專利名稱：基于軸對(duì)稱液滴輪廓曲線和體積的液體表面張力測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體或高溫熔體等的性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特指一種通過(guò)測(cè)量軸對(duì)稱液滴輪廓曲線的幾何參數(shù)和基于液滴輪廓曲線計(jì)算的液體體積而實(shí)現(xiàn)液體界面張力測(cè)量的方法，其適用于所測(cè)量的液體形成的小液滴處于輔助測(cè)量平臺(tái)表面上且液滴輪廓曲線與輔助測(cè)量平臺(tái)表面形成的接觸角大于30°的情況或利用小液滴懸掛在軸對(duì)稱輔助支承表面(如對(duì)稱針管)的情況下的液體界面張力的測(cè)量，尤其適用于僅具有小體積量的液體界面張力以及極端條件如高溫高壓(或低壓)條件下的液體界面張力的測(cè)量分析。
背景技術(shù)：
液體界面張力是液相物質(zhì)的一個(gè)重要特性，在化工、醫(yī)學(xué)、材料、生物等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。界面張力對(duì)液體的狀態(tài)和行為起到重要的控制作用，而對(duì)界面張力的測(cè)量是研究界面張力作用的基礎(chǔ)。因此，在工程應(yīng)用中，開發(fā)出具有廣泛應(yīng)用范圍(尤其是極端條件)的液體界面張力測(cè)量方法對(duì)控制液體行為和狀態(tài)具有重要意義。在液體界面張力的測(cè)試方法中，滴外形法因具有多種優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[A. ff. Adamson and A. P. Gast, Physical Chemistry of Surfaces(Wiley, NewYork, 1997)，p. 362.]。滴外形法是通過(guò)比較理論液滴輪廓曲線與實(shí)驗(yàn)液滴輪廓曲線的吻合度來(lái)得出液體的界面張力，其中求解理論液滴輪廓曲線需要對(duì)微分方程進(jìn)行求解，同時(shí)需要選擇合適的表達(dá)吻合度的參數(shù)[M. Hoorfar andA. ff. Neumann, Adv. Colloid Interf.Sc1. 121, 25 (2006) ]0這使得這種方法不夠直接，且由于涉及到求解微分方程，不利于一般專業(yè)人員的實(shí)施。針對(duì)這些問題，我們提出《基于軸對(duì)稱液滴輪廓曲線和重量的液體界面張力測(cè)量方法》，其中僅需要測(cè)量液滴輪廓曲線的幾個(gè)直觀的幾何參數(shù)和重量，即可通過(guò)公式計(jì)算出液體的表面張力。然而，在這種方法中，由于稱量液滴重量是對(duì)整個(gè)液滴進(jìn)行的，所以測(cè)量的幾何參數(shù)也只能選擇為與液滴輪廓曲線和輔助測(cè)試平臺(tái)表面之間的交點(diǎn)(接觸點(diǎn))相關(guān)的幾何參數(shù)，若此時(shí)接觸點(diǎn)由于光照或者其他原因而難以分辨清楚，那該方法將難以開展。同時(shí)，由于需要測(cè)試液滴重量，該方法一般只限于采用座滴法(小液滴放置在水平的輔助測(cè)試平臺(tái)表面上)進(jìn)行測(cè)量。然而，在座滴法中，當(dāng)液體界面張力較小時(shí)，液滴與輔助測(cè)試平臺(tái)表面形成的接觸角較小，使得該方法難以用于低界面張力的液體的界面張力的測(cè)試。以上兩點(diǎn)限制了該方法的測(cè)試范圍。