、控压条件下测量液滴接触角和滚动角的 装置》，描述了一种控温、控湿、控压条件下测量液滴接触角和滚动角的装置，是一种比较模 糊的理论性描述，具体实施细节也是概括性描述，从实施来看，可操作性不强。
[0010] 在测量非轴对称液滴的接触角值或前进、后退角值的测试方法方面，目前常用的 方法为局部轮廓切线法。其基本原理为取液滴轮廓水平线以上一部分像素，拟合一次或二 次或一个复合曲线方程或样条曲线插值法(有时也被称为真实液滴法)，得到接触角值。虽 然，样条曲线拟合度非常高，但是在求导计算接触角值时仍为局部计算接触角值。综合而 言，这些计算方法很容易受局部噪声的干扰，测值精度不高。如附图4所示。上面两张图片 明显，局部法的拟合度非常差，下面的两张照片虽然拟合上了，但与本专利所采用的左、右 轮廓拟合法的值差别在10°以上。目前商业化的仪器包括了德国Kruss、DataphysicsJ^ 典Biolin公司以及美国Ramehart公司等。
[0011] 本专利公布一种用于测试3D接触角值的装置以及测试方法。该装置由垂直和水 平旋转的样品台系统组成，采用蜗轮蜗杆结构的精密光学旋转平台控制着镜头、摄像机与 样品台一起沿垂直向旋转，采用光学旋转平台控制样品台沿水平向360度旋转。通过将拍 摄下的图像的整体轮廓按左、右轮廓拟合曲线的计算3D接触角值的方法，如拟合整体椭 圆、双椭圆或双圆曲线、液滴轮廓法的Young-Laplace方程拟合等，计算得出左、右接触角 值。该装置和测试方法可以分析材料化学多样、异构、各向异性和表面粗糙等造成的滞后性 接触角值，在新材料、仿生材料等研宄等领域具有极广的推广价值。
【发明内容】
[0012] 针对上述情况，本发明提供一种3D接触角的测试装置和测试方法，实现测试3D接 触角的目的，我们在样品台及其控制系统的结构设计以及接触角的计算方法方面均作了相 应的创新性设计，从而实现了形成非轴对称接触角液滴并计算得到相应的左、右接触角值。
[0013] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下： 一种3D接触角的测试装置，包括安装了背景光源的电气控制箱、具有步进电机控制的 第一光学旋转平台、具有步进电机控制的注射泵、微量进样器、第一连接板、第二连接板、第 三连接板、显微镜头、轴承、微分头、摄像机、微分头内固定板、摄像机外固定板、钢珠、支撑 架、底座、调整脚，支撑架左侧设有安装了背景光源的电气控制箱，安装了背景光源的电气 控制箱内侧设有具有步进电机控制的第一光学旋转平台，具有步进电机控制的第一光学旋 转平台内设有第一连接板，支撑架右侧设有显微镜头和摄像机，显微镜头和摄像机分别通 过微分头内固定板和摄像机外固定板固定在支撑架右侧，微分头内固定板内侧还设有第三 连接板，第三连接板与微分头内固定板之间设有轴承，所述微分头固定在摄像机外固定板 上，并与微分头内固定板通过拉簧连接，微分头内固定板和摄像机外固定板之间设有钢珠， 形成一个一维俯仰调整系统，支撑架顶部设有以具有步进电机控制的注射泵、微量进样器 和光学平移台组成的液滴滴出及转移机构。
[0014] 所述显微镜头和摄像机是通过C 口螺纹接口连接后，再通过微分头内固定板和摄 像机外固定板固定在支撑架右侧的。
[0015] 所述支撑架底部设有底座，底座下方设有四个调整脚，支撑架中部设有第二连接 板，第二连接板上设有调整平台组件。
[0016] 所述调整平台组件包括具有步进电机控制的第二光学旋转平台、微分头控制的二 维水平调整台、微分头控制的垂直升降光学平移台、横向一维光学平移台、纵向一维光学平 移台，所述横向一维光学平移台、纵向一维光学平移台、微分头控制的垂直升降光学平移 台、微分头控制的二维水平调整台之间通过螺丝连接，微分头控制的二维水平调整台上方 设有具有步进电机控制的第二光学平移台，具有步进电机控制的第二光学旋转平台通过螺 丝与微分头控制的二维水平调整台相连。
[0017] 所述纵向一维光学平移台和横向一维光学平移台采用步进电机或手动旋钮控制。
