接觸角儀定義：

接觸角儀測試基本原理

接觸角儀因?yàn)闇y試技術(shù)不同，我們通常能夠找到多種方法測試接觸角。而應(yīng)用這些接觸角測試技術(shù)，我們的生產(chǎn)廠就能夠生產(chǎn)出各種原理的接觸角儀。

 

1、影像分析法（角測量儀Goniometry）接觸角儀：

影像分析法接觸角儀是通過滴出一滴滿足要求體積的液體于固體表面，通過影像分析技術(shù)，測量或計(jì)算出液體與固體表面的接觸角值的簡易方法。作為影像分析法的儀器，其基本組成部分不外乎光源、樣品臺(tái)、鏡頭、圖像采集系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)。簡單的一個(gè)影像分析法可以不含圖像采購系統(tǒng)，而通過鏡頭里的十字形校正線去直接相切于鏡頭里觀察到的接觸角得到。
作為動(dòng)態(tài)接觸角測試系統(tǒng)的應(yīng)用，如我們測試前進(jìn)角θA和后退角θR時(shí)，我們可以通過控制進(jìn)樣量來實(shí)現(xiàn)，如我們想測前進(jìn)角θA，我們就可以增加液體量；如我們想測后退角θR時(shí)，我們可以減少液體量。當(dāng)然，我們也可以讓樣品臺(tái)傾斜，直接測得傾斜角，而此時(shí)，我們必須使用高速相機(jī)進(jìn)行圖像采集。
標(biāo)準(zhǔn)的影像分析系統(tǒng)會(huì)采用CCD攝像和圖像采集系統(tǒng)，同時(shí)，通過軟件分析接觸角值。

影像分析法接觸角儀的優(yōu)點(diǎn)

影像分析法接觸角儀的缺點(diǎn)

2、插板法接觸角儀：

也稱傾板法接觸角儀，其原理是固體板插入液體時(shí)，只有板面與液體的夾角恰好為接觸角時(shí)液面才直平伸至三相交界處，不出現(xiàn)彎曲。如下圖B所示。否則，液面將出現(xiàn)如圖A或C所示的彎曲現(xiàn)象。因此，改變板的插入角度直至液面三相交界處附近無彎曲，這時(shí)，板面與液面的夾角即為接觸角。斜板法避免了作切線的困難，提高了測量的精度，但突出的缺點(diǎn)是液體用量較多。這在許多情況下妨礙了它的應(yīng)用，且，他只能測試接觸角小于90°的樣品。 這就是這種原理的接觸角儀。
C20系列接觸角儀提供插板法供您參考。但不是非常建議您采取此種方法，原因?yàn)?，此種方法的接觸角儀測試接觸角值時(shí)要求被測樣品的表面均勻度，且無法測出多點(diǎn)的接觸角值不同。

3、力測量法（Tensiometry）接觸角儀：

這種方法有時(shí)也被稱為Wilhelmy板法測接觸角，應(yīng)用這種方法的接觸角儀主要是采用接觸角測試系統(tǒng)的接觸角儀。通常通過軟件系統(tǒng)的增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸角測試，在實(shí)際儀器采購中，通常為使用接觸角儀（Surface Tensiometer）中的稱重傳感器，同時(shí)借助軟件分析來實(shí)現(xiàn)測量接觸角的目的。
具體原理如下：將一個(gè)固體樣品板浸入測試液體中，由于液體的表面張力以及固體的表面自由能的作用，稱重傳感器會(huì)感測到一個(gè)向下拉的力F（Wetting force）具體計(jì)算公式如下:
F=γlgcosθP。
其中：P代表板的周長。如果知道此時(shí)測得的力是多少，我們就可以看出接觸角θ值。
當(dāng)然，以上我們沒有考慮被測樣品的浮力。
如果我們提升或降低樣品浸入的深度，就可以測得后退角/前進(jìn)角的值了。

（1）力測量法（Tensiometry）接觸角儀通過不斷的升降板，我們可以測得整個(gè)樣品的平均接觸角值。
（2）力測量法（Tensiometry）接觸角儀可以測得動(dòng)態(tài)體系的接觸角值，主要考察隨時(shí)間變化而變化。特別對(duì)于接觸角滯后現(xiàn)象能夠有一個(gè)更好的觀察。

（1）力測量法（Tensiometry）接觸角儀首先得有足夠的液體量讓樣器浸入；
（2）力測量法（Tensiometry）接觸角儀樣品必須切除，且知道周長，高度等幾何參數(shù)。
（3）力測量法（Tensiometry）接觸角儀要求樣品均勻足夠小和輕。若超過傳感器的量程的話，測試是不可能完成的。
（4）力測量法（Tensiometry）接觸角儀受溫度影響較大，無法測得高溫條件下的接觸角值。

