[發(fā)明專(zhuān)利]一種靜態(tài)接觸角的計(jì)算方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210594516.4
• 申請(qǐng)日: 2012-12-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103017689A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐志鈕;律方成
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)（保定）
• 主分類(lèi)號(hào): G01B11/26
• 分類(lèi)號(hào): G01B11/26;G01N13/00
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種靜態(tài)接觸角的計(jì)算方法。

背景技術(shù)

憎水性是材料表面的重要性能，是很多材料的關(guān)鍵指標(biāo)，憎水性可以通過(guò)接觸角來(lái)反映。接觸角分為靜態(tài)接觸角和動(dòng)態(tài)接觸角。其中靜態(tài)接觸角是液滴處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的接觸角，它滿足Young-Laplace方程。

靜態(tài)接觸角的測(cè)量方法主要為座滴法。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前常將液滴圖像存儲(chǔ)為電子圖像后用各種算法計(jì)算靜態(tài)接觸角。最早使用的是切線法，該方法做三重線處液滴的切線，通過(guò)半角定理計(jì)算接觸角，實(shí)現(xiàn)容易，但誤差較大，受使用者主觀因素的影響也較大。θ/2法獲得液滴頂點(diǎn)以及左、右兩側(cè)三重線對(duì)應(yīng)點(diǎn)，它假設(shè)圖像上液滴邊緣為圓的一部分，利用這3點(diǎn)可確定圓內(nèi)接三角形的底和高，基于底和高可直接計(jì)算出靜態(tài)接觸角。圓擬合法的原理與θ/2法相近，均基于液滴體積小時(shí)重力的作用可近似忽略，假設(shè)圖像上液滴邊緣為圓的一部分。隨著液滴體積和接觸角的增加，兩種算法的誤差均有增大趨勢(shì)。橢圓擬合法是將圖像上液滴的邊緣假設(shè)為橢圓的一部分，可以用一種直接計(jì)算橢圓參數(shù)的算法計(jì)算接觸角，在液滴體積略大、接觸角略大時(shí)該算法有更高的準(zhǔn)確性，但隨著液滴體積和接觸角的進(jìn)一步增加該算法的誤差也有增大趨勢(shì)。理論上，無(wú)論液滴體積和接觸角如何，圖像上液滴的邊緣都滿足Young-Laplace方程，ADSA-P(axisymmetric?drop?shape?analysis-profile)法通過(guò)牛頓法等對(duì)方程中的參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)可擬合液滴邊緣，該算法具有不錯(cuò)的效果，尤其是當(dāng)液滴體積大、接觸角大時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但該算法可能會(huì)存在迭代不收斂的問(wèn)題，尤其是初值與準(zhǔn)確值差距較大時(shí)可能會(huì)發(fā)生，同時(shí)該算法在求解過(guò)程中要涉及3個(gè)偏微分方程組，無(wú)論是計(jì)算量還是編程難度均要遠(yuǎn)大于以上所提其他算法，同時(shí)該算法受噪聲影響較大。因此，在市場(chǎng)上現(xiàn)有的接觸角測(cè)量?jī)x配套軟件中有相當(dāng)部分未能很好地實(shí)現(xiàn)該算法，不少軟件僅僅實(shí)現(xiàn)了θ/2法，該算法的假設(shè)條件和計(jì)算結(jié)果與圓擬合法相近。

圓擬合法和θ/2法在這幾種算法中無(wú)論是編程難度還是計(jì)算量均較小，且其使用的液滴邊緣點(diǎn)多，抗干擾能力更強(qiáng)，故本發(fā)明以它為對(duì)象進(jìn)行分析和改進(jìn)。隨著液滴體積和接觸角的增加，圓擬合法和θ/2法誤差逐漸增大，必須研究加以改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)存在的不能在不同憎水性和液滴體積下均能準(zhǔn)確計(jì)算靜態(tài)接觸角的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種靜態(tài)接觸角的計(jì)算方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是，一種靜態(tài)接觸角的計(jì)算方法，其特征是所述方法包括：

步驟1：基于Young-Laplace方程仿真產(chǎn)生不同體積和接觸角的液滴邊緣；

步驟2：計(jì)算仿真產(chǎn)生的液滴邊緣的接觸角，進(jìn)而獲得計(jì)算所得接觸角、液滴體積與真實(shí)接觸角的關(guān)系；

步驟3：拍攝真實(shí)液滴圖像，計(jì)算圖像的接觸角；

步驟4：根據(jù)計(jì)算所得接觸角、液滴體積與真實(shí)接觸角的關(guān)系以及液滴圖像的接觸角，采用插值法或類(lèi)似方法獲得準(zhǔn)確的接觸角。

所述計(jì)算仿真產(chǎn)生的液滴邊緣的接觸角采用圓擬合法或者θ/2法。

所述計(jì)算實(shí)際圖像的接觸角采用圓擬合法或者θ/2法。

所述插值法為兩點(diǎn)插值法、線性插值法或者三次樣條插值法。

本發(fā)明基于插值方式可以有效減少大的液滴體積和接觸角給圓擬合法和θ/2法帶來(lái)的誤差；較之ADSA-P法避免了優(yōu)化算法的計(jì)算復(fù)雜性，耗時(shí)較短；ADSA-P法能適應(yīng)不同液滴體積和接觸角情況的計(jì)算，但編程難度大，本發(fā)明的圓擬合法或θ/2法以及插值方法沒(méi)有過(guò)于復(fù)雜的迭代過(guò)程，編程難度相對(duì)小很多。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的靜態(tài)接觸角的計(jì)算方法流程圖；

圖2是圓擬合法的流程圖；

圖3是液滴邊緣示意圖；

圖4是接觸角均為5°時(shí)的圓擬合法的計(jì)算結(jié)果示意圖；其中，（a）是水珠體積為0.01μL且接觸角為5°時(shí)圓擬合法的計(jì)算結(jié)果示意圖，（b）是水珠體積為47.06μL且接觸角為5°時(shí)圓擬合法的計(jì)算結(jié)果示意圖；

圖5是接觸角均為90°時(shí)的圓擬合法的計(jì)算結(jié)果示意圖；其中，（a）是水珠體積為0.44μL且接觸角為90°時(shí)圓擬合法的計(jì)算結(jié)果示意圖，（b）是水珠體積為911.70μL且接觸角為90°時(shí)圓擬合法的計(jì)算結(jié)果示意圖；