专利名称：亲水性时水珠静态接触角的检测方法
技术领域：
本发明属于材料表面能检测技术领域，尤其涉及一种亲水性时水珠静态接触角的检测方法。
背景技术：
表面能是材料的关键性能，但表面能并不能直接测量获得，根据接触角能获得材料的表面能。如何准确测量接触角对相关学科如材料科学、生命科学、化工、医药工业、半导体工业、油墨工业、纺织工业、涂料工业等领域都具有重要的理论意义和实际的工程应用价值。通过接触角检测系统拍摄获得液滴图像后就涉及到接触角的计算问题，图像上液滴的边缘均服从Young-Laplace方程，但在不同体积和憎水性下，液滴边缘可近似表示的方程并不相同。在水珠体积较小并且接触角不大时，水珠边缘与圆方程差距很小。随着水珠体积的增加和接触角的增大，水珠边缘与圆方程的差距越来越大，而逐渐接近于椭圆方程。 当水珠体积和接触角进一步增加时，水珠边缘逐渐远离椭圆方程，而此时用Young-Laplace 方程则能很好地表示水珠边缘。在接触角较小时，虽然水珠边缘服从椭圆方程，但椭圆方程的变量数目大于圆方程，用圆方程的计算准确性更高。而对于椭圆曲线，如果其离心率越高，接触角越大，则用椭圆拟合准确性更高。水珠在固体表面服从Young-Laplace方程，在水珠体积和接触角均较大时显然其与圆或椭圆方程存在一定的偏差。实际测量接触角时， 水珠体积可能会在几4 1^(微升) 上百111^(微升)范围内变化，而且待测材料的接触角可大可小。目前尚没有一种接触角算法能在材料处于亲水性状态时，在不同水珠体积和接触角时都能准确计算接触角。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术在水珠处于亲水性状态时，无法准确计算其接触角的问题，提出一种亲水性时水珠静态接触角的检测方法，用以解决该问题。为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种亲水性时水珠静态接触角的检测方法，其特征是所述方法包括步骤1 获取水珠图像；步骤2 根据水珠体积并选择圆拟合算法或者椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的估计值；步骤3 根据水珠体积和步骤2计算出的水珠静态接触角的估计值，选择圆拟合算法或者椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值。所述步骤3具体是，当水珠静态接触角的估计值小于等于15° (角度)时，选择圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值；当水珠静态接触角的估计值大于15° (角度)且小于等于70° (角度)，并且水珠体积小于等于7μ L时，选择圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值；
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当水珠静态接触角的估计值大于15° (角度)且小于等于70° (角度)，并且水珠体积大于7μ L时，选择椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值；当水珠静态接触角估计值大于70° (角度)且小于等于90°时，选择椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值。所述选择圆拟合算法计算水珠静态接触角估计值/精确值具体包括步骤101 确定水珠边缘的圆心初始值和半径初始值，令迭代次数i = 1 ；步骤102 利用三重线切线法计算水珠接触角初始值，并将其记为Atl ；步骤103 利用最小二乘模型和Levenberg-Marquardt算法，计算水珠边缘的圆心第i次的迭代值和半径第i次的迭代值；步骤104 利用三重线切线法计算水珠接触角第i次的迭代值，并将其记为Ai ；步骤105 判断水珠接触角第i次的迭代值是否满足IAp1-Ai I ( C1和 IAi-AwI彡C2，如果水珠接触角第i次的迭代值满足IAh-AJ彡(^和IAi-AwI彡C2，则执行步骤106 ；否则，令i = i+Ι，执行步骤103 ；其中，C1为第一设定临界值，C2为第二设定临界值；步骤106 迭代终止，将Ain作为水珠静态接触角的估计值/精确值。所述利用三重线切线法计算水珠接触角初始值/第i次的迭代值，具体是步骤201 利用公式 Ic1 = -(X1-X0)/yry0)和 k2 = -(x2-x0)/(y2-y0)分别计算三重线处圆弧上左切线的斜率和右切线的斜率；其中，(x0, y0)为圆心初始值/第i次的迭代值的坐标，(X1, Y1)和(x2，J2)分别为水珠左侧边缘与水平面交点的横、纵坐标以及水珠右侧边缘与水平面交点的横、纵坐标；步骤202:利用公式Μ=,川“、1Qn/ 7 Λ，计算三重线处圆弧上左步骤203 利用公式θ = ( θ 1+ θ 2)/2，计算水珠接触角初始值/第i次的迭代值。
所述选择椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的估计值/精确值具体包括步骤301 禾Ij用公式Emin = min(|Bm|2)计算椭圆曲线方程的参数；其中，5 =科=[Xi2AUi2,%只，ILxJPyi分别是水珠边缘上选取的点的横坐标和纵坐标，i = 1，2，…，N, N为水珠边缘上选取的点的个数；m = [a，b，c，d，e，f]τ，a、b、c、d、e和f分别为椭圆曲线方程ax2+bxy+cy2+dx+ey+f =0的参数；步骤302 根据椭圆曲线方程的参数，确定椭圆长半轴、短半轴、中心和倾斜角度；步骤303 根据椭圆长半轴、短半轴、中心和倾斜角度，计算水珠静态接触角的估计值/精确值。 所述步骤303具体包括