為此，本發(fā)明擬通過(guò)對(duì)液滴輪廓曲線的幾何參數(shù)和液滴體積進(jìn)行考慮的辦法，解決以上方法在測(cè)量中的問題，實(shí)現(xiàn)范圍更廣的液體界面張力的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)測(cè)量軸對(duì)稱液滴輪廓曲線上選定測(cè)量點(diǎn)的幾何參數(shù)和與測(cè)量點(diǎn)水平面到頂點(diǎn)之間的液體體積來(lái)實(shí)現(xiàn)液體表面張力直接測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)廣泛微量液體以及高溫高壓等嚴(yán)峻環(huán)境下液體的界面張力測(cè)量，尤其可實(shí)現(xiàn)采用懸滴法(小液滴懸掛于水平放置的軸對(duì)稱輔助支承表面下)的情況下的液體界面張力的測(cè)量以及在獲取的液滴輪廓曲線在與固體表面接觸處圖像不清晰的情況下的液體界面張力的測(cè)量。本發(fā)明按下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種基于液滴體積及液滴輪廓曲線幾何參數(shù)的液體界面張力測(cè)量方法，是采用圖像采集設(shè)備(如接觸角測(cè)量?jī)x、CCD)攝制液滴在輔助測(cè)試平臺(tái)上表面上鋪展的圖片(座滴法)或液滴懸掛于水平放置的軸對(duì)稱輔助支承表面下的圖片(懸滴法)，對(duì)圖片進(jìn)行處理提取液滴輪廓曲線；在滴輪廓曲線上選定一個(gè)測(cè)量點(diǎn)；測(cè)量出液滴輪廓曲線上與選定測(cè)量點(diǎn)相關(guān)的幾何參數(shù)；根據(jù)液滴輪廓曲線計(jì)算出從選定測(cè)量點(diǎn)到液滴頂點(diǎn)之間的液滴體積；將測(cè)量的幾何參數(shù)和液滴體積代入本專利提供的計(jì)算公式即可直接計(jì)算出液體的界面張力。上述方法中，液滴在輔助測(cè)試平臺(tái)上表面上鋪展的圖片或液滴懸掛于水平放置的軸對(duì)稱輔助支承表面下的圖片是通過(guò)放大倍數(shù)可調(diào)的圖像采集設(shè)備(如接觸角測(cè)量?jī)x、(XD)攝制，圖片大小大于752X480像素，液滴占據(jù)區(qū)域的高度大于圖片高度的三分之二，在圖片上，液滴區(qū)域和輔助測(cè)試平臺(tái)占據(jù)的區(qū)域?yàn)楹谏?，其余區(qū)域?yàn)榘咨?上述方法中，液滴輪廓曲線通過(guò)對(duì)液滴在輔助測(cè)試平臺(tái)上表面上鋪展的圖片進(jìn)行處理獲取，處理過(guò)程是首先采用圖像膨脹算法將液滴區(qū)域和輔助測(cè)試平臺(tái)占據(jù)的區(qū)域中顏色為白色噪聲斑點(diǎn)變?yōu)楹谏?，再?duì)這兩個(gè)區(qū)域采用圖像腐蝕算法獲取線寬為一個(gè)像素的液滴輪廓曲線和輔助平臺(tái)表面(或軸對(duì)稱輔助支承表面)曲線。上述方法中，液滴輪廓曲線可以是座滴法(即液滴無(wú)柄固著在輔助測(cè)試平臺(tái)的上表面上)中的液滴輪廓曲線，此時(shí)所使用的輔助測(cè)試平臺(tái)的上表面為無(wú)污染的光滑平直表面，其材料不與所測(cè)量液體以及環(huán)境發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)應(yīng)保證其表面在測(cè)試環(huán)境下為完整的固體表面，其面積在IOmm2和IOOOOmm2之間，在測(cè)試時(shí)保持該表面水平；也可以是懸滴法(即液滴懸掛于軸對(duì)稱輔助支承表面上)中的液滴輪廓曲線，此時(shí)所使用的軸對(duì)稱輔助支承表面是具有圓形底表面的物體，要求其材料不與所測(cè)液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)應(yīng)保證其表面在測(cè)試環(huán)境下為完整的固體表面，其底面面積在0. 5mm2-25mm2,測(cè)試時(shí)保持該物體底表面水平朝下。