9下端連接有微量進樣器8，微量進樣器8下方連接有 真空閥門7,真空閥門7通過壓帽6連接毛細管5上端，毛細管5下端針頭20穿過上蓋板 2、KF50真空接口 3至真空控溫腔體26內(nèi)的石英觀察窗4窗口內(nèi)，毛細管5通過壓帽1和帶 有兩側(cè)內(nèi)倒角的壓環(huán)壓緊密封于上蓋板2上；真空控溫腔體26連接二維水平調(diào)整平臺19， 二維水平調(diào)整平臺19下方為XYZ三維光學(xué)平移臺17。
[0010] 2、為使液滴輪廓達到亞像素級，在鏡頭與光源的選擇上，采用如下結(jié)構(gòu)：（1)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，選擇播放速度達到60幀/秒以上高速攝像機。
[0011]3、真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量方法，包括：（1)提出一個已經(jīng)離 散化的Young-Laplace方程組，對于側(cè)視法影像分析時的停滴（sessile drop)、氣泡捕獲 (Captive bubble)或懸滴（pendant drop)：
【主權(quán)項】
1. 真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量裝置，其顯著特征為：（1)包括了壓 帽、上蓋板、KF50標準接口、石英玻璃觀察窗、毛細管、、真空閥門、微量進樣器(注射泵、垂直 向移動一維光學(xué)平移臺、支架、遠心鏡頭、鏡頭固定環(huán)、攝像機、電氣控制箱、LED平行光源、 XYZ三維光學(xué)平移臺、KF16真空接口、二維水平調(diào)整平臺、針頭、四個水平調(diào)整腳、相機固定 支架；同時，真空腔體的后方提供有溫度傳感器和循環(huán)水/導(dǎo)熱油快速接口；在注射泵控制 結(jié)構(gòu)中提供了一個控制針頭左右位置的XY兩維光學(xué)平移臺； 上述水平調(diào)整腳固定于機架下端四角，機架兩上設(shè)置有支架和電氣控制箱，水平光源 設(shè)置于電氣控制箱一側(cè)，支架上設(shè)置有遠心鏡頭、鏡頭固定環(huán)、攝像機，鏡頭固定環(huán)、攝像機 下方設(shè)置一個相機固定支架，支架上端設(shè)置有垂直向移動一維光學(xué)平移臺，垂直向移動一 維光學(xué)平移臺上固定有注射泵，注射泵上連接一個XY兩維光學(xué)平移臺，注射泵下端連接有 微量進樣器，微量進樣器下方連接有真空閥門，真空閥門通過壓帽連接毛細管上端，毛細管 下端針頭穿過上蓋板、KF50真空接口至真空控溫腔體內(nèi)的石英觀察窗窗口內(nèi)，毛細管通過 壓帽和帶有兩側(cè)內(nèi)倒角的壓環(huán)壓緊密封于上蓋板上；真空控溫腔體連接二維水平調(diào)整平 臺，二維水平調(diào)整平臺下方為XYZ三維光學(xué)平移臺。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量裝置，其特征 在于，在鏡頭、光源和攝像機的選擇上，采用了如下具有輪廓測試的顯著結(jié)構(gòu)：（1)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，選購德國IDS公司的USB2.0或USB3.0的高速攝像機，播放速度達到60幀/秒以上。
3. -種利用了權(quán)利要求1所述的真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量裝置的 真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量方法，其特征在于，采用了一種真實液滴法測 試用于修正了重力系接觸角和界面張力值，其顯著特征包括： (1) 使用了一個已經(jīng)離散化的Young-Laplace方程組，對于側(cè)視法影像分析時的停滴 (sessile drop)、氣泡捕獲（Captive bubble)或懸滴（pendant drop)：
其中：0為接觸角，s為弧長，&為頂點位置的曲率半徑，Ap為內(nèi)外相密度差，z高 度，x為寬度，V為體積，A為面積，x0,z0為頂點坐標； (2)使用了一個求解Young-Laplace離散方程組的解法，其顯著特征包括：在使 用軟件繪制液滴輪廓的理論曲線時使用如上（1)所提及的離散方程組，利用龍格庫拉 (Runge-Kutta)或歐位（Euler)法或類似的方法求解理論曲線，并利用軟件繪圖的方式，顯 示相應(yīng)的理論曲線以及曲線上的各個坐標點（ Xi，yi); (3) 使用了一種繪制接觸角和界面張力液滴輪廓的實際曲線的方法，其顯著特征為：利 用CANNY或SOBEL算法，利用成像系統(tǒng)拍攝得到旋轉(zhuǎn)液滴輪廓圖像中灰度的變化，設(shè)置合理 閾值，查找出液滴輪廓的邊緣，并利用Spline算法作查找的邊緣進行優(yōu)化計算，得到液滴 輪廓的邊緣點坐標值（XpYi)并有序排列，并利用軟件繪圖的方式，將查找邊得的輪廓邊緣 實際曲線標出； (4) 使用了一種采用牛頓法（Newton-Raphsonmethod)或類似的最小二乘法算法，在輸 