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视频光学接触角测量仪的选购10问-含各主要接触角测试方法对比分析

今天我公司对于关于视频光学接触角测量仪进行了调研,我们有意向进行采购,但对接触角仪器不是很了解,现将客户问题进行汇总,请贵公司给予技术解答:
 

一、视频光学接触角测量仪对环境是否有要求,如风速,温湿度,尘粒等。
温湿度的要求取决于用户测试要求。由于温度不同,接触角及表面张力值不同,因而通常情况下控制温度是大部分用户必需要的。有的用户想测试不同温度和湿度条件下的样品接触角值或界面张力值。因而,温度和湿度的要求取决于用户的测试需求。仅仅从仪器使用条件来看,常规实验室温、湿度条件就可以了。
(1)控温控制系统:建议采用帕尔贴温控系统。目前,美国科诺独家提供多款帕尔贴温控系统,温度范围从-50-160℃供选。帕尔贴温控系统因其加热或制冷速度快,控制精度高(0.05℃)而被用户广泛接受。价格范围参考为-50-160℃5万元人民币,0-160℃1.5万元人民币;0-100℃10000人民币,15-80℃5000人民币。同时,我们提供德国进口500度加热板供选购。
(2)湿度控制系统:提供RH5%-95%,温度室温+5-85℃系统供选购,中国产的湿度控制系统7万元,进口的要20万元左右。
风速会影响到接触角的测值。因而尽量避免室内空气的大流动。特别对于界面张力或表面张力的测值而言,风速的影响会非常大。美国科诺的仪器采用了ADSA®-RealDrop®法(第四代基于RealDrop®法的Young-Laplace方程拟合技术(中国发明专利,专利号ZL201110244512.9)),可以减少振动、风速等对测值结果的影响,是目前能够接受这样条件的唯一算法。
尘粒对接触角和表面张力的测试的影响主要体出为污染测试样品,影响到最终的测值结果。同样的,若样品本身的表面是清洁的且不存在化学多样性或异构性,国科诺的仪器采用了ADSA®-RealDrop®法(第四代基于RealDrop®法的Young-Laplace方程拟合技术(中国发明专利,专利号ZL201110244512.9)),可以一次测值得到左、右两侧的接触角值,从而为判断是否存在尘粒提供了最为方便的方法。同时,ADSA-RealDrop法可以用于测试3D接触角值,因而,是目前为止最为方便和科学的方法。


二、视频光学接触角测量仪的恒温部分是指检测样品区域还是包括进样器部分。
接触角仪中接触角测试的恒温,通常仅仅是检测固体样品时对样品进行恒温控制。进样器中装的是液体。在测试时,液体滴到被测样品上了,由于固体材料是恒温控制的,所以滴出的液体就可以被控温了。控温部分采用了帕尔贴温控,温度范围取决于用户的要求。
同时,美国科诺提供控制进液器温度的帕尔贴温控温度范围-10-100℃。同时,美国科诺提供高温(450℃)注射泵供选购。


三、视频光学接触角测量仪的进样器的材质,以及进样量的范围是多少?
接触角测试仪的进液器的材质包括了多个部分,如针管、顶针、针头、密封件等。通常而言,接触角仪进样器的材料为玻璃和聚四氟,另外提供的一次性进样器为塑料。同时,我公司提供喷射进样器和全不锈钢进样品供选购。
针头的材质分为聚四氟乙烯、不锈钢、塑料等。针头同时存在不同粗细针头的选购问题。美国科诺独家提供全系列针头从34号(外径0.2mm)最细到10号(外径4mm)针头。
进液精度取决于进液器的容量,通常美国科诺的0.002uL或更低。若是SL200KS加上100uL进液器和超细针头,可以滴出0.2uL的液滴。若是采购喷射针头,最小滴出量可达pL级,用于半导体行业的微量滴出。但通常情况下,由于采用了ADSA-RealDrop法(Young-Laplace方程计算方法)测试接触角值,此方法自动修正重力影响,因而,液体量在我们的仪器上不是问题,虽然我们可以精度很高。进液精度以及进液量在视频光学接触角测量仪中的重要性主要取决于有的接触角测试方法对于液滴的形状的假设,因而选对方法对于测试接触角很重要。

 

