技術(shù)文章 / Technical articles
如何校準(zhǔn)接觸角測(cè)量?jī)x？接觸角測(cè)量?jī)x目前能夠做到的精度是多少？
作為一種的理化分析儀器，正如粘度計(jì)、分析天平等儀器一樣，接觸角測(cè)量?jī)x事實(shí)上也需要進(jìn)行的調(diào)校或校準(zhǔn)操作。通常建議接觸角測(cè)量?jī)x1年校準(zhǔn)一次。
但是，接觸角測(cè)量?jī)x很長(zhǎng)時(shí)間采用的校準(zhǔn)工具是玻璃板。玻璃校準(zhǔn)板與顯微鏡的分劃板一樣，采用刻蝕技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)角度的圖片刻在玻璃板上，再通過測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)角度值后，看接觸角測(cè)量?jī)x的精度。 通過如上的描述可以很容易看出，如上的操作事實(shí)上沒有對(duì)接觸角測(cè)量?jī)x本身進(jìn)行任何調(diào)?；蛐?zhǔn)，只是測(cè)試了一下標(biāo)準(zhǔn)圖片，看一下角度值差多少。而這樣的操作事實(shí)上只是看看接觸角測(cè)量?jī)x量角度這樣的方法是否對(duì)?；蚓饶軌蜻_(dá)到多少？且不論這個(gè)精度到底是否對(duì)。
在上海梭 倫或美國科諾的相關(guān)文章中，我們已經(jīng)對(duì)玻璃板進(jìn)行測(cè)值精度判斷的重在缺點(diǎn)進(jìn)行過了描述，概括而言，主要是玻璃板是二維的體系，無法符合接觸角測(cè)量的3維體系的測(cè)量，因而，也無法判斷出來儀器的精度并進(jìn)行儀器調(diào)校。
那么，接觸角測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)需要調(diào)校的是什么？
通過接觸角測(cè)量?jī)x的原理，即接觸角測(cè)量?jī)x通常采用側(cè)視條件下拍攝3D條件下的液滴的輪廓并采用相應(yīng)的算法分析得到接觸角值。根據(jù)光學(xué)成像原理，可以知道，3D條件下，鏡頭（相機(jī)）與被測(cè)物體（水滴）在成像視角、俯視與否情況、樣品本身的上表面水平情況均會(huì)影響到終的角度值結(jié)果。因而，接觸角測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)主要采用的工具是：
3D紅寶石球校準(zhǔn)工具。且同時(shí)要求紅寶廠球的精度為微米級(jí)的。
而，接觸角測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)包括：
1、通過校準(zhǔn)樣品臺(tái)的水平，校準(zhǔn)接觸角測(cè)量?jī)x；
2、通過校準(zhǔn)鏡頭的水平，校準(zhǔn)接觸角測(cè)量?jī)x；
因而，從硬件提供方面，接觸角測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)需要包括：（1）3D紅寶石工具；（2）樣品臺(tái)微米級(jí)調(diào)整水平；（3）鏡頭微米級(jí)水平調(diào)整。所以，如果不能夠提供如上整套工具（缺一不可），則該接觸角測(cè)量?jī)x是無法進(jìn)行校準(zhǔn)的，也根本無法該接觸角測(cè)量?jī)x的測(cè)值精度的。
通常情況下，顯微鏡的放大率在接觸角測(cè)量?jī)x中通常的分辨率為4um左右，那么實(shí)現(xiàn)的精度通常能夠的是0.01mm。而對(duì)于0.01mm的精度變化的圖像，通常而言其接觸角值精度為0.1度左右。如下表計(jì)算所示：
| 球直徑 | 球半徑 | 球高 | 半徑-球高 | COSθ | θ弧度 | θ角度 |
| 5.05 | 2.525 | 4.025 | -1.49969 | -0.59394 | 2.206742 | 126.437 |
| 5.05 | 2.525 | 4.035 | -1.51 | -0.59802 | 2.211824 | 126.728 |
| 誤差值 | 0.291 |
為此，對(duì)于接觸角測(cè)量的精度的差別的一個(gè)為有效的方法為，通過測(cè)量微高度變化如0.01mm高度變化時(shí)，接觸角的測(cè)試值的變化。這樣的變化包括兩個(gè)部分：
操作辦法為接觸角測(cè)試的圖片中，球直徑保持不變，此時(shí)，球冠的高度變化0.01mm，此時(shí)：
1、接觸角測(cè)量?jī)x所采用的算法能否判斷出來圖片中角度的變化值0.2-0.3度左右；（具體值根據(jù)計(jì)算所得略有變化）
2、接觸角測(cè)量?jī)x采用的算法對(duì)于兩次不同高度的圖片測(cè)試的值與理論值的偏差范圍，也即接觸角測(cè)量?jī)x的精度本身。
