[发明专利]超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置及其方法

权利要求书

1.一种超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，包括密闭腔室、CCD观测系统、进液系统、照明系统和样品夹系统，其特征在于：密闭腔室是由密封罩围成一个密闭空间，一端有玻璃视窗，CCD观测系统置于玻璃视窗外部，实时观测和捕捉图像；进液系统包括螺纹推杆、进样器、连接软管和针头，注射器固定在密闭腔室内，通过旋转螺纹推杆实现注射器推杆的推拉，进而完成液体的挤出与吸入，注射器出口通过连接软管连接针头；照明系统安装在密闭腔室底部，照明系统的光源正上方依次是样品夹和针头，针头的针尖垂直于样品夹。

2.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：所述的样品夹系统包括角度调节杆旋钮、样品夹、角度调节杆、小齿轮、扇形齿轮和样品夹固定杆，角度调节杆一端固连角度调节杆旋钮，另一端固连小齿轮，小齿轮与扇形齿轮啮合，扇形齿轮的圆心位置固连样品夹固定杆的一端，样品夹固定杆与样品夹固连；转动角度调节杆旋钮转动角度调节杆，带动小齿轮转动，进而带动扇形齿轮转动，扇形齿轮的转动通过样品夹固定杆带动样品夹转动。

3.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：所述的螺纹推杆旋钮上有刻度。

4.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：所述的密闭腔室的内壁贴有一层反光材料。

5.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：上述的每组部件由抗磁性材料制作，包括铝、铜、不锈钢、玻璃、有机玻璃或塑料。

6.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：所述的接触角测量装置从超导磁体底部装入超导磁体腔室中，在柱身外侧标有刻度，测量位置为液滴所受合力为零的失重悬浮位置。

7.根据权利要求1所述的超导磁体模拟微重力环境下接触角测量装置，其特征在于：所述的密闭腔室外形呈长圆柱状。

8.一种权利要求1所述装置测量超导磁体模拟微重力环境下接触角的方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)利用螺旋推杆的转动控制液体的进样操作；

(2)利用CCD观测系统实时捕捉液滴在前进、静止或后退过程中随时间变化的外观灰度图像；

(3)利用接触角分析方法分析每帧图片中液滴外观轮廓，进行拟合，求出斜率，计算出前进、静止或后退接触角值。

9.根据权利要求8所述测量超导磁体模拟微重力环境下接触角的方法，其特征在于所述的接触角分析方法包括以下步骤：

(a)根据接触角所在图像区域选择图像上的两个点，这两点设定为图像的矩形ROI的左上角点和右下角点，使得固、液、气三相接触点处于该区域的中央；然后将矩形ROI的左上角的第一个像素设定为坐标(0，0)，x轴方向向右，y轴方向向上，将所有像素点的整数像素坐标转换为实数坐标系下的坐标值；

(b)对ROI区域使用canny数学算子进行边缘检测，获得相应的二值图像BW；在该图像上边缘点的灰度值等于1，在图像上呈现白色，其它点的灰度值等于0，在图像上呈现黑色；边缘点分别属于样品夹底板和液滴轮廓，底板边缘点位于水平线上，液滴轮廓边缘点呈现为弧线，固、液、气三相接触点为水平线与弧线的交点；

(c)在BW中选择属于样品夹底板边缘上的任意两点b1和b2，获得这两点的坐标；根据这两点的坐标和斜率公式计算出样品夹底板的倾斜角；

(d)先将所有液滴边缘点坐标在坐标系内顺时针旋转30度，对BW中的属于液滴的边缘点使用最小二乘法进行多项式拟合，可得到拟合系数；

(e)得到拟合系数之后，对所得多项式进行求导计算，得到液滴边缘点的斜率；进一步计算该固、液、气三相接触点处斜率的反正切值，并进行弧度-角度转换得到旋转后的接触角角度值；该角度值加上第(d)步旋转的30度，并减去第(c)步所得到的样品夹底板倾斜角度值就得到了最终的接触角。