視頻光學(xué)接觸角測量儀的選購10問－含接觸角測試方法對比

一、視頻光學(xué)接觸角測量儀對環(huán)境是否有要求，如風(fēng)速，溫濕度，塵粒等。
溫濕度的要求取決于用戶測試要求。由于溫度不同，接觸角及表面張力值不同，因而通常情況下控制溫度是大部分用戶必需要的。有的用戶想測試不同溫度和濕度條件下的樣品接觸角值或界面張力值。因而，溫度和濕度的要求取決于用戶的測試需求。僅僅從儀器使用條件來看，常規(guī)實(shí)驗(yàn)室溫、濕度條件就可以了。
（1）控溫控制系統(tǒng)：建議采用帕爾貼溫控系統(tǒng)。目前，美國科諾*提供多款帕爾貼溫控系統(tǒng)，溫度范圍從-50-160℃供選。帕爾貼溫控系統(tǒng)因其加熱或制冷速度快，控制精度高（0.05℃）而被用戶廣泛接受。價(jià)格范圍參考為-50-160℃5萬元人民幣，0-160℃1.5萬元人民幣；0－100℃10000人民幣，15－80℃5000人民幣。同時(shí)，我們提供德國進(jìn)口500度加熱板供選購。
（2）濕度控制系統(tǒng)：提供RH5%－95%，溫度室溫+5－85℃系統(tǒng)供選購，中國產(chǎn)的濕度控制系統(tǒng)7萬元，進(jìn)口的要20萬元左右。
風(fēng)速會影響到接觸角的測值。因而盡量避免室內(nèi)空氣的大流動(dòng)。特別對于界面張力或表面張力的測值而言，風(fēng)速的影響會非常大。美國科諾的儀器采用了ADSA®-RealDrop®法（第四代基于RealDrop®法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)（中國發(fā)明，號ZL201110244512.9）），可以減少振動(dòng)、風(fēng)速等對測值結(jié)果的影響，是目前能夠接受這樣條件的*算法。
塵粒對接觸角和表面張力的測試的影響主要體出為污染測試樣品，影響到終的測值結(jié)果。同樣的，若樣品本身的表面是清潔的且不存在化學(xué)多樣性或異構(gòu)性，國科諾的儀器采用了ADSA®-RealDrop®法（第四代基于RealDrop®法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)（中國發(fā)明，號ZL201110244512.9）），可以一次測值得到左、右兩側(cè)的接觸角值，從而為判斷是否存在塵粒提供了為方便的方法。同時(shí)，ADSA－RealDrop法可以用于測試3D接觸角值，因而，是目前為止為方便和科學(xué)的方法。

二、視頻光學(xué)接觸角測量儀的恒溫部分是指檢測樣品區(qū)域還是包括進(jìn)樣器部分。
接觸角儀中接觸角測試的恒溫，通常僅僅是檢測固體樣品時(shí)對樣品進(jìn)行恒溫控制。進(jìn)樣器中裝的是液體。在測試時(shí)，液體滴到被測樣品上了，由于固體材料是恒溫控制的，所以滴出的液體就可以被控溫了?？販夭糠植捎昧伺翣栙N溫控，溫度范圍取決于用戶的要求。
同時(shí)，美國科諾提供控制進(jìn)液器溫度的帕爾貼溫控溫度范圍－10－100℃。同時(shí)，美國科諾提供高溫（450℃）注射泵供選購。

三、視頻光學(xué)接觸角測量儀的進(jìn)樣器的材質(zhì)，以及進(jìn)樣量的范圍是多少？
接觸角測試儀的進(jìn)液器的材質(zhì)包括了多個(gè)部分，如針管、頂針、針頭、密封件等。通常而言，接觸角儀進(jìn)樣器的材料為玻璃和聚四氟，另外提供的一次性進(jìn)樣器為塑料。同時(shí)，我公司提供噴射進(jìn)樣器和全不銹鋼進(jìn)樣品供選購。
針頭的材質(zhì)分為聚四氟乙烯、不銹鋼、塑料等。針頭同時(shí)存在不同粗細(xì)針頭的選購問題。美國科諾*提供全系列針頭從34號（外徑0.2mm）細(xì)到10號(外徑4mm)針頭。
進(jìn)液精度取決于進(jìn)液器的容量，通常美國科諾的0.002uL或更低。若是SL200KS加上100uL進(jìn)液器和超細(xì)針頭，可以滴出0.2uL的液滴。若是采購噴射針頭，小滴出量可達(dá)pL級，用于半導(dǎo)體行業(yè)的微量滴出。但通常情況下，由于采用了ADSA－RealDrop法（Young-Laplace方程計(jì)算方法）測試接觸角值，此方法自動(dòng)修正重力影響，因而，液體量在我們的儀器上不是問題，雖然我們可以精度很高。進(jìn)液精度以及進(jìn)液量在視頻光學(xué)接觸角測量儀中的重要性主要取決于有的接觸角測試方法對于液滴的形狀的假設(shè)，因而選對方法對于測試接觸角很重要。

