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1、低成本接触角一表面能测量仪的研制杨亮曹阳 (海南大学硅锆钛资源综合开发与利用海南省重点实验室，材料与化工学院，海南海口570228)摘要：采用软件硬件相结合的方法，本设计经过数据采集、机械系统的制作，光路，多次校 正、调整，装配成测量仪的硬件；该仪器将USB接口采集到的图像经CCD图像传感器转换为可用输出 信号；使用Microsoft Visual Basic 2010学习版(VB2010)开发了Windows操作环境下的软件；以不同 探测液下的接触角值为基础，利用接触角和表面能中极性分量和非极性分量的关系为基础理论进行 代码编译，通过解方程组的方法得出极性分量和非极性分量，两者相加得材料表面
2、自由能。关键词：接触角表面能测量仪VB2010Development of low-costlContactGontact anglesu energy Measu ring I nstrumentYANG Liang，CAO Yang(Hainan Provincial Key Laboratory ofResearch on Utilization ofSiZrTi Resources，Hainan University Materials and Chemical Engineering，Haikou 570228)Abstract：Combining software and hard
3、ware，this design assembles a novel contact angle-surface energy measuring instrument，which fabricates systems of data acquisition and mechanical system，light path after several calibrations and adjustmentsThis device uses USB port to capture images and transforms optical image ilfformation into outp
4、ut signal by CCD image sensorThe software part of the instrument in the Windowsoperating environment is developed via Microsoft Visual Basic 2010Based on the contact angle values of different detection solutions，the surface energy is surpluses by the polar component and non-polar component that deri
5、ved from solving equations which establish the relationships of the contact angle and the surface energyKeywords：Contact angle；surface energy；Measuring Instrument；V B 2010；1引言接触角是衡量固体材料表面性能的重要参 随着计算机技术的迅猛发展，计算机辅数，通过接触角的测量可以获得材料表面固一 助实验测量仪器设备具有进行智能测试、数液、气一固相界面相互作用的诸多性质12,31，如 据分析和数据存储功能已经成为必然发展趋各向异性【
6、4J、润湿性、粘结性、吸附性等现象 势【11。计算机辅助实验测量能降低测量过程中均与表面自由能有关，而表面能的宏观表现为 人为误差、提高测量速度、增强测量精度并不同探测液的接触角大小。接触角一表面能测能保证测量结果的一致性和可重复性，并具试方法在材料防护、医药、半导体、化妆品、 有方便进行实验数据处理、传送、存储等工生命科学、油墨工业及其他领域均有重要应 作，也能提高数据处理速度，适当减少测试用，因此该测量方法已成为大中院校物理、化 人员工作时长及劳动强度。因此计算机辅助学、材料、生物等相关专业学生必须掌握的一 测量技术已倍受瞩目。种固体表面性质测试技术，但市售的接触角表85面能测试设备造价高
7、，仪器维护困难，学校购面操作简单并能获取精准的接触角值和具有自 买该种仪器设备不多，生均数量更少，不太适动计算表面能值的功能。合普及性实验教学。31硬件设计及制作为解决生均实验设备难题，本工作利用硬件制作过程相对简单，首先将载物台安 普通网络摄像头作为图像采集设备，利用计装到两平行光滑导轨之上，保证载物台前后移 算机图像采集及处理技术制作了成本低、操动顺滑，然后将白光光源固定在导轨一端，在 作方法简单、测量精度能满足实验教学需与光源相对的导轨另一端固定网络摄像头；为 要的接触角一表面能测量装置，并利用提高成像质量，将摄像头前端的塑料光学成像 VisualBasic2010学习版开发了相应操作软
