一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法与流程

本发明属于物性测量技术领域，涉及一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法。

背景技术：

表面张力是流体力学中重要的热物理性质之一，对流体界面传热、传质以及微缩通道的流动、传热均有重要影响，从而也成为相关研究的重点。而表面张力测量可以为人们提供气液、液液之间相互作用的相关信息。通过这些信息，可以推断出材料的粘附、浸润、生物相容、润滑、吸附等各种重要特性，从而为相关的科学技术发展提供重要支持。

测量方法主要有最大气泡法、最大拉力法、毛细管法、滴重法、滴外形法等。其中滴外形法需要的测量样品少，精度较高，使用温度范围广，得到广泛应用。但是滴外形法是对液滴轮廓上的每个点进行拟合求解，涉及到微分方程和最优化求解，求解过程复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题而提供的一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法，其需要的样品少，计算过程简单，方便快捷。

本发明通过以下的技术方案实现：

本发明一方面提供一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法，包括如下步骤：

摄制悬挂的液滴图像，提取液滴轮廓曲线；

在所述液滴轮廓曲线上选定不在同一水平面的两个测量点；

测量出所述液滴轮廓曲线上与选定的所述两个测量点相关的下述几何参数并利用下述公式计算出液体的表面张力：

式中σ为液体的表面张力，δρ为液体与气氛的密度差，g为当地的重力加速度，δh为两个测量点之间的高度差值，r1、r2分别为过两个选定测量点水平面截取所述液滴后形成圆面的半径，θ1、θ2分别过两个选定测量点在液滴上的切线与水平面的倾斜角，v1、v2分别为过两个选定测量点的水平面到液滴顶点之间的液滴体积。

优选地，计算液体体积时将所述液滴图像在高度方向上按像素分层，从测量点到所述液滴轮廓曲线的顶点之间的液滴体积通过公式进行计算，其中v为所求液体体积，h为图像中每个像素的真实高度，i为所计算的像素层，i＝0为测量点所在的像素层，i＝n为液滴轮廓曲线顶点的像素层，r为第i像素层上的液滴轮廓曲线的半径。

本发明另一方面提供一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法，包括如下步骤：

摄制平铺的液滴图像，提取液滴轮廓曲线；

在所述液滴轮廓曲线上选定不在同一水平面的两个测量点；

测量出所述液滴轮廓曲线上与选定的所述两个测量点相关的下述几何参数并利用下述公式计算出液体的表面张力：

式中σ为液体的表面张力，δρ为液体与气氛的密度差，g为当地的重力加速度，δh为两个测量点之间的高度差值，r1、r2分别为过两个选定测量点水平面截取所述液滴后形成圆面的半径，θ1、θ2分别过两个选定测量点在液滴上的切线与水平面的倾斜角，v1、v2分别为过两个选定测量点的水平面到液滴顶点之间的液滴体积。

优选地，计算液体体积时将所述液滴图像在高度方向上按像素分层，从测量点到所述液滴轮廓曲线的顶点之间的液滴体积通过公式进行计算，其中v为所求液体体积，h为图像中每个像素的真实高度，i为所计算的像素层，i＝0为测量点所在的像素层，i＝n为液滴轮廓曲线顶点的像素层，r为第i像素层上的液滴轮廓曲线的半径。

本发明具有以下技术优势：

1.通过对轴对称液滴表面上的一点的几何参数测量和对其相关的液体体积的测量，能够较为简单的得到表面张力数值，不需要复杂的计算，节省计算时间。

2.对于表面张力不均匀的情况，也能够简单的能够得到液体上任一点的表面张力。

附图说明

图1示出了采用悬滴法时轴对称液滴轮廓曲线参数图。

图2示出了采用座滴法时轴对称液滴轮廓曲线参数图。

附图标记：

1液滴轮廓曲线，

2辅助平台，

3标尺，

4测量点，

5测量点，

6用于计算液滴体积的像素层。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明一具体实施方式中采用了辅助平台，采用图像采集设备拍摄悬挂于辅助平台表面下的图像(参见图1)或者平铺在辅助平台上的液滴图像(参见图2)，但是作为本发明，不一定需要辅助平台，实际生活中形成悬滴上面的固体面可以是尖端的，不规则的，或者孔口状的，比如说针管，因而只要获得拍摄悬滴图像、或者平铺的液滴图像即可。

对图片进行处理提取液滴轮廓曲线。在滴轮廓曲线上选定不在同一平面的两个测量点。分别测量出液滴轮廓曲线上与选定的两个测量点相关的几何参数。

采用悬滴的表面张力计算方法为

采用座滴的表面张力计算方法为

式中σ为液体的表面张力，δρ为液体与气氛的密度差，可通过其他方式测量或文献查询等得到，g为当地的重力加速度，δh为两个测量点之间的竖直高度，r1、r2分别为过两个选定测量点水平面截取液滴后形成圆面的半径，θ1、θ2分别过两个选定测量点在液滴上的切线与水平面的倾斜角，v1、v2分别过两个选定测量的水平面到液滴顶点之间的液滴体积。