四、視頻光學(xué)接觸角測量儀的方法有哪些，各自的優(yōu)勢與缺點(diǎn)有哪些？
目前而言，接觸角測試方法主要為如下3類：
（1）簡單幾何算法：量角器法和寬高法（WH法或θ/2）法。
量角器法采用一條直線傾斜并判斷其是否相切于液滴輪廓的方式分析接觸角值。而寬高法則假設(shè)液滴輪廓符合一個(gè)圓弧曲線，即假設(shè)液滴為球冠的一部分。因而，寬高法有時(shí)也被稱為小球完法。此時(shí)，通過圓弧的寬與高，并采用反三角函數(shù)計(jì)算出接觸角值。
本方法的優(yōu)勢在于：（1）被發(fā)現(xiàn)并使用的時(shí)間長；（2）測試不需要復(fù)雜的儀器，人眼觀測即可。如美國科諾早研制出來的SL100型。（3）采用軟件全自動(dòng)測試時(shí)，速度快。
本方法的缺陷包括：（1）測值誤差大，重復(fù)性不好，精度不高，量角器法通常為2度甚至更高，寬高法時(shí)為1度左右；（2）受人為因素影響較大，特別是量角器法，每個(gè)人的判斷依據(jù)均不同，因而無法形成一個(gè)可接受的共識結(jié)果。而寬高法在像素的選擇時(shí)，因判斷像素點(diǎn)少，精度很難達(dá)到很高；（3）易受噪聲點(diǎn)影響，特別是采用寬高法自動(dòng)分析時(shí)，背景的噪聲會明顯影響到測值結(jié)果；（4）受液滴體積的影響。因其小球冠的前提假設(shè)，大液滴明顯存在重力影響，測值結(jié)果存在偏差。還有一個(gè)不被重視的情況為，在接觸角大于80度或超疏水材料（150度以上）時(shí)，事實(shí)上小液滴（2uL或1uL），液滴形狀也因重力而改變。
（2）復(fù)雜的高數(shù)算法：圓擬合、橢圓擬合、切線法（二次曲線或復(fù)合曲線）等方程擬合法以及Spline曲線擬合、真實(shí)液滴法等無方程擬合法等。
本系列算法具體測試過程為：拍攝液滴輪廓圖像，采用圖像識別技術(shù)擬合圖像的邊緣（如Canny算子），提取邊緣曲線的坐標(biāo)，將坐標(biāo)曲線與曲線方程進(jìn)行小二乘擬合，從而得到終的方程曲線。在得到曲線方程后，在接觸的兩端點(diǎn)處求導(dǎo)并進(jìn)而得到接觸角值。
本系列算法的特征在于用曲線算法計(jì)算一個(gè)曲線的切線角值。因其缺少界面化學(xué)相關(guān)算法的支撐，其測值僅是計(jì)算得出液滴輪廓的表象角度值，即該輪廓的幾何意義上的角度值而并非真實(shí)的固－液－氣或固－液－液三相體系的本征接觸角值。事實(shí)上，因重力、浮力、化學(xué)多樣性、異構(gòu)性的存在，接觸角體系非常復(fù)雜。
本系列算法的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）易被理解和接受。本系列算法涉及的知識有限，只涉及簡單的幾何以及高數(shù)知識，所以，易于被使用者所理解；（2）測試精度較高，通常而言，在控制液滴量的情況下，且擬合曲線與輪廓曲線重合度高時(shí)，精度可達(dá)0.5°(圓擬合或橢圓擬合)；（3）圓擬合法以及橢圓擬合法不易受背景噪聲點(diǎn)影響，自動(dòng)擬合的成功率較高。特別是圓擬合法，在5度以內(nèi)的接觸角測試時(shí)，是算法。
本系列算法的缺點(diǎn)在于：（1）受液滴大小或重力影響較大，特別是圓擬合法；（2）橢圓擬合法擬合10度以內(nèi)接觸角值以及特殊情況下的接觸角值（如150度以上超疏水材料的接觸角值等，此時(shí)的重力影響已經(jīng)影響到輪廓，特別是中心線以下的輪廓與以上部分不再對稱時(shí)）；（3）切線法受接觸點(diǎn)位置的噪聲干擾較大，特別的對于增加、減少液滴法的前進(jìn)、后退測值時(shí)，成功率不高；（4）無法真實(shí)表征界面化學(xué)現(xiàn)象，如化學(xué)多樣性、重力的體現(xiàn)、界面化學(xué)的三明治效應(yīng)等；（5）無法擬合非軸對稱圖像，除橢圓能夠擬合部分非軸對稱的圖像以及切線法外。
（3）Young-Laplace方程擬合法。
本算法將Young-Laplace方程引入到接觸角及界面張力（表面張力）的測試過程中，從而綜合考慮到了重力、浮力、界面張力等各個(gè)因素的影響，也更為真實(shí)的表征了固－液－氣或固－液－液三相體系的界面化學(xué)現(xiàn)象。相較于如上兩個(gè)類別的算法，其測值精度、重復(fù)性均比較高。本方法的具體實(shí)施過程為：拍攝液滴輪廓圖像，采用圖像識別技術(shù)提取圖像邊緣并得到坐標(biāo)點(diǎn)，用坐標(biāo)點(diǎn)擬合Young-laplace方程并得到表面張力值、體積值、表面積值以及接觸角值等參數(shù)。其核心技術(shù)為邦德系數(shù)（Bond Number）的算法以及擬合Young-Laplace方程的算法兩個(gè)部分。而根據(jù)邦德系數(shù)（Bond Number）不同Young-Laplace方程擬合技術(shù)分為兩大類：ADSA和Select Plane法兩種。