4、透過測量法接觸角儀：

接觸角儀的接觸角分析技術(shù)概括

我們選用的常用的接觸角儀通常為影像分析法接觸角儀。而至于透過高度和稱重法接觸角儀均為接觸角儀，其應(yīng)用非常明顯。如您測試的是纖維的接觸角值、想用稱重法測接觸角值，那么您選購一臺(tái)由表面張力測試技術(shù)（液體表面張力儀）的表面張力儀即可，如C20系列型（國產(chǎn)儀器，關(guān)鍵部分為進(jìn)口技術(shù)的傳感器）或K100（德國）或SIGMA700型（芬蘭）。而本文中，我們重點(diǎn)給您談的接觸角分析技術(shù)是影像法中接觸角的分析技術(shù)。而這個(gè)，恰恰是以來被客戶所忽視的。

我們通常說選購一臺(tái)接觸角儀，就以為其一定會(huì)采用什么什么分析技術(shù)，但是由于技術(shù)實(shí)力的因素，事實(shí)上，接觸角儀與接觸角儀之間，也會(huì)因接觸角分析技術(shù)的存在而相當(dāng)很遠(yuǎn)。我們希望您能夠認(rèn)真的研究一下下面我們的陳述?；蛟S對(duì)您選購接觸角儀有相當(dāng)幫助。

一、概述

200年來，潤濕現(xiàn)象作為科學(xué)研究引起了科研工作者很多關(guān)注，特別是近年粉體科學(xué)，納米科學(xué)的發(fā)展，為潤濕現(xiàn)象的研究提供了更廣泛的學(xué)術(shù)氛圍。1805年，楊（Thomas Young）提出了楊氏三角方程為我們研究潤濕現(xiàn)象，特別是固體材料的表面、界面現(xiàn)象提供了為有用的科學(xué)工具。

但是，作為潤濕現(xiàn)象的一種研究方法，接觸角的研究以來一直停留在某個(gè)階段。從儀器開發(fā)商的角度而言，上海梭倫科技基于服務(wù)國內(nèi)外接觸角儀應(yīng)用的客戶的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，經(jīng)美國哈佛材料學(xué)院授權(quán)，提升了我們的研究實(shí)力，現(xiàn)自主開發(fā)了CAST系列的接觸角分析軟件。作為軟件分析的者，上海梭倫科技在接觸角分析領(lǐng)域取得了舉足的。

二、接觸角分析技術(shù)所依據(jù)的成像硬件。

硬件的設(shè)計(jì)主要影響到接觸角分析過程的成像效果。通常，我們認(rèn)為，機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)影響到操作的簡易性及二次污染程度。比如，是否由于手接觸角樣品而影響到接觸角的測值；操作儀器是否會(huì)人性化等。更為關(guān)鍵的是光源控制和CCD與鏡頭的結(jié)合程度。這些是影響到接觸角測值的關(guān)鍵因素。但是，正是在這些基本的設(shè)計(jì)上，國內(nèi)外的接觸角儀的設(shè)計(jì)就大相徑庭。

三、接觸角分析技術(shù)的發(fā)展階段

接觸角分析技術(shù)指成像后對(duì)圖像進(jìn)行分析并測值接觸角值的技術(shù)。以來，接觸角分析技術(shù)一直沒有得到廣大用戶的重視。但是，在接觸角儀主機(jī)設(shè)計(jì)的簡易性與成像效果解決的前提下，接觸角分析技術(shù)恰是接觸角儀的核心，可以說，接觸角分析技術(shù)是接觸角儀核心的核心。

*階段：以小球冠假設(shè)為前提的接觸角分析技術(shù)。

1953年左右為開始階段的接觸角分析技術(shù)通常均采用小球冠假設(shè)為前提的接觸角分析技術(shù)。這種技術(shù)國外稱為θ/2法，國內(nèi)稱為量高法。其基本假設(shè)為，液滴在固體表面呈現(xiàn)的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球冠，接觸角儀成像系統(tǒng)所得為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的弧形。此時(shí)，接觸角（切線與底邊的夾角）正好可以通過計(jì)算弧形的高度與寬度后取反三角函數(shù)取得。

