[发明专利]一种液滴静态接触角的测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可精确测定材料表面水珠静态接触角的方法，属于测量技术领域。 

背景技术

憎水性是表征材料表面可浸润性的一个重要参数。材料表面的憎水性越好，污秽和水等越不容易吸附在材料表面，材料的防污、防水和防冰性越好。材料表面的憎水性越差，液体与固体之间的吸附作用越强。因此憎水性的检测在科学和工程中有着极其广泛的应用。

憎水性通常用接触角（即在固、液、气三相交界处,自固-液界面经过液体内部到气- 液界面之间的夹角）来衡量，但直接根据图像准确获得接触角并不容易。一种方法是通过量角器直接测量液滴的静态接触角，但由于液滴的体积较小，而人的肉眼对切线的分辨力有限，因此测量精度受人为因素影响较大。

目前，测量静态接触角的主流方法为基于拟合的方法，多项式拟合方法具有独特的优点，无需考虑液滴边缘所满足的理论方程，无需要求液滴在水平面上也无需要求液滴边缘对称且逼近能力比较强。该方法的难点在于对于不同的接触角和液滴体积，固、液、气三相交界点附近液滴边缘的曲率及其变化情况不同，难以获得具有广泛适用性的待拟合边缘长度和拟合阶数的选择准则。同时由于其仅仅利用了固、液、气三相交界点附近的边缘，抗干扰能力也不强，尤其是多项式阶数选择较大时，在该方法基础上的多种改进方法仍然不能有效克服该方法的以上缺点，影响了该方法的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种液滴静态接触角的测定方法，以克服现有多项式拟合方法计算误差偏大，抗干扰能力差的不足。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种液滴静态接触角的测定方法，所述方法首先在材料表面滴水，然后使用数码影像设备在垂直于材料表面对平面上的液滴进行拍照，获得液滴图像，并使用边缘检测算子对该液滴图像进行处理，获得液滴边缘；之后将液滴边缘点数据由直角坐标系转变为极坐标系，继而采用多项式拟合方法拟合液滴边缘，再将液滴边缘由极坐标系转变为直角坐标系，最后计算在固、液、气三相交界点处液滴边缘的斜率，由该斜率求得静态接触角。

上述液滴静态接触角的测定方法，所述方法包括以下步骤：

a. 在材料表面滴水，使用数码影像设备在垂直于材料表面对平面上的液滴进行拍照，获得液滴图像；

b. 使用边缘检测算子对液滴图像进行处理，提取液滴边缘，设获得的液滴边缘点数为N，直角坐标系下液滴边缘由数组(X(n), Y(n))表示，其中X(n)为第n点的横坐标，Y(n)为第n点的纵坐标，n =1, 2, …, N ；

c.将液滴边缘点数据由直角坐标系转变为极坐标系，设顶点序号为l，第n个液滴边缘点对应的极径r(n)和极角φ(n)的计算公式如下：

d. 采用多项式拟合的方法拟合液滴边缘：

在极坐标系下极角φ与极径r成多项式关系，其表达式如下所示：

通过最小二乘拟合方法获得最佳的系数c_i，i=0, 1, …, M（其中，M为上式多项式的阶数；；

e. 将液滴边缘由极坐标转换为直角坐标，结果如下：

f. 计算液滴边缘在固、液、气三相交界点的斜率：

g. 由斜率计算静态接触角：

左侧接触角θ_L由下式计算：

θ_L=180atan(k)/π，如果k≥0

θ_L=180atan(k)/π+180，如果k<0

右侧接触角θ_R由下式计算：

θ_R=180-180atan(k)/π，如果k>0

θ_R=-180atan(k)/π，如果k≤0。