本方法為的是A.W.Neumann的ADSA算法，包括ADSA－P、ADSA－D、ADSA－CD、ADSA－NA、ADSA－RealDrop等等。ADSA算法為軸對稱影像分析法，為Neumann教授于1983年正式提出（Rotenberg, Y., Boruvka, L. and Neumann, A.W. Determination of Surface Tension and Contact Angle from the Shapes of Axisymmetric Fluid Interfaces J. Colloid Interface Sci. 93 p.169-183），并于1987年正式公開發(fā)表（Spelt, J.K., Rotenberg, Y., Absolom, D.R. and Neumann, A.W. Sessile Drop Contact Angle Measurements Using Axisymmetric Drop Shape Analysis (ADSA) Colloids Surfaces 24 p.127-137, 1987）,1997年Neumann團(tuán)隊(duì)對ADSA算法進(jìn)行了總結(jié)并形成理論體系（O. I. del R?o and A. W. Neumann, Axisymmetric Drop Shape Analysis: Computational Methods for the Measurement of Interfacial Properties from the Shape and Dimensions of Pendant and Sessile Drops, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 196, P136–147 ,1997）。ADSA－RealDrop算法是在ADSA－NA的基礎(chǔ)上的更新，其核心技術(shù)為邦德系數(shù)（Bond Number）的擬合采用了聯(lián)立頂點(diǎn)曲率半徑和表面張力值建立關(guān)系式，并二次擬合Young-Laplace方程的技術(shù)。相較于ADSA－P更接近于實(shí)際液滴輪廓形狀，因而被稱為RealDrop技術(shù)，可也稱為非軸對影像分析法。
另外三個(gè)比較有名的算法包括如下三個(gè)。其特征為這些算法被國外的儀器廠商所商業(yè)化使用，因而具有一定的度。其核心的邦德系數(shù)（Bond Number）為Select Plane算法。
(1)Song Bi Hai團(tuán)隊(duì)的Young-Laplace方程擬合法（BIHAI SONG AND JU¨ RGEN SPRINGER, Determination of Interfacial Tension from the Profile of a Pendant Drop Using Computer-Aided Image Processing, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 184, P64–76 ,1996）。
（2）Hansen團(tuán)隊(duì)的Young-Laplace方程擬合法（F. K. HANSEN AND G. RODSRUD， Surface Tension by Pendant Drop I. A Fast Standard Instrument Using Computer Image Analysis，Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 141, No. I, p1-9, January 1991）
（3）J. W. Jennings團(tuán)隊(duì)的Young-Laplace方程擬合法（J. W. Jennings， N. R. Pallas，an Efficient Method for the Determination of Interfacial Tensions from Drop Profiles，Langmuir. Vol. 4, No. 4, 1988，P959-967）
本方法的缺點(diǎn)：（1）除了ADSA－NA和ADSA-RealDrop法之外，所有的算法均有軸對稱的前提假設(shè)，即本算法認(rèn)為液滴的輪廓是左、右、前、后對稱的。因而在實(shí)際測試中，通常僅擬合以液滴輪廓中心點(diǎn)分界的單側(cè)的輪廓并將另一側(cè)的輪廓擬合曲線復(fù)制。但事實(shí)上，很少有一個(gè)固體表面的液滴能夠形成軸對稱的。（2）對于小接觸角值，如低于3度以下時(shí)，因采用的擬合邊緣不夠，精度一般。
本方法的優(yōu)點(diǎn)：（1）可以修正重力、浮力對接觸角測值的影響，不受液滴體積的影響，精度高，重復(fù)性好；（2）可以用于超疏水材料的接觸角值，特別是針對大于80度以上的接觸角值測值，擬合度非常高；（3）可以真實(shí)反應(yīng)固－液－氣或固－液－液三相體系的接觸角值。
其中，ADSA－RealDrop算法因其非軸對稱性并結(jié)合Wensel-Cassie模型，其優(yōu)勢更為明顯：（1）可以用于分析3D接觸角，特別是化學(xué)多樣性、異構(gòu)性、接觸角滯后等的分析，本征接觸角的計(jì)算，本算法勝任工作；（2）不受液滴量大小的影響，從0.1uL-400uL，接觸角值保持在2度之內(nèi)變化；（3）可以非?？焖俚呐袛嗟玫綐悠返幕瘜W(xué)多樣性、清洗度等，無需多個(gè)液滴的判斷。