四、视频光学接触角测量仪的方法有哪些,各自的优势与缺点有哪些?
目前而言,接触角测试方法主要为如下3类:
(1)简单几何算法:量角器法和宽高法(WH法或θ/2)法。
量角器法采用一条直线倾斜并判断其是否相切于液滴轮廓的方式分析接触角值。而宽高法则假设液滴轮廓符合一个圆弧曲线,即假设液滴为球冠的一部分。因而,宽高法有时也被称为小球完法。此时,通过圆弧的宽与高,并采用反三角函数计算出接触角值。
本方法的优势在于:(1)被发现并使用的时间长;(2)测试不需要复杂的仪器,人眼观测即可。如美国科诺最早研制出来的SL100型。(3)采用软件全自动测试时,速度快。
本方法的缺陷包括:(1)测值误差大,重复性不好,精度不高,量角器法通常为2度甚至更高,宽高法时为1度左右;(2)受人为因素影响较大,特别是量角器法,每个人的判断依据均不同,因而无法形成一个可接受的共识结果。而宽高法在像素的选择时,因判断像素点少,精度很难达到很高;(3)易受噪声点影响,特别是采用宽高法自动分析时,背景的噪声会明显影响到测值结果;(4)受液滴体积的影响。因其小球冠的前提假设,大液滴明显存在重力影响,测值结果存在偏差。还有一个不被重视的情况为,在接触角大于80度或超疏水材料(150度以上)时,事实上小液滴(2uL或1uL),液滴形状也因重力而改变。
(2)复杂的高数算法:圆拟合、椭圆拟合、切线法(二次曲线或复合曲线)等方程拟合法以及Spline曲线拟合、真实液滴法等无方程拟合法等。
本系列算法具体测试过程为:拍摄液滴轮廓图像,采用图像识别技术拟合图像的边缘(如Canny算子),提取边缘曲线的坐标,将坐标曲线与曲线方程进行最小二乘拟合,从而得到最终的方程曲线。在得到曲线方程后,在接触的两端点处求导并进而得到接触角值。
本系列算法的特征在于用曲线算法计算一个曲线的切线角值。因其缺少界面化学相关算法的支撑,其测值仅是计算得出液滴轮廓的表象角度值,即该轮廓的几何意义上的角度值而并非真实的固-液-气或固-液-液三相体系的本征接触角值。事实上,因重力、浮力、化学多样性、异构性的存在,接触角体系非常复杂。
本系列算法的优点在于:(1)易被理解和接受。本系列算法涉及的专业知识有限,只涉及简单的几何以及高数知识,所以,易于被使用者所理解;(2)测试精度较高,通常而言,在控制液滴量的情况下,且拟合曲线与轮廓曲线重合度高时,精度可达0.5°(圆拟合或椭圆拟合);(3)圆拟合法以及椭圆拟合法不易受背景噪声点影响,自动拟合的成功率较高。特别是圆拟合法,在5度以内的接触角测试时,是首选算法。
本系列算法的缺点在于:(1)受液滴大小或重力影响较大,特别是圆拟合法;(2)椭圆拟合法拟合10度以内接触角值以及特殊情况下的接触角值(如150度以上超疏水材料的接触角值等,此时的重力影响已经影响到轮廓,特别是中心线以下的轮廓与以上部分不再对称时);(3)切线法受接触点位置的噪声干扰较大,特别的对于增加、减少液滴法的前进、后退测值时,成功率不高;(4)无法真实表征界面化学现象,如化学多样性、重力的体现、界面化学的三明治效应等;(5)无法拟合非轴对称图像,除椭圆能够拟合部分非轴对称的图像以及切线法外。
(3)Young-Laplace方程拟合法。
本算法将Young-Laplace方程引入到接触角及界面张力(表面张力)的测试过程中,从而综合考虑到了重力、浮力、界面张力等各个因素的影响,也更为真实的表征了固-液-气或固-液-液三相体系的界面化学现象。相较于如上两个类别的算法,其测值精度、重复性均比较高。本方法的具体实施过程为:拍摄液滴轮廓图像,采用图像识别技术提取图像边缘并得到坐标点,用坐标点拟合Young-laplace方程并得到表面张力值、体积值、表面积值以及接触角值等参数。其核心技术为邦德系数(Bond Number)的算法以及拟合Young-Laplace方程的算法两个部分。而根据邦德系数(Bond Number)不同Young-Laplace方程拟合技术分为两大类:ADSA和Select Plane法两种。
本方法最为著名的是A.W.Neumann的ADSA算法,包括ADSA-P、ADSA-D、ADSA-CD、ADSA-NA、ADSA-RealDrop等等。ADSA算法为轴对称影像分析法,为Neumann教授于1983年正式提出(Rotenberg, Y., Boruvka, L. and Neumann, A.W. Determination of Surface Tension and Contact Angle from the Shapes of Axisymmetric Fluid Interfaces J. Colloid Interface Sci. 93 p.169-183),并于1987年正式公开发表(Spelt, J.K., Rotenberg, Y., Absolom, D.R. and Neumann, A.W. Sessile Drop Contact Angle Measurements Using Axisymmetric Drop Shape Analysis (ADSA) Colloids Surfaces 24 p.127-137, 1987),1997年Neumann团队对ADSA算法进行了全面总结并形成理论体系(O. I. del R?o and A. W. Neumann, Axisymmetric Drop Shape Analysis: Computational Methods for the Measurement of Interfacial Properties from the Shape and Dimensions of Pendant and Sessile Drops, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 196, P136–147 ,1997)。ADSA-RealDrop算法是在ADSA-NA的基础上的更新,其核心技术为邦德系数(Bond Number)的拟合采用了联立顶点曲率半径和表面张力值建立关系式,并二次拟合Young-Laplace方程的技术。相较于ADSA-P更接近于实际液滴轮廓形状,因而被称为RealDrop技术,可也称为非轴对影像分析法。
另外三个比较有名的算法包括如下三个。其特征为这些算法被国外的仪器厂商所商业化使用,因而具有一定的知名度。其核心的邦德系数(Bond Number)为Select Plane算法。
(1)Song Bi Hai团队的Young-Laplace方程拟合法(BIHAI SONG AND JU¨ RGEN SPRINGER, Determination of Interfacial Tension from the Profile of a Pendant Drop Using Computer-Aided Image Processing, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 184, P64–76 ,1996)。
(2)Hansen团队的Young-Laplace方程拟合法(F. K. HANSEN AND G. RODSRUD, Surface Tension by Pendant Drop I. A Fast Standard Instrument Using Computer Image Analysis,Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 141, No. I, p1-9, January 1991)
(3)J. W. Jennings团队的Young-Laplace方程拟合法(J. W. Jennings, N. R. Pallas,an Efficient Method for the Determination of Interfacial Tensions from Drop Profiles,Langmuir. Vol. 4, No. 4, 1988,P959-967)
本方法的缺点:(1)除了ADSA-NA和ADSA-RealDrop法之外,所有的算法均有轴对称的前提假设,即本算法认为液滴的轮廓是左、右、前、后对称的。因而在实际测试中,通常仅拟合以液滴轮廓中心点分界的单侧的轮廓并将另一侧的轮廓拟合曲线复制。但事实上,很少有一个固体表面的液滴能够形成轴对称的。(2)对于小接触角值,如低于3度以下时,因采用的拟合边缘不够,精度一般。
本方法的优点:(1)可以修正重力、浮力对接触角测值的影响,不受液滴体积的影响,精度高,重复性好;(2)可以用于超疏水材料的接触角值,特别是针对大于80度以上的接触角值测值,拟合度非常高;(3)可以真实反应固-液-气或固-液-液三相体系的接触角值。
其中,ADSA-RealDrop算法因其非轴对称性并结合Wensel-Cassie模型,其优势更为明显:(1)可以用于分析3D接触角,特别是化学多样性、异构性、接触角滞后等的分析,本征接触角的计算,本算法完全胜任工作;(2)完全不受液滴量大小的影响,从0.1uL-400uL,接触角值保持在2度之内变化;(3)可以非常快速的判断得到样品的化学多样性、清洗度等,无需多个液滴的判断。