本項(xiàng)技術(shù)由于操作簡便性而得到了廣大儀器廠商的廣泛采用。而作為儀器而言，本階段的儀器在的通稱上應(yīng)該定義為角度分析儀或量角器。目前常見的儀器（不包括上海梭倫）即在這個(gè)階段，我們僅僅能夠稱之為量角器而已。談上分析接觸角值的精度，如一些廠家標(biāo)稱的0.01度的精度，這是不可能的事情。我們認(rèn)為，這個(gè)方法僅僅能夠做到1度的誤差，且這是在15度以上，15度以下的接觸角值時(shí)，誤差通常為2度左右。所測接觸角值越低，這個(gè)誤差也就越大。接觸角值越大，這個(gè)誤差就越小。

如果客戶現(xiàn)在選購接觸角儀，可能還必須考慮一下采用的接觸角儀中是否含有本方法。這主要是因?yàn)楹芏鄥⒖嘉墨I(xiàn)中事實(shí)上就是以本方法來測值并公布數(shù)據(jù)的。

但是，這種方法的缺點(diǎn)是非常顯然的。

*、無法更好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測值。自動(dòng)化測值的關(guān)鍵技術(shù)在于敏感點(diǎn)的找得。而敏感點(diǎn)因成像的不同而會(huì)有不同的呈現(xiàn)。作為儀器廠商，上海梭倫科技CAST2.0解決了敏感點(diǎn)找得的90%的技術(shù)，已經(jīng)于世界。在LCD、薄膜、玻璃等表面，CAST2.0已經(jīng)解決了自動(dòng)測得接觸角難點(diǎn)。

第二、是否是球冠受重力影響。液體量的大小不同受的重力不同，直接影響到球冠的符合程度。事實(shí)上，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)者均不會(huì)接受這個(gè)小球冠的假設(shè)。而我們認(rèn)為，如果考慮重復(fù)性，建議客戶考慮幾次液滴的量的控制，這樣至少可以理論上認(rèn)為幾次的成形是一致的。

第三、像素多少直接影響到測值的精度。通常國內(nèi)許多廠商采用低分辨率的成像系統(tǒng)，會(huì)直接影響到這個(gè)計(jì)算精度。

作為量高法的一個(gè)變換，上還有一種方法，角度分析法。國內(nèi)稱為量角法。這種方法是直接以一個(gè)十字形去靠液滴而得到角度。他們或同量高法或同角度分析，但不會(huì)改變其本質(zhì)，即仍建立在小球冠假設(shè)的基礎(chǔ)。且這種方法誤差較大，只能是原始的角度儀的代稱。

第二階段：簡單擬合曲線的接觸角分析技術(shù)：基于真實(shí)液滴的技術(shù)的簡單階段

本階段的特點(diǎn)正突出在認(rèn)識(shí)到了小球冠假設(shè)有失效性，試圖通過擬合曲線來分析接觸角值。德國和日本均采用過本技術(shù)，包括：（1）切線法；（2）大圓符合法。
切線法的理念在于用一個(gè)橢圓方程或一個(gè)三項(xiàng)式方程去擬合液滴在固體表面形成的圖像輪廓，來計(jì)算接觸角值。而大圓符合法的理念是認(rèn)為小球冠假設(shè)中形成的圖像不是正弧形，該方法就會(huì)以一個(gè)大的圓去擬合曲線，然后計(jì)算接觸角值。
顯然，作為分析技術(shù)，這些方法是對(duì)于小球冠分析法的一個(gè)簡單的被充，但是這些方法的發(fā)展思路為解決接觸角分析提供基礎(chǔ)。
上海梭倫科技CAST2.0接觸角分析系統(tǒng)提供了大圓符合法這項(xiàng)技術(shù)，以解決用戶測值的部分困難。

第三階段：Young-Laplace曲線擬合法接觸角分析技術(shù)：基于數(shù)學(xué)模型的技術(shù)
1991年左右開始，國外發(fā)展了本方法?，F(xiàn)有的國外接觸角儀通常均采用這個(gè)方法。這種方法是為復(fù)雜的一個(gè)方法，但是也是化的一個(gè)方法。其前提必須是建立在Young－laplace方程的基礎(chǔ)上對(duì)接觸角進(jìn)行分析。由于這種方法要分析整個(gè)液滴曲線，所以會(huì)受到液滴因重力變化而導(dǎo)致的曲線變化的影響。但本方法具有全自動(dòng)計(jì)算接觸角值的特殊優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。
本方法的缺點(diǎn)在于：
（1）嚴(yán)格的理論假設(shè)：本方法建立在理想化的公式的基礎(chǔ)上，而如果事際測得圖像有所變化，會(huì)明顯影響到測值的性。
（2）只能測試30度以上的接觸角值
（3）嚴(yán)格的對(duì)稱圖像假設(shè)。本理論是建立有嚴(yán)格的對(duì)稱圖像的假設(shè)的基礎(chǔ)上的。若左右接觸角有所變化，則測值會(huì)有所影響。
（4）受液體表面張力的影響。由于液體表面張力值會(huì)參與到計(jì)算中，所以，實(shí)際液體的表面張力值與參與計(jì)算的液體的表面張力值是否相同將會(huì)嚴(yán)重影響到后的測值性。