五、視頻光學(xué)接觸角測量儀的進(jìn)樣器如何清洗？進(jìn)行器的針頭與針管如何清洗，是否為消耗品？
進(jìn)樣器和針頭屬于消耗品，可采用超聲波清洗機(jī)清洗。若進(jìn)液為膠水等清洗不掉的樣品，則建議一次性使用，以免交叉污染。測試接觸角值之前或測試界面張力之前，建議先用蒸餾水判斷一下進(jìn)液器以及針頭是否干凈。具體判斷方法為采用懸掛滴法（pendant drop）并采用ADSA-RealDrop法，測試水的表面張力值。如果與當(dāng)時(shí)溫度條件下的蒸餾水的表面張力值是一致的（如25℃時(shí)蒸餾水的表面張力值是72mN/m），那么說明針頭與進(jìn)液器是干凈的。目前判斷清潔度的計(jì)算方法中，唯有ADSA－RealDrop法是非常的。理由為：其他的算法如國外儀器廠商采用的Young-Laplace方程擬合法，其實(shí)質(zhì)為基于Select Plane算法的Young-Laplace方程擬合法，在擬合Young-Laplace方程時(shí)的邦德系數(shù)（Bond）采用了系統(tǒng)標(biāo)定。而這個(gè)系數(shù)的標(biāo)定值由標(biāo)定時(shí)的針頭直徑、溫度條件、樣品的純度等決定。由于標(biāo)定條件不同，因而在測值時(shí)，25號針頭等常規(guī)針頭無法測值水的表面張力值。

