括:一個垂直安裝的攝像機，其通訊接口為USB2.0或USB3.0接口 ；一個與攝像機相連接的遠心鏡頭；遠心鏡頭的最前端通過一個節圈連接一個偏振光鏡片；一個90度棱鏡安裝到一個棱鏡支架上，然后固定到裝置的儀器主體上。由此，可以形成一個將液滴成像光路從水平轉向垂直的光路折轉結構。
[0027]提供一個適合大尺寸樣品表面測試的背景光源結構，具體包括:一組LED燈組合成背景光源后，光路以垂直方向安裝到一個連接支架上；一個石英玻璃柔光片同樣以光路垂直向安裝到連接支架上；一個90度棱鏡安裝到一個棱鏡支架上，然后固定到裝置的儀器主體上；儀器主體一側加工一個側槽，插入一個遮光片，以降低背景光在小液滴接觸角測值時的光線反射，進一步優化液滴輪廓邊緣的清晰度。由此，可以形成一個將背景光路從水平轉向垂直的光路折轉結構。
[0028]通過上述兩個光路折轉結構，可以完成測試從標準的側面拍攝接觸角或界面張力所需圖像到俯拍圖片的光路轉變，從而完成可以將裝置放到被測物表面進行測值。
[0029]提供一套簡約化的進液、移液、形成液滴的機械控制結構，機械結構包括:微量進樣器下端固定到三個可轉向的三通閥門上；三通閥門固定到裝置的儀器主體上；設計一個頂桿傳動桿固定到微量進樣器的頂桿上，以進液或吸液；設計一套包括皮帶主動輪、皮帶從動輪、傳動皮帶、皮帶張緊輪、絲桿、導軌和進液旋鈕(或5V直流減速電機)的位移結構，同時，將所述頂桿傳動桿與之連接；設計一套包括絲桿、移液旋轉鈕(或相應5V直流減速電機)、導軌的位移結構，同時將一個傳動機構與之連接，在此結構上安裝一個魯爾接頭并與針頭相連，從而形成一個針頭向上以及向下的移液結構。
[0030]采用了一種3.3V電壓供電的LED背光板，3.3V電壓取自于電腦的USB通訊接口的5V，通過串連電阻的方式降壓后使用。
[0031]采用一個主控板，控制直流電機以及USB供電，主控板與攝像機通過USB2.0連接，并通過USB2.0與電腦相連，并通過編寫軟件實現數據通訊、拍照或錄相、控制進液和移液電機等。
[0032]采用一種低壓供電的相機系統，本專利引進了由USB供電的低照度USB數字相機。
[0033]進一步地，所述的進液旋鈕和移液旋轉鈕也可采用相應直流電機實現。
[0034]3、采用真實液滴法測試接觸角的實現方式:
[0035](I)將儀器通過主控板6USB通訊接口連接到電腦，打開真實液滴法接觸角分析軟件;
[0036](2)吸取液體:將三通閥門16轉到排氣一側，轉動進液旋鈕或通過軟件控制直流電機3將微量進樣器向下排空13，完成后三通閥門16轉到吸液狀態，并將相應的軟管連接到三通閥門后放到被測液體中，反向轉動進液旋鈕或直流電機，完成吸取液體的動作；
[0037](3)將本測試儀器放置到被測固體相樣品上；
[0038](4)移液:旋動旋鈕或通過軟件控制直流電機3，滴出液體并留在針頭。旋動移液旋轉鈕或通過軟件控制直流電機28，使液滴移向固體樣品，接觸到固體樣品后，再反向旋轉旋鈕或通過軟件控制直流電機28，實現在固體樣品上滴上一個小水滴；
[0039](5)軟件控制USB相機12拍攝液滴的影像資料；
[0040](6)軟件自動根據真實液滴法分析得到接觸角值。
[0041]4、采用真實液滴法測試界面張力值的實現方式:
[0042](I)將儀器通過主控板6USB通訊接口連接到電腦，打開真實液滴法接觸角分析軟件;
[0043](2)吸取液體:將三通閥門16轉到排氣一側，轉動進液旋鈕或通過軟件控制直流電機3將微量進樣器向下排空13，完成后三通閥門16轉到吸液狀態，并將相應的軟管連接到三通閥門后放到被測液體中，反向轉動進液旋鈕或直流電機，完成吸取液體的動作；
[0044](3)將本測試儀器測試針頭位置放置一個方形的石英玻璃容器。如果測試液-液界面張力，則在容器中放置低密度相液體；
[0045](4)形成液體:
[0046]旋動移液旋轉鈕或通過軟件控制直流電機28，使針頭進入容器的一定位置；旋動旋鈕或通過軟件控制直流電機3,滴出液體并留在針頭,形成一個懸滴(Pendant drop)；
[0047](5)軟件控制USB相機12拍攝液滴的影像資料；
[0048](6)軟件自動根據真實液滴法分析得到界面張力值。
[0049]5、便攜式接觸角的供電系統的實現方式:
[0050]在供電系統上，考慮到野外測試，本裝置中采用了 USB供電的方式，通過筆記本電腦的USB通訊口供電。在背景光的設計上，采用了低電壓3.3V LED背光板，并通過串連電阻實現降壓目的，在相機的設計上，采用了由USB供電的低照度USB數字相機，從而一方面保證了成像質量，另一方面實現了野外、便攜測試的目的。
[0051]折轉光路的實現方式以及光路處理技術:
[0052](I)通過兩個特殊設計的棱鏡結構，形成一個背景光和成像系統的光路90度折轉，從而可以用于測試大尺寸樣品表面的接觸角值；