第四階段：復(fù)雜的圖像擬合技術(shù)與液滴輪廓分析技術(shù)
本項(xiàng)技術(shù)為2006年研研究技術(shù)。本項(xiàng)接觸角分析技術(shù)包括兩個(gè)部分：
1、圖像擬合技術(shù)：采用曲線尺的方法擬合液滴曲線；
2、基于液體輪廓和固液表面自由能體系，構(gòu)建輪廓分析技術(shù)。
上海梭倫科技在接觸角分析技術(shù)上取得了突破性發(fā)展。我們不依據(jù)任何理論假設(shè)，基于實(shí)際圖像成像，采用曲線尺擬合的方法分析接觸角值。在本方法中，我們把曲線定義為一個(gè)不均均的多花鍵組成的曲線尺，建立在圖像分析中立體花鍵的分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合曲線的彈性（像素離形性）以及內(nèi)聚力（固液體系分子內(nèi)聚力），分析接觸角值。
采用本方法，我們真正實(shí)現(xiàn)了分析各種形狀的接觸角值，包括前進(jìn)、后退角，不規(guī)則圖像的接觸角等。測值范圍護(hù)大到4-180度，精度可真正達(dá)到0.02度。
您可以采購CAST3.0接觸角分析軟件，享受上海梭倫科技為您提供的接觸角分析技術(shù)。

同時(shí)，結(jié)合原有接觸角分析技術(shù)，上海梭倫科技研究出了一種基于液體體積與接觸角液滴的直徑而計(jì)算得出接觸角值的技術(shù)。這個(gè)技術(shù)能夠解決小接觸角測試問題。通常精度可以達(dá)到0.04度。

四、現(xiàn)有接觸角儀應(yīng)用的接觸角分析技術(shù)分析
基于我們的分析，結(jié)合現(xiàn)有接觸角分析技術(shù)，我們認(rèn)為國內(nèi)外的接觸角儀所應(yīng)用的分析技術(shù)基本可以總結(jié)如下：
1、簡單的角度分析儀階段：主要指國內(nèi)的接觸角儀，如上海中晨和承德、北京哈科等。他們的分析方法只是簡單的角度分析，全基本無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)接觸角計(jì)算。
2、標(biāo)準(zhǔn)接觸角儀階段：國外的接觸角儀包括德國、美國FTA、韓國SEO的儀等均是采用第三階段的接觸角分析技術(shù)和第二階段的接觸角分析技術(shù)。國內(nèi)CAST2.0是第二階段的接觸角儀。
3、接觸角儀階段：上海梭倫*提供曲線尺與液滴外形輪廓分析技術(shù)，提升了接觸角分析的精度與準(zhǔn)度。

總結(jié)而言，接觸角的計(jì)算辦法基于如下：
1、數(shù)學(xué)模型（圓方程、θ/2法、young-lapalace方程擬合）
2、真實(shí)液滴外形分析（簡單的橢圓擬合、曲線尺）

而我們有理由相信，基于兩者結(jié)合的CAST2.0的技術(shù)是世界的技術(shù)。真實(shí)液滴技術(shù)以及二次擬合技術(shù)（*次擬合完成后，如果發(fā)現(xiàn)擬合誤差，可以調(diào)出歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行二次重新擬合），真正解決了一直以來接觸角測值困難的問題。

接觸角儀的測試精度受基準(zhǔn)水平線確認(rèn)的性影響

接觸角儀測值精度受表面潔凈度與均勻度影響

樣品表面潔凈度是我們應(yīng)該關(guān)注的一個(gè)問題。這個(gè)問題上面我們討論了很多，但必須一而再的提出。您可以多點(diǎn)測值，看看是否不一樣，若誤差較大，則說明表面肯定存在問題。
樣品是關(guān)鍵的。當(dāng)然，您也可以采用超聲波清洗的方式實(shí)現(xiàn)控制表面清潔度的目的。

接觸角儀測值時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)平衡（接觸角滯后現(xiàn)象）以及溫度對(duì)接觸角測值的影響等因素。