入密度差A(yù) p、重力系數(shù)g、等常量值后，將曲率半徑R0、接觸角值0、界面張力值Y、弧長 S作為變量優(yōu)化如上的Young-Laplace方程求解得出的理論曲線與查找液滴輪廓邊緣而得 到的實際曲線，進而得到最終的頂點曲率半徑R0、接觸角值9、界面張力值Y、弧長S等參 數(shù)，并進而利用積分求面積和體積的方法，求得液滴的面積和體積等參數(shù)的方法； 其顯著特征包括：（1)通過直接優(yōu)化液滴輪廓的Young-Laplace方程理論曲線和查找 邊緣所得的實際曲線測試液-氣或液-液界面張力值；（2)采用了真實液滴法（RealDrop) 或圖像輪廓法（DIPM)，從而，無須如Selectplane算法基礎(chǔ)上的Young-Laplace擬合的經(jīng) 驗標定； (5) 使用了如下兩種方法中的其一，用于如上3所述優(yōu)化過程的特殊算法，用于優(yōu)化出 界面張力值Y和接觸角值Q: 第一、圖像輪廓法（DIPM:Dropimageprofilemethod):其特征在于：利用圖像處理 算法，擬合曲線(如圓或橢圓、多項式曲線或Spline曲線)，計算得出頂點的曲率半徑值的算 法，進而，通過如上提及的優(yōu)化算法，優(yōu)化得出接觸角值0、界面張力值Y、弧長S等所需測 試參數(shù)； 或， 第二、真實液滴法（RealDropmethod):對輪廓曲線利用無因次變換方程和原始離散方 程進行兩次優(yōu)化的算法，其特征為：第一次優(yōu)化過程，優(yōu)化得出界面張力值Y與頂點曲率 半徑R〇之間的線性關(guān)系式；第二次利用第一次的關(guān)系式，減少變量后，利用界面張力值Y 的迭代，優(yōu)化得出接觸角值9、界面張力值Y、弧長S等所需測試參數(shù)； 如上（2)所述的優(yōu)化所用無因次方程組如下：
(6) 使用了通過液滴影像分析、擬合、優(yōu)化和軟件自動迭代可變參數(shù)(液滴影像分析法） 求解表面/界面張力值、接觸角值以及液體體積、面積、液滴曲率半徑和潤濕線的界面化學(xué) 分析方法，以及利用求解得到的面積和表面/界面張力分析界面流變性質(zhì)的測量方法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用了權(quán)利要求1所述的真空、控溫條件下界面張力和 接觸角值的測量裝置的真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量方法，其特征在于，一 種真空條件下形成接觸角液滴和界面張力液滴的方式，其顯著特征在于：液滴利用抽真空 后壓力差的方式，以自由落滴或停留針頭的懸滴的方式實現(xiàn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用了權(quán)利要求1所述的真空、控溫條件下界面張力和 接觸角值的測量裝置的真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量方法，其特征在于，形 成液滴并測試界面張力的實現(xiàn)方式： 1)關(guān)閉真空閥門；2)在微量進樣器中吸取被測液體；3)連接完真空泵后，對真空控溫 腔體抽真空；4)真空控溫腔體溫度達到目標值；5)當真空度與溫度達到目標值后，關(guān)閉真 空泵與真空控溫腔體連接中間的真空閥；6)慢慢打開真空閥，液滴會由于壓力差迅速從針 頭形成一個懸滴；7)使用高速攝像機拍攝下視頻圖像，并將圖像分割成BMP圖片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用了權(quán)利要求1所述的真空、控溫條件下界面張力和 接觸角值的測量裝置的真空、控溫條件下界面張力和接觸角值的測量方法，其特征在于，形 成液滴并測試接觸角的實現(xiàn)方式： 1)關(guān)閉真空閥門；2)在微量進樣器中吸取被測液體；3)連接完真空泵后，對真空控溫 腔體抽真空；4)真空控溫腔體溫度達到目標值；5)當真空度與溫度達到目標值后，關(guān)閉真 空泵與腔體連接中間的真空閥；6)慢慢打開真空閥門，液滴會由于壓力差迅速吸入到真空 控溫腔體并滴落到固體樣品的表面；7)使用高速攝像機拍攝下視頻圖像，并將圖像分割成 BMP圖片。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于真空及控溫條件下測試界面張力和接觸角值的測量裝置和方法，該裝置由石英玻璃制成的雙側(cè)觀察窗的真空控溫腔體、真空連接配件、注射泵及其控制部件、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和界面張力值；該裝置和測試方法可以分析不同壓力情況下的接觸角和界面張力值等，在油田、石化、新材料研究等領(lǐng)域具有極廣的推廣價格，特別在太空環(huán)境模擬實驗中，通過模擬太空實際真空度和溫度情況并進而測值界面張力和接觸角值，該裝置和方法是非常有效的。
【IPC分類】G01N13-00, G01N13-02
【公開號】CN104697900
【申請?zhí)枴緾N201310645620
【發(fā)明人】施建輝
【申請人】上海梭倫信息科技有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2013年12月5日