序号
接触角
测试方法
基本原理
优势
缺陷
1
量角器法
(切线法、直线切线法)
人为量角
1、应用时间长
2、可测试动态接触角值(德国公司)
误差大
重复性差
受接触点位置噪声影响较大
2
宽高法
(θ/2,小球冠法)
几何换算,计算反三角函数
1、应用时间长
2、速度快,易理解
1、受重力(浮力)影响
2、液滴量控制非常困难
3、仅可应用于静态接触角测值
4、测值角度仅可小于80度
3
圆拟合法
高等数学,拟合圆曲线方程后求导数
1、可测试角度小的接触角值;
2、简单易于理解
1、受重力(浮力)影响
2、液滴量控制非常困难
3、测试小于100度的接触角值;
4、仅可测试轴对称的图像
5、无法表征真实的界面化学现象
4
椭圆拟合法
高等数学,拟合椭圆曲线方程后求导数
1、可测试受重力影响后的以中心轴为中轴的对称液滴图像;
2、简单易于理解
1、受一定的重力(浮力)影响;
2、无法测试小于10度的接触角值;
3、无法测试大于140度以上,特别是超疏水材料的接触角值;
5、无法表征真实的界面化学现象
5
切线法(复合曲线法-德国Kruss)、曲线尺法(KINO)
高等数学,拟合二次曲线方程或多项式曲线方程后,求导数
1、可以测试动态接触角值,特别是前进、后退角值。
2、测试操作简单
1、误差较大
2、重复性较差
3、受接触点位置噪声影响较大
4、无法表征真实的界面化学现象
6
Spline曲线
真实液滴法
插值拟合
极限方程原理
1、可以测试动态接触角值,特别是前进、后退角值。
2、测试操作简单
1、受接触点位置噪声影响较大
2、无法表征真实的界面化学现象
7
Young-Laplace方程拟合法
Select Plane
影像分析法
拟合Young-Laplace方程
1、可以测试绝大部分轴对称的液滴的接触角值;
2、特别适用高于30度以上的接触角测值,可修正重力系数的影响;
3、特别广泛应用于超疏水材料的接触角值测值
1、测试超亲水材料的接触角值(3度以内)存在一定困难;
2、无法测试非轴对称液滴,特别是3D接触角值无法实现测值;
3、无法应用于动态接触角的测试,如前进、后退角的测试
4、超疏水材料,特别是一些非轴对称材料的接触角测值角度值偏大;
5、对于大于160度的近圆形图像,接触角值偏大
8
Young-Laplace方程拟合法
ADSA-P
影像分析法
拟合Young-Laplace方程
1、可以测试绝大部分轴对称的液滴的接触角值;
2、特别适用高于30度以上的接触角测值,可修正重力系数的影响;
3、特别广泛应用于超疏水材料的接触角值测值
1、测试超亲水材料的接触角值(3度以内)存在一定困难;
2、无法测试非轴对称液滴,特别是3D接触角值无法实现测值;
3、无法应用于动态接触角的测试,如前进、后退角的测试
 