下面结合图1说明本发明提出的具体工艺的实施细节。

首先通过图像采集设备拍摄悬挂在辅助平台2上的液滴及辅助平台图像。再对采集的图片进行处理获取液滴轮廓曲线1及辅助平台2的最外层边界轮廓线，图像采集和处理的方法是图像处理的一般方法，已非常成熟，接触角测量仪类的产品中已得到应用。

通过图像采集和图片处理的过程后，可获取液滴轮廓曲线1及辅助平台的最外层边界轮廓线，待测液滴轮廓曲线如图1所示，图中包括图片的标尺3，同时具有完整的液滴轮廓曲线1和辅助平台2的下表面。该实施例中，辅助平台2的下表面作为水平放置的辅助支承表面。

获取液滴轮廓曲线图片后，测量出相关几何参数的值，如图1，测量参数前需设置不在同一水平面的测量点4、测量点5。

设置测量点后，可通过下述方式获取液滴轮廓曲线各参数的真实值。具体而言，悬挂的液滴均为轴对称状。分别过测量点4和测量点5作水平直线与液滴轮廓曲线相交于另外一点。测量的液滴轮廓曲线上与测量点相关的主要几何参数包括液滴轮廓曲线上两个选定测量点之间的高度差值δh、液滴轮廓曲线与过测量点的水平线的两交点之间的距离2r1、2r2以及液滴轮廓曲线在测量点处的倾斜角θ1、θ2这几个简单几何参数。即、分别测量出对应交点到测量点4、测量点5的水平距离2r1、2r2、测量两个测量点之间的高度差δh、测量出标尺长度l，过测量点4、测量点5的液滴轮廓曲线的切线与水平线之间的夹角分别为θ1、θ2。

图中xmm表示实际的标尺测量长度，l表示在图像上的测量长度，可通过x/l变换比例。将测量的长度量(2r1,2r2，δh)除以图片中测量得到的标尺长度l并乘以标尺的实际真实长度即可获取液滴轮廓曲线各参数的真实值。

另外，可采用多种方法可以计算液体体积v，所指的液体体积是从过测量点4、测量点5的水平截面到液滴轮廓曲线顶点之间所包含的液体体积v1、v2，例如可通过下述方式根据液滴轮廓曲线数据计算得到。计算液体体积时可将图片在高度方向上按像素分层，每层的高度仅为一个像素。取其中的任意像素层6进行考虑，则像素层6的体积为π×r²×h，其中r为像素层真实长度的一半，h为一个像素的真实高度。将测量点4、测量点5所在水平截面以下的液滴所有的像素层的体积加和则可分别得到从两个测量点平面到液滴轮廓曲线顶点之间的液体体积v1、v2。

更详细而言，从测量点到液滴轮廓曲线顶点之间的液滴体积可通过公式进行计算，其中v为所求液体体积，h为图像每个像素的真实高度，i为所计算的像素层，i＝0为测量点所在的像素层，i＝n为液滴轮廓曲线顶点的像素层，r为第i像素层上的液滴轮廓曲线的半径。由此，本发明可以通过测量轴对称液滴上不在同一水平面两个测量点的几何参数以及两个测量点水平截面以下的液滴体积来实现对液体表面张力的测量。

图2示出了采用座滴法时液滴轮廓曲线参数图。该方法与图1的方法类似，两者都是在轴对称液体图像上进行处理计算，并且都能计算出表面张力。区别仅在于，因为都是以顶点为原点，但一个是悬挂着的，一个是平摊着的，坐标系不同，两者的公式不同，分子部分符号互换。

为验证所提出的测量方法的正确性，本实施例采用本发明的悬滴方法对纯水的表面张力进行了测量计算。通过工业相机对20℃、25℃、30℃的纯水液滴进行了图像采集，提取到各个温度下纯水液滴的轮廓曲线，测量得到相关的几何参数，代入本发明的计算方法中得到了20℃、25℃、30℃的纯水液滴表面张力计算值为71.64mn/m、71.33mn/m、70.24mn/m，由文献查询得到纯水的标准值分别为72.75mn/m、72mn/m、71.18mn/m，测量偏差都小于2％，所以通过本发明的方法所计算的液体的表面张力是正确的。

为验证所提出的测量方法的正确性，本实施例采用本发明的座滴方法对纯水的表面张力进行了测量计算。通过工业相机对20℃、25℃、30℃的纯水液滴进行了图像采集，提取到各个温度下纯水液滴的轮廓曲线，测量得到相关的几何参数，代入本发明的计算方法中得到了20℃、25℃、30℃的纯水液滴表面张力计算值为71.59mn/m、71.34mn/m、70.83mn/m，由文献查询得到纯水的标准值分别为72.75mn/m、72mn/m、71.18mn/m，测量偏差都小于2％，所以通过本发明的方法所计算的液体的表面张力是正确的。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。