[0053](2)為防止被測物表面光線反射，在鏡頭技術的設計上采用了遠心鏡頭，從而使用輪廓更為清晰。同時，采用了一個偏振光鏡14，以避免反射光的影響。特別是在太陽能基板測試時，采用本套系統，測試時更為方便；
[0054](3)為防止小角度接觸角測值時輪廓上邊緣光線散射，設計了一個遮光片22，將背景光線的上半部分擋住，從而有效提升上邊緣輪廓的清晰度。
[0055]6、防止測試時污染被測物表面的方法:
[0056]裝置設計了一個可拆裝的聚四氟乙烯底板18，在測試前將其拆下，用超聲波清洗干凈并用無塵紙擦干。然后帶上干凈的手套再裝回到裝置上去。
[0057]采用本發明專利的接觸角儀，因采用了真實液滴法，且設計了專門配合的儀器結構，測值時，由于高精度的機械結構設計、控制功能的實現，測值過程完全配合液滴的輪廓形狀分析角度而沒有前提假設，可以大大提高靜態接觸角的測值精度。同時，在機械結構以及電路設計中，充分考慮了便攜和野外測試需求，采用了緊湊型、90度折轉成像和背景光光路和低壓供電等設計，有效地保證了設計目的的實現。采用本實用新型技術，可實現對大樣品(如400-無窮大)、在線測值、野外測值(如石油開采)、特殊規格接觸角的測試，非常值得在薄膜、太陽能、PDP、LCD、石油石化、芯片、陶瓷浴缸等行業的應用，具有非常高的推廣價值。
【權利要求】
1.真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，包括:儀器主體，攝像機，轉軸，主動皮帶輪，主控板，皮帶張緊壓輪，頂桿傳動桿，從動皮帶輪，絲桿，傳動結構，微量進樣器，偏光片，導軌，三通閥門，棱鏡支架，聚四氟下底板，棱鏡，魯爾接頭，針頭，遮光片，傳動機構，石英玻璃柔光片，LED背景燈，其特征在于，儀器主體上安裝有攝像機和主控板，攝像機連接主控板，儀器主體另一側設置有三通閥門，微量進樣器的下端連接三通閥門，微量進樣器的頂端連接有頂桿傳動桿，頂桿傳動桿聯接傳動結構，傳動結構連接絲桿，絲桿通過傳動皮帶連接皮帶主動輪和皮帶從動輪，皮帶上設置有皮帶張緊壓輪，皮帶主動輪和皮帶從動輪套于絲桿上，皮帶主動輪連接的絲桿上置有轉軸、進液旋鈕、移液旋轉鈕，導軌與傳動結構連接，微量進樣器通過導液管連接至帶有魯爾接頭的針頭。
2.根據權利要求1所述的真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，其特征在于，本實用新型提供了一個適合大尺寸樣品表面測試的光學成像結構，具體包括:一個垂直安裝的攝像機，其通訊接口為USB2.0或USB3.0接口 ；一個與攝像機相連接的遠心鏡頭；遠心鏡頭的最前端通過一個節圈連接一個偏振光鏡片；一個90度棱鏡安裝到一個棱鏡支架上，然后固定到裝置的儀器主體上，形成一個將液滴成像光路從水平轉向垂直的光路折轉結構。
3.根據權利要求1所述的真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，其特征在于，提供一個適合大尺寸樣品表面測試的背景光源結構，具體包括:一組LED燈組合成背景光源后，光路以垂直方向安裝到一個連接支架上；一個石英玻璃柔光片同樣以光路垂直向安裝到連接支架上；一個90度棱鏡安裝到一個棱鏡支架上，然后固定到裝置的儀器主體上；儀器主體一側加工一個側槽，插入一個遮光片，形成一個將背景光路從水平轉向垂直的光路折轉結構。
4.根據權利要求1所述的真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，其特征在于，提供一套簡約化的進液、移液、形成液滴的機械控制結構，機械結構包括:微量進樣器下端固定到三個可轉向的三通閥門上；三通閥門固定到裝置的儀器主體上；設計一個頂桿傳動桿固定到微量進樣器的頂桿上，以進液或吸液；設計一套包括皮帶主動輪、皮帶從動輪、傳動皮帶、皮帶張緊輪、絲桿、導軌和進液旋鈕的位移結構，同時，將所述頂桿傳動桿與之連接；設計一套包括絲桿、移液旋轉鈕、導軌的位移結構，同時將一個傳動機構與之連接，在此結構上安裝一個魯爾接頭并與針頭相連，形成一個針頭向上以及向下的移液結構。
5.根據權利要求3所述的真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，其特征在于，背景光源采用了一種3.3V電壓供電的LED背光板，3.3V電壓取自于電腦的USB通訊接口的5V，通過串連電阻的方式降壓后使用。
6.根據權利要求1所述的真實液滴法的便攜式接觸角和界面張力測試裝置，其特征在于，主控板與攝像機通過USB2.0連接，并通過USB2.0與電腦相連。
【文檔編號】G01N13/00GK203672748SQ201320791790
【公開日】2014年6月25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