[发明专利]真空、控温条件下界面张力和接触角值的测量方法及装置

权利要求书

1.真空、控温条件下界面张力和接触角值的测量装置，其显著特征为：（1）包括了压帽、上盖板、KF50标准接口、石英玻璃观察窗、毛细管、、真空阀门、微量进样器（注射泵、垂直向移动一维光学平移台、支架、远心镜头、镜头固定环、摄像机、电气控制箱、LED平行光源、XYZ三维光学平移台、KF16真空接口、二维水平调整平台、针头、四个水平调整脚、相机固定支架；同时，真空腔体的后方提供有温度传感器和循环水/导热油快速接口；在注射泵控制结构中提供了一个控制针头左右位置的XY两维光学平移台；

    上述水平调整脚固定于机架下端四角，机架两上设置有支架和电气控制箱，水平光源设置于电气控制箱一侧，支架上设置有远心镜头、镜头固定环、摄像机，镜头固定环、摄像机下方设置一个相机固定支架，支架上端设置有垂直向移动一维光学平移台，垂直向移动一维光学平移台上固定有注射泵，注射泵上连接一个XY两维光学平移台，注射泵下端连接有微量进样器，微量进样器下方连接有真空阀门，真空阀门通过压帽连接毛细管上端，毛细管下端针头穿过上盖板、KF50真空接口至真空控温腔体内的石英观察窗窗口内，毛细管通过压帽和带有两侧内倒角的压环压紧密封于上盖板上；真空控温腔体连接二维水平调整平台，二维水平调整平台下方为XYZ三维光学平移台。

2.根据权利要求1所述的真空、控温条件下界面张力和接触角值的测量装置，其特征在于，在镜头、光源和摄像机的选择上，采用了如下具有轮廓测试的显著结构：（1）在镜头的选择上，采用远心镜头，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（2）在背景光源的选择上，采用LED平行光源，从而大幅提升景深以及轮廓边缘的清晰度；（3）在摄像机的选择上，选购德国IDS公司的USB2.0或USB3.0的高速摄像机，播放速度达到60帧/秒以上。

3.一种利用了权利要求1所述的真空、控温条件下界面张力和接触角值的测量装置的真空、控温条件下界面张力和接触角值的测量方法，其特征在于，采用了一种真实液滴法测试用于修正了重力系接触角和界面张力值，其显著特征包括：

（1）使用了一个已经离散化的Young-Laplace方程组，对于侧视法影像分析时的停滴（sessile drop）、气泡捕获（Captive bubble）或悬滴（pendant drop）：

其中：θ为接触角，s为弧长，R₀为顶点位置的曲率半径，Δρ为内外相密度差，z高度，x为宽度，V为体积，A为面积，x0,z0为顶点坐标；

（2）使用了一个求解Young-Laplace离散方程组的解法，其显著特征包括：在使用软件绘制液滴轮廓的理论曲线时使用如上（1）所提及的离散方程组，利用龙格库拉（Runge-Kutta）或欧位（Euler）法或类似的方法求解理论曲线，并利用软件绘图的方式，显示相应的理论曲线以及曲线上的各个坐标点（x_i,y_i）；

（3）使用了一种绘制接触角和界面张力液滴轮廓的实际曲线的方法，其显著特征为：利用CANNY或SOBEL算法，利用成像系统拍摄得到旋转液滴轮廓图像中灰度的变化，设置合理阈值，查找出液滴轮廓的边缘，并利用Spline算法作查找的边缘进行优化计算，得到液滴轮廓的边缘点坐标值（X_i,Y_i）并有序排列，并利用软件绘图的方式，将查找边得的轮廓边缘实际曲线标出；

（4）使用了一种采用牛顿法（Newton-Raphson method）或类似的最小二乘法算法，在输入密度差Δρ、重力系数g、等常量值后，将曲率半径R0、接触角值θ、界面张力值γ、弧长S作为变量优化如上的Young-Laplace方程求解得出的理论曲线与查找液滴轮廓边缘而得到的实际曲线，进而得到最终的顶点曲率半径R0、接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等参数，并进而利用积分求面积和体积的方法，求得液滴的面积和体积等参数的方法；

其显著特征包括：（1）通过直接优化液滴轮廓的Young-Laplace方程理论曲线和查找边缘所得的实际曲线测试液-气或液-液界面张力值；（2）采用了真实液滴法（RealDrop）或图像轮廓法（DIPM），从而，无须如Select plane算法基础上的Young-Laplace拟合的经验标定；

（5）使用了如下两种方法中的其一，用于如上3所述优化过程的特殊算法，用于优化出界面张力值γ和接触角值θ：

第一、图像轮廓法（DIPM: Drop image profile method）:其特征在于：利用图像处理算法，拟合曲线（如圆或椭圆、多项式曲线或Spline曲线），计算得出顶点的曲率半径值的算法，进而，通过如上提及的优化算法，优化得出接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等所需测试参数；

或，

第二、真实液滴法（RealDrop method）：对轮廓曲线利用无因次变换方程和原始离散方程进行两次优化的算法，其特征为：第一次优化过程，优化得出界面张力值γ与顶点曲率半径R₀之间的线性关系式；第二次利用第一次的关系式，减少变量后，利用界面张力值γ的迭代，优化得出接触角值θ、界面张力值γ、弧长S等所需测试参数；

如上（2）所述的优化所用无因次方程组如下：

                    （公式：8）

其中：，X=x/R₀，Y=y/R₀，S=s/R₀

（6）使用了通过液滴影像分析、拟合、优化和软件自动迭代可变参数（液滴影像分析法）求解表面/界面张力值、接触角值以及液体体积、面积、液滴曲率半径和润湿线的界面化学分析方法，以及利用求解得到的面积和表面/界面张力分析界面流变性质的测量方法。