[发明专利]一种基于实验图像的液体接触角在线测量方法

说明书

一种基于实验图像的液体接触角在线测量方法，本方法基于实验中直接获取的静态或准静态实时实验图像，以Canny方法提取界面轮廓；然后利用Young‑Laplace方程，通过改变作为边界条件的预测接触角求解出一系列预测轮廓；将预测轮廓与实验轮廓对比计算范数误差，进而确定出接触角及误差限。该方法通过将接触角的测量转化为对轮廓的误差对比，不仅具有较高的测量精度，而且可以反映出因涂层不稳定造成的实验中接触角的变化。本测量方法可用于平面和球形基底上的接触角测量，无需专门的测量装置，既可以应用于常见的卧滴实验，也可以应用于常规方法无法实现的液桥、毛细提升以及含有气孔的液体实验中的接触角测量。

技术领域

本发明涉及一种液体接触角的在线测量方法，尤其涉及一种基于实验图像的液体接触角在线测量方法，属于物理测量技术领域。

背景技术

固-液-气或固-液-液的接触角是用来衡量固-液-气/固-液-液三相亲和性的重要指标，与固-液-气/固-液-液三相之间的润湿状态紧密相关，是工业生产与科学研究领域中普遍使用的一个重要的表征指标。当前测量接触角的方法主要为卧滴法，即通过在固体平坦试样表面滴一滴小液滴，利用液滴与基底的接触轮廓测量接触角。该种方法需要专门的测量仪器，且要求固体试样处于水平位置，并非满足特殊的实验要求。该方法往往在实验开始之前对材料表面接触角进行单次测量，对于某些具有不稳定涂层的表面，该种方法可能无法准确反映实验后期接触角实际情况，也无法实时监测接触角的变化情况，从而无法对实验中涂层效果给予及时的反馈。

发明内容

本发明的目的是针对当前液体接触角测量存在着需要专门测量仪器，无法实时反应实验过程中因涂层不稳定导致接触角变化以及需要专门加工平坦基底的问题，提出一种基于实验图像的液体接触角在线测量方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的测量过程是通过预测接触角，进而预测轮廓，并与实验轮廓对比计算范数误差来实现的，将预测轮廓与实验轮廓之间的范数误差作为衡量测量效果的标准；最终得到范数误差满足目标精度的最小预测接触角，最大预测接触角以及范数误差最小的预测接触角，即接触角测量结果上限，接触角测量结果下限和接触角测量结果最佳值；其具体步骤如下：

1)从实时的实验录像中选取静态或准静态的固-液-气或固-液-液三相接触区图像，获得实验图像；

2)选择固体基底的位置：若为平基底则选取基底上两个点，若为球形基底，则选取基底上的三个点；

3)确定固体基底位置后，根据实验图像的灰度分布，利用canny算法，计算不同位置的灰度变化梯度，通过双阈值的方法识别界面轮廓；

4)对步骤3)中提取得到的界面轮廓进行多项式拟合，对界面轮廓进行光滑处理；

5)通过观察实验图像，给出明显小于实际接触角的一个值作为预测接触角迭代初始值；

6)将预测接触角作为预测界面轮廓的边界条件，利用Young-Laplace方程的差分格式，求出任意相邻两界面点坐标增量，进而获得预测轮廓上的所有点；

7)将步骤6)求解出的预测轮廓与步骤4)处理后的实验轮廓进行对比，计算范数误差，若范数误差大于目标精度，则将预测接触角增加一个预测步长，重复步骤6)；若范数误差小于目标精度，则以该预测接触角作为接触角测量结果下限，并返回接触角测量结果下限；

8)预测接触角增加一个预测步长；将预测接触角作为预测界面轮廓的边界条件，利用Young-Laplace方程的差分格式，求出任意相邻两界面点坐标增量，进而获得预测轮廓上的所有点；

9)将步骤8)求解出的预测轮廓与步骤4)处理后的实验轮廓进行对比，计算范数误差，若范数误差小于目标精度，重复步骤8)；若范数误差大于目标精度，则以该预测接触角减去一个步长作为接触角测量结果上限，停止步进，并返回接触角测量结果上限；