六、視頻光學(xué)接觸角測量儀的檢測樣品臺上是否需要薄膜等輔助耗材？
在樣品臺保持干凈的條件下，不需要輔助耗材。但是，如果樣品臺無法保持干凈或?qū)y試要求較高時(shí)，建議采用載玻片等玻璃或薄膜等耗材進(jìn)行保護(hù)，以免二次污染而影響測值。
六、視頻光學(xué)接觸角測量儀的表面張力或界面張力的測定原理？
采用懸滴法，液滴在針頭下面形成一個(gè)懸著的液滴。這個(gè)液滴的形狀符合Young-Laplace方程。擬合方法即可得到表面張力值。目前我們的算法為第四代算法，精度與敏感度均非常高。而國外的均是第二代算法，國內(nèi)是*代算法。
具體可參考
http://v.youku.com/v_show/id_XOTAxNTQxNjYw.html
 

七、視頻光學(xué)接觸角測量儀的相機(jī)是自動(dòng)調(diào)焦不是手動(dòng)？有無彩色相機(jī)？
目前通常標(biāo)配的相機(jī)是手動(dòng)對焦，我們同時(shí)提供自動(dòng)對焦的鏡頭供選購。但由于在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，美國科諾的接觸角儀提供了調(diào)整精度可達(dá)0.01mm的對焦機(jī)構(gòu)，同時(shí)鏡頭中提供了焦距調(diào)整光學(xué)鏡頭（6mm），所以在一次對焦后不再需要對焦。因?yàn)橐曨l光學(xué)接觸角測量儀采用的是顯微鏡，所以這些調(diào)整功能非常關(guān)鍵。由于采用了近平行光鏡頭，形成了一個(gè)非常大的景深，因而可視為固定焦。我們提供精度0.01mm的焦距調(diào)整部件。
美國科諾可提供彩色相機(jī)，且我們的軟件CAST®3是*可分析彩色圖像的視頻光學(xué)接觸角測量儀軟件。彩色相機(jī)因其采用了RGB格式，所以無論在圖像的濃度以及成像質(zhì)量上均遠(yuǎn)優(yōu)于黑白的相機(jī)，也遠(yuǎn)優(yōu)于國外視頻光學(xué)接觸角測量儀的8位灰度圖像的質(zhì)量。在發(fā)表文章時(shí)，照片的質(zhì)量會影響到文章的出彩程度，因而彩色相機(jī)是的選擇。
http://v.youku.com/v_show/id_XMTM3NDE1MzM2OA==.html
 

八、視頻光學(xué)接觸角測量儀是否針對客戶樣品選定合適的像素？
視頻光學(xué)接觸角測量儀的像素問題請參考如下視頻：
http://v.youku.com/v_show/id_XMTY2MzM0MjI4MA==.html
我們的終方案為：建議采購200萬像素的彩色高速攝像機(jī)（160－3100幀/秒，USB3.0）。這樣可以滿足測試吸水材料、動(dòng)態(tài)界面張力測試、動(dòng)態(tài)接觸角測試、滾動(dòng)角測試等各種復(fù)雜要求。
 

九、視頻光學(xué)接觸角測量儀的相機(jī)主機(jī)本身是否有內(nèi)存，以滿足高速成像空間較大的需求？
可以升級高速攝像機(jī)帶內(nèi)存的。130萬像素的512M內(nèi)存500幅/秒（640*480），增加1.5萬元人民幣。若需要更高速的，如2000FPS，4G內(nèi)存，約200萬人民幣。

十、是否可提供現(xiàn)場考察？
我們非常歡迎用戶現(xiàn)我們的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室參觀。這就是的溝通方式。畢竟視頻光學(xué)接觸角測量的選購涉及非常多的知識和選購技巧，針對用戶的應(yīng)用也有非常多的解決方案。舉例而言，伊利公司在選購接觸角儀和表面張力儀時(shí)就專門到我公司指導(dǎo)3次以上，進(jìn)行了全方面的比較與實(shí)際測值。終我們提供了一個(gè)非常的解決方案。本次考察，他們從簡單的采購一臺、功能簡單的表面張力儀的初步方案，終確認(rèn)了一個(gè)測試多層乳化分析的復(fù)雜性解決方案。
而且，目前主要的視頻光學(xué)接觸角測量儀廠商均在上?；蛟谏虾ＴO(shè)有分公司和辦事處，可以對儀器的測試精度、操作方便、技術(shù)人員的知識、服務(wù)等各個(gè)方面進(jìn)行綜合選型比較，以達(dá)到選購一臺符合要求測試要求、買得放心的儀器。

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