9
Young-Laplace方程拟合法
ADSA-RealDrop
非轴对称影像分析法
拟合Young-Laplace方程;
 
1、可用于分析3D接触角值;
2、可以测试绝大部分轴对称的液滴的接触角值;
3、特别广泛应用于超疏水材料的接触角值测值;
4、特别适用于动态接触角测试,如前进后、后退角以及热平衡接触角的测试
1、测试超亲水材料的接触角值(3度以内)存在一定困难。

 

五、视频光学接触角测量仪的进样器如何清洗?进行器的针头与针管如何清洗,是否为消耗品?
进样器和针头属于消耗品,可采用超声波清洗机清洗。若进液为胶水等清洗不掉的样品,则建议一次性使用,以免交叉污染。测试接触角值之前或测试界面张力之前,建议先用蒸馏水判断一下进液器以及针头是否干净。具体判断方法为采用悬挂滴法(pendant drop)并采用ADSA-RealDrop法,测试水的表面张力值。如果与当时温度条件下的蒸馏水的表面张力值是一致的(如25℃时蒸馏水的表面张力值是72mN/m),那么说明针头与进液器是干净的。目前判断清洁度的计算方法中,唯有ADSA-RealDrop法是非常准确的。理由为:其他的算法如国外仪器厂商采用的Young-Laplace方程拟合法,其实质为基于Select Plane算法的Young-Laplace方程拟合法,在拟合Young-Laplace方程时的邦德系数(Bond)采用了系统标定。而这个系数的标定值由标定时的针头直径、温度条件、样品的纯度等决定。由于标定条件不同,因而在测值时,25号针头等常规针头无法准确测值水的表面张力值。