[0018] 所述具有步进电机控制的第一光学旋转平台包括步进电机数据接口、数据接口安 装支架、手动控制旋钮、步进电机、步进电机固定支架、旋转平台主体、蜗轮结构、蜗杆结构、 旋转面板、刻度盘，旋转面板外套接有刻度盘，刻度盘外侧与旋转平台主体通过螺丝连接， 步进电机伸入旋转平台主体内，与旋转平台主体内的蜗杆结构通过联轴器连接，数据接口 安装支架安装到步进电机固定支架并与控制电气箱连接，手动控制旋钮安装在步进电机后 出轴上。
[0019] 4、设计一套基于整体液滴轮廓分左、右两部分拟合曲线，计算接触角值的方法，用 于测试3D接触角。拟合曲线的计算接触角值的方法包括：（1)整体液滴轮廓椭圆拟合法； (2 )双圆曲线拟合法；（3 )双椭圆曲线拟合法；（4 )液滴轮廓法拟合Young-LapIace方程拟 合法等。
[0020] 5、设计一个根据整体液滴轮廓分左、右两部分实现非轴对称液计算的滴轮廓法拟 合Young-Laplace方程的方法，求解接触角和表面张力值的3D接触角值，包括： (1)提出一个已经离散化的Young-Laplace方程组，对于侧视法影像分析时的停滴 (sessile drop)、气泡捕获（Captive bubble)或悬滴（pendant drop): dx/ds=con Θ (I) dz/ds=sin Θ (2) d Θ/ds=2/R0+Cz-sin θ/x (3) dV/ds= π x2sin Θ (4) dA/ds=2 π x (5) x (0) =z (0) = Θ (〇) =V (0) =A (0) =0 (6) C=Apg" (7) 其中：Θ为接触角，s为弧长，Rtl为顶点位置的曲率半径，Δ p为内外相密度差，z高 度，X为宽度，V为体积，A为面积，xO, zO为顶点坐标。
[0021] (2)设计一个求解Young-Laplace离散方程组的解法，具体如下：在使用软件绘制 液滴轮廓的理论曲线时使用如上（1)所提及的离散方程组，利用龙格库拉（Runge-Kutta) 或欧位（Euler)法或类似的方法求解理论曲线，并利用软件绘图的方式，显示相应的理论曲 线以及曲线上的各个坐标点（Xi，yi)。
[0022] (3)设计一种绘制接触角和界面张力液滴轮廓的实际曲线的方法，具体包括：利用 CANNY或SOBEL算法，利用成像系统拍摄得到旋转液滴轮廓图像中灰度的变化，设置合理阈 值，查找出液滴轮廓的边缘，并利用Spline算法作查找的边缘进行优化计算，得到液滴轮 廓的边缘点坐标值（Xi, Yi)并有序排列，并利用软件绘图的方式，将查找边得的轮廓边缘实 际曲线标出。
[0023] (4)设id种采用牛顿法（Newton-Raphson method)以及最小二乘法算法，在输 入密度差△ P、重力系数g、等常量值后，将曲率半径R0、接触角值Θ、界面张力值γ、弧长 S作为变量优化如上的Young-Laplace方程求解得出的理论曲线与查找液滴轮廓边缘而得 到的实际曲线，进而得到最终的顶点曲率半径R0、接触角值Θ、界面张力值γ、弧长S等参 数，并进而利用积分求面积和体积的方法，求得液滴的面积和体积等参数的方法。具体包 括：（1)通过直接优化液滴轮廓的Young-Laplace方程理论曲线和查找边缘所得的实际曲 线测试液-气或液-液界面张力值；（2)采用了液滴轮廓法（RealDrop)拟合得到液滴的邦 德系数（Bond Number)，无需如Select plane算法基础上的Young-Laplace拟合的经验标 定。
[0024] (5)设计一种根据整体液滴轮廓按左、右两部分拟合非轴对称液滴曲线的液滴轮 廓法（RealDrop)用于拟合接触角值、界面张力值、表面积、体积等，具体实施方案为：采用 无因子邦德系数（Bond Number)方程法，对轮廓曲线利用无因次变换方程和原始离散方 程进行两次优化的算法，其特征为：分别拟合左、右两侧自接触水平线液滴轮廓，利用如上 (1-4)所述的拟合算法，拟合得出两条Young-Laplace拟合曲线。第一次优化过程，优化得 出界面张力值γ与顶点曲率半径Rtl之间的线性关系式；第二次利用第一次的关系式，减少 变量后，利用界面张力值γ的迭代，优化得出左、右两个接触角值Θ、界面张力值γ、弧长 S等所需测试参数。
[0025] 如上第二所述的优化所用无