8、件。系统换成短焦距透镜成像系统，最后进行光学 2基本测量原理成像系统调整，保证位于载物台上的样品表面21接触角测量原理的探测液成像清晰，图像位于网络摄像头测量固体表面探测液滴的高度值(h)和接CCD中间。硬件部分通过USB接口直接与计算 触面宽度(1=2，)，利用几何关系可得：机相连，USB口可将网络摄像头CCD采集到的(导)=T2h图像信息实时传递给计算机，以供计算机软件式中，I：球冠形探测液滴底面圆的直径；对图像信息进行处理；白色LED光源也是通过 h探测液滴的高度；0：固体表面的接触角值。USB口供电，整个仪器使用过程只需要占用计 22表面能测量原理算机一个USB口即可也不需要外接电源，
9、方便目前并没有直接应用于材料表面的表面实用。能进行表征的简单有效方法，只可利用不同极性探测液的接触角测量值计算该固体表面的表一 薹-面能，这是目前比较快速也是比较可靠的一种f筒心、暮测量方法【3j6l。Fowkest78,9-f，A为表面自由能可分解为极性分量1 r和色散分量(非极性分量) ，睦瞪 舅二毒考磋i =00二1 6两部分，且服从下列关系：00000霄008艴 卜卜rr卜一 誊耐t羹-哥-埘ii毗n一coS 9、：2b：y：、+2b：y：、图l接触角表面测试仪成像系统示意图。如果利用一系列已知自由能所、极性分量和非极性分量疗的不同极性的探测液对 固体表面进行润湿，并测定探测液体与固体
10、表 面形成的接触角0值，再利用n(1-COS口)p硝2对IXY2作图，且眸葫蛾，由直线的斜涮算出固体表面自由能的极性分量，而由直线截 距可计算出固体表面自由能的非极性分量y?， 两者加和即为固体表面自由能以值【10l。3仪器制作方法 接触角一表面能测量仪采用软件硬件相结合的方法的制作，仪器硬件部分采用普通网络 摄像头作为图像采集装置，载物台放置于导轨 之上可前后顺滑移动；软件部分采用Microsoft图2接触角表面能测量仪实物图。 Visual Basic 2010编程环境进行开发，软件界8632软件部分 像放大2倍以上，再利用鼠标选取探测液与固体 Windows7操作系统环境下，在VB201
11、0编表面接触的两个端点及探测液的顶点位置，软 程环境下开发接触角一表面能测量仪的软件部 件自动计算接触角值；利用不同探测液的接触 分。该软件通过USB口与接触角一表面能测量 角平均值自动计算样品表面能，计算机处理过 仪硬件部分进行通讯，利用Windows API实现 程如图2所示；该软件可将图像信息和实验数据 对网络摄像头图像的实时读取及控制，并利 存储到指定路径文件夹内，以实验日期作为文 用Windows的剪切板工具实现采集高清晰静态 件名，为了方便对数据的再处理，实验数据可 图片；利用半角法多次测量样品不同部分或保存为文本文件格式或Excel文件格式并兼容同批次不同样品的接触角值并求平均值
12、作为 Excel 20072010格式。最终接触角测量值。软件首先将采集到的图图3接触角表面能测量仪软件部分工作流程图。4实验仪器的使用过程图3(A)所示，测量表面能值操作界面如图 完成初步组装之后需要进行反复的测试3(B)所示；和校正以减少仪器产生的误差，如：需要调2)利用微量注射器将探测液滴到待测固体 整图像质量、调整光源的位置及成像位置等 表面，并利用手动旋钮调整样品在摄像头视场 工作，然后将本仪器连接到计算机，软件部 中的位置，以液滴位于视场中间，图像最清晰 分通过图像以半角法为基本测量方法检测固 为好；体表面接触角和表面能，操作步骤如下：3)单击“继续测量”(第一次测量时按钮 1)首
13、先打开测试软件，选择需要进行的名称为“测量”)，打开测量操作界面，利用 测试项目，必须为测量样品输入名字，以方半角法测得接触角值并自动填写到左下方表格 便系统自动保存数据时生成具有一定意义的 内，通过多次测量求平均值即可得某一样品的文件名；如仅测量接触角值打开操作界面如 接触角测量值。874)测量表面能时需要先设置每种探测液 分量和非极性分量。 探测的次数，然后选定探测液并测量该探测5)在测试过程中，可根据需要保存图片； 液与固体表面的接触角值，测量至少三种探在测试结束可将实验数据保存为文本文档或 测液的接触角值后才可计算该固体表面的表 Excel文件。 面能值，同时给出该固体表面表面能的极性
14、塑篓墅塑鎏i囊璺鬯囊童曼垦垦璺圈量裘蚕谩备名称：圈爱匿强震嚣是囊爨爨翅啜嚣翻豳豳麓潮i诱输入撵品名旃：褒迭箨控婺褒瞎：海南大学一o。2菝锸入棰品名耨海选择每种弼酾裁耀燃：海南大学一13：l瓣绫勰|剥垦搂自i两值：“i飞龟器一s!竖E絮瀵蓊囊辫誊蓬薹t一；一i雾i嘉薰鬻ii豢誊j、薹0-一F鬻嚣鬓餮攀测? ” I一 ”一?一簿辅据。oooo+J11jjj”“4 一9w”? ”运出。_。j诗算表面畿姚芳璧j#榻蛙转璧i拜晶销满矧112)艄，-2)：”。警，囊蠢麓麓il冀囊垂骧t蓦薹囊i燃麓i图4接触角表面能测量仪软件部分测量界面。A、接触角测量界面；B、表面能测量界面；5应用总结 习兴趣、激发学生的求知欲和促进学生自主学 该套实验仪器已应用于海南大学材料与习；该仪器软件设计比较人性化，操作界面针 化工学院07级材料科学与工程专业、08级材对学生群体设计，降低了学生实验操作过程的 料科学与工程专业及08级理科实验班的实验难度，减少实验工作强度，简化实验操作，深 教学工作，试用结果表明该试验是成功的。 受学生欢迎；该仪器硬件部分全部采用开放因为该实验仪器测试样品可