上述方法中，需要首先在液滴輪廓曲線上選定測(cè)量點(diǎn)，選定測(cè)量點(diǎn)的方案有兩種一種是測(cè)量點(diǎn)距固體表面(輔助測(cè)試平臺(tái)表面或針頭端面)應(yīng)小于液滴輪廓曲線整體高度的1/4 ;另一種是預(yù)先指定傾斜角，再作滿足傾斜角的直線，逐漸移動(dòng)該直線直至與液滴輪廓曲線相交于一點(diǎn)，則選擇該點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)，該方案用以提高液滴輪廓曲線的切線傾斜角測(cè)量的精度。上述方法中，測(cè)量的液滴輪廓曲線上與測(cè)量點(diǎn)相關(guān)的主要幾何參數(shù)包括液滴輪廓曲線頂點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的豎直距離H、液滴輪廓曲線在頂點(diǎn)處的曲率半徑R、液滴輪廓曲線與過(guò)測(cè)量點(diǎn)的水平線的兩交點(diǎn)之間的距離21■以及液滴輪廓曲線在測(cè)量點(diǎn)處的傾斜角0這幾個(gè)簡(jiǎn)單幾何參數(shù)。上述方法中，從測(cè)量點(diǎn)到液滴輪廓曲線頂點(diǎn)之間的液滴體積為從測(cè)量點(diǎn)水平面到
液滴輪廓曲線頂點(diǎn)之間所包含的液體體積，通過(guò)公式a /^2/i進(jìn)行計(jì)算，其中V為所求
;；=0
液體體積，h為圖像每個(gè)像素的真實(shí)高度，i為所計(jì)算的像素層，i=0為測(cè)量點(diǎn)所在的像素層，i = N為液滴輪廓曲線頂點(diǎn)的像素層，^為第i像素層上的液滴輪廓曲線的半徑。
上述方法中，采用座滴法時(shí)的界面張力計(jì)算公式是
權(quán)利要求
1.一種基于軸對(duì)稱液滴輪廓曲線和體積的液體表面張力測(cè)量方法，是采用圖像采集設(shè)備攝制液滴在輔助測(cè)試平臺(tái)上表面上鋪展的圖片或液滴懸掛于水平放置的軸對(duì)稱輔助支承表面下的圖片，對(duì)圖片進(jìn)行處理提取液滴輪廓曲線；在滴輪廓曲線上選定一個(gè)測(cè)量點(diǎn)；測(cè)量出液滴輪廓曲線上與選定測(cè)量點(diǎn)相關(guān)的幾何參數(shù)；根據(jù)液滴輪廓曲線計(jì)算出從選定測(cè)量點(diǎn)到液滴頂點(diǎn)之間的液滴體積；依據(jù)測(cè)量出的幾何參數(shù)和體積利用下述公式直接計(jì)算出液體的界面張力 當(dāng)液滴輪廓曲線提取于液滴在輔助測(cè)試平臺(tái)上表面上鋪展的圖片時(shí)，界面張力計(jì)算公式是:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于軸對(duì)稱液滴輪廓曲線和體積的液體表面張力測(cè)量方法，該方法是采用圖像采集設(shè)備攝制液滴在輔助測(cè)試平臺(tái)上表面上鋪展的圖片或液滴懸掛于水平放置的軸對(duì)稱輔助支承表面下的圖片，對(duì)圖片進(jìn)行處理提取液滴輪廓曲線；在滴輪廓曲線上選定一個(gè)測(cè)量點(diǎn)；測(cè)量出液滴輪廓曲線上與選定測(cè)量點(diǎn)相關(guān)的幾何參數(shù)；根據(jù)液滴輪廓曲線計(jì)算出從選定測(cè)量點(diǎn)到液滴頂點(diǎn)之間的液滴體積；依據(jù)測(cè)量出的幾何參數(shù)和體積利用公式或直接計(jì)算出液體的界面張力。本發(fā)明可通過(guò)優(yōu)選測(cè)量點(diǎn)，避開接近于液滴輪廓曲線與輔助測(cè)試平臺(tái)表面的接觸線附近的圖像瑕疵。
文檔編號(hào)G01N13/02GK103018138SQ201210566160
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者李健, 金衛(wèi)鳳 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)