步骤401:利用公式
权利要求
1.一种亲水性时水珠静态接触角的检测方法，其特征是所述方法包括 步骤1 获取水珠图像；步骤2 根据水珠体积并选择圆拟合算法或者椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的估计值；步骤3 根据水珠体积和步骤2计算出的水珠静态接触角的估计值，选择圆拟合算法或者椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征是所述步骤3具体是，当水珠静态接触角的估计值小于等于15° (角度)时，选择圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值；当水珠静态接触角的估计值大于15° (角度)且小于等于70° (角度)，并且水珠体积小于等于7μ L时，选择圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值；当水珠静态接触角的估计值大于15° (角度)且小于等于70° (角度)，并且水珠体积大于7μ L时，选择椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值；当水珠静态接触角估计值大于70° (角度)且小于等于90°时，选择椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征是所述选择圆拟合算法计算水珠静态接触角估计值/精确值具体包括步骤101 确定水珠边缘的圆心初始值和半径初始值，令迭代次数i = 1 ； 步骤102 利用三重线切线法计算水珠接触角初始值，并将其记为A0 ； 步骤103 利用最小二乘模型和Levenberg-Marquardt算法，计算水珠边缘的圆心第i 次的迭代值和半径第i次的迭代值；步骤104 利用三重线切线法计算水珠接触角第i次的迭代值，并将其记为Ai ； 步骤105 判断水珠接触角第i次的迭代值是否满足IAp1-Ai I ( C1和IAi-Aw I ( C2, 如果水珠接触角第i次的迭代值满足K1-AiI ( C1和IAi-AwI ( C2，则执行步骤106 ；否则，令i = i+Ι，执行步骤103 ；其中，C1为第一设定临界值，C2为第二设定临界值； 步骤106 迭代终止，将Ai+1作为水珠静态接触角的估计值/精确值。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征是所述利用三重线切线法计算水珠接触角初始值/第i次的迭代值，具体是步骤 201 利用公式 Ic1 = -(X1-X0)/(Y1-Y0)和 k2 = -(X2-X0)/(y2-y0)分别计算三重线处圆弧上左切线的斜率和右切线的斜率；其中，(x0，y0)为圆心初始值/第i次的迭代值的坐标，(X1^y1)和(x2，y2)分别为水珠左侧边缘与水平面交点的横、纵坐标以及水珠右侧边缘与水平面交点的横、纵坐标；arctan(^)χ 180/^·,> 0Λ = illSO + arctan^JxlSO/^·, kx <0步骤202:利用公式《=、…,μ，计算三重线处圆弧上左侧接f 180-arctan(夂)χ 180/;r, k,>0触角；利用公式终= + n ‘ 二… ，2 n，计算三重线处圆弧上右侧接触角； L -arctan(A:2)xl80/;r, k2 <0步骤203:利用公式θ = ( θ 1+θ 2)/2，计算水珠接触角初始值/第i次的迭代值。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征是所述选择椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的估计值/精确值具体包括步骤301 利用公式Efflin = min(|Bm|2)计算椭圆曲线方程的参数； 其中，5 =科=化24只,>^、只,1]，\和71分别是水珠边缘上选取的点的横坐标和纵坐标，i = 1，2，…，N, N为水珠边缘上选取的点的个数；m = [a，b，c，d，e，f]T，a、b、c、d、e 和 f 分别为椭圆曲线方程 ax2+bxy+cy2+dx+ey+f = 0的参数；步骤302 根据椭圆曲线方程的参数，确定椭圆长半轴、短半轴、中心和倾斜角度； 步骤303 根据椭圆长半轴、短半轴、中心和倾斜角度，计算水珠静态接触角的估计值/ 精确值。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征是所述步骤303具体包括步骤401 利用公式·
全文摘要
本发明公开了材料表面能检测技术领域中的一种亲水性时水珠静态接触角的检测方法。包括获取水珠图像；选择圆拟合算法或者椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的估计值；根据水珠体积和计算出水珠静态接触角的估计值，选择圆拟合算法或者椭圆拟合算法计算水珠静态接触角的精确值。本发明通过对不同接触角和体积的水珠选择合适的曲线方程并拟合，能得到更加准确的接触角。
文档编号G01N13/00GK102507391SQ201110343828
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者律方成, 徐志钮 申请人:华北电力大学(保定)