六、视频光学接触角测量仪的检测样品台上是否需要薄膜等辅助耗材?
在样品台保持干净的条件下,不需要辅助耗材。但是,如果样品台无法保持干净或对测试要求较高时,建议采用载玻片等玻璃或薄膜等耗材进行保护,以免二次污染而影响测值。
六、视频光学接触角测量仪的表面张力或界面张力的测定原理?
采用悬滴法,液滴在针头下面形成一个悬着的液滴。这个液滴的形状符合Young-Laplace方程。拟合方法即可得到表面张力值。目前我们的算法为第四代算法,精度与敏感度均非常高。而国外的均是第二代算法,国内是第一代算法。
具体可参考
http://v.youku.com/v_show/id_XOTAxNTQxNjYw.html
 

七、视频光学接触角测量仪的相机是自动调焦不是手动?有无彩色相机?
目前通常标配的相机是手动对焦,我们同时提供自动对焦的镜头供选购。但由于在机械结构中,美国科诺的接触角仪提供了调整精度可达0.01mm的对焦机构,同时镜头中提供了焦距调整光学镜头(6mm),所以在一次对焦后不再需要对焦。因为视频光学接触角测量仪采用的是显微镜,所以这些调整功能非常关键。由于采用了近平行光镜头,形成了一个非常大的景深,因而可视为固定焦。我们提供精度0.01mm的焦距调整部件。
美国科诺可提供彩色相机,且我们的软件CAST®3是唯一可分析彩色图像的视频光学接触角测量仪软件。彩色相机因其采用了RGB格式,所以无论在图像的浓度以及成像质量上均远优于黑白的相机,也远优于国外视频光学接触角测量仪的8位灰度图像的质量。在发表文章时,照片的质量会影响到文章的出彩程度,因而彩色相机是最好的选择。
http://v.youku.com/v_show/id_XMTM3NDE1MzM2OA==.html
 

八、视频光学接触角测量仪是否针对客户样品选定合适的像素?
视频光学接触角测量仪的像素问题请参考如下视频:
http://v.youku.com/v_show/id_XMTY2MzM0MjI4MA==.html
我们的最终方案为:建议采购200万像素的彩色高速摄像机(160-3100帧/秒,USB3.0)。这样可以满足测试吸水材料、动态界面张力测试、动态接触角测试、滚动角测试等各种复杂要求。
 

九、视频光学接触角测量仪的相机主机本身是否有内存,以满足高速成像空间较大的需求?
可以升级高速摄像机带内存的。130万像素的512M内存500幅/秒(640*480),增加1.5万元人民币。若需要更高速的,如2000FPS,4G内存,约200万人民币。


十、是否可提供现场考察?
我们非常欢迎用户现我们的现场实验室参观。这就是最好的沟通方式。毕竟视频光学接触角测量的选购涉及非常多的专业知识和选购技巧,针对用户的应用也有非常多的解决方案。举例而言,伊利公司在选购接触角仪和表面张力仪时就专门到我公司指导3次以上,进行了全方面的比较与实际测值。最终我们提供了一个非常专业的解决方案。本次考察,他们从最简单的采购一台最低价、功能简单的表面张力仪的初步方案,最终确认了一个测试多层乳化分析的复杂性解决方案。
而且,目前主要的视频光学接触角测量仪厂商均在上海或在上海设有分公司和办事处,完全可以对仪器的测试精度、操作方便、技术人员的专业知识、服务等各个方面进行综合选型比较,以达到选购一台符合要求测试要求、买得放心的仪器。
 

   
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3D成像的TOF相机及芯片的研制。目前,上海梭伦为用户提供视频光学接触角测量仪
(也称接触角测试仪、接触角测定仪以及接触角仪或水滴角测试仪、水滴角测量仪)、表面张力仪以及界面张力仪,
界面化学分析仪器可用于分析接触角,表面张力,界面张力等物性。同时上海梭伦可为用户提供
全套TOF相机解决方案,包括芯片、模组、模块以及TOF相机,可应用于工业以及实验室场景。

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