如下顯示的兩張圖片為小角度和大角度時(shí)兩個(gè)不同的角度時(shí)的接觸角測(cè)量?jī)x捕捉的圖片。
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大小度，初始高度時(shí)的接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試圖片
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大角度時(shí)，高度變化0.05mm時(shí)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試圖片
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小角度接觸角值時(shí)，接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試初始高度時(shí)的圖片
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小角度接觸角值時(shí)，接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試高度變化0.01mm時(shí)的圖片
如上圖片是通過上海梭倫技術(shù)的3D紅寶石球校準(zhǔn)工具實(shí)現(xiàn)的高精度高度變化以及采用上海梭倫接觸角測(cè)量?jī)xSL200KS測(cè)試所得。
通過采用圓擬合和阿莎算法，我們對(duì)如上圖片進(jìn)行了分析，具體結(jié)果如下所示：
| θ角度 |
測(cè)試值 圓擬合法 |
誤差值 | |
| 60.804 | 60.804 | 0.000 | |
| 61.056 | 61.203 | 0.147 | |
| 變化量 | 0.252 | 0.399 | 0.147 |
| θ角度 | 阿莎算法 | 誤差值 | |
| 60.80408 | 61.197 | 0.393 | |
| 61.05562 | 61.641 | 0.585 | |
| 變化量 | 0.251541 | 0.444 | 0.192 |
| θ角度 |
測(cè)試值 圓擬合法 |
誤差值 | |
| 126.437 | 126.437 | 0.000 | |
| 127.2966 | 127.306 | 0.009 | |
| 變化量 | 0.859565 | 0.869 | 0.009 |
| θ角度 | 阿莎算法 | 誤差值 | |
| 126.437 | 126.669 | 0.232 | |
| 127.2966 | 128.054 | 0.757 | |
| 變化量 | 0.859565 | 1.385 | 0.525 |
通過如上數(shù)據(jù)可以明顯看出
1、阿莎算法自動(dòng)修正了重力影響，因而測(cè)試結(jié)果上顯示為，測(cè)試結(jié)果值高于圓擬合所得的接觸角測(cè)量值。
2、接觸角測(cè)量值采用圓擬合時(shí)，可以做到的精度為0.147度左右。采用阿莎算法時(shí)，由于偏差值對(duì)比為圓擬合而非阿莎算法的增量值，因而，偏差低為0.192-0.525度左右。但從實(shí)際應(yīng)用來講，阿莎算法修正了重力影響，綜合將表面張力與接觸角進(jìn)行分析，因而，實(shí)際中數(shù)據(jù)的科學(xué)意義更大。
3、阿莎算法與圓擬合均地分辨出了圖像的區(qū)別，且方向。
如下提供了同樣的圖片采用國產(chǎn)的接觸角測(cè)量?jī)x分析軟件所得的數(shù)據(jù)。
| θ角度 | 國產(chǎn) 圓 | 誤差值 | |
| 60.80408 | 60.530 | -0.274 | |
| 61.05562 | 60.250 | -0.806 | |
| 變化量 | 0.251541 | -0.280 | -0.532 |
| θ角度 | K Y-L | 誤差值 | |
| 60.80408 | 71.57 | 10.766 | |
| 61.05562 | 73.74 | 12.684 | |
| 變化量 | 0.251541 | 2.17 | 1.918 |
| θ角度 | 國產(chǎn) 圓 | 誤差值 | |
| 126.437 | 127.150 | -0.713 | |
| 127.2966 | 128.230 | 0.933 | |
| 變化量 | 0.859565 | 1.080 | 0.220 |
| θ角度 | 國產(chǎn) Y-L | 誤差值 | |
| 126.437 | 139.520 | 13.083 | |
| 127.2966 | 141.160 | 13.863 | |
| 變化量 | 0.859565 | 1.640 | 0.780 |
可以看出：
1、國產(chǎn)的接觸角測(cè)量?jī)x分析軟件無法判斷出高度增加后的角度變化或偏差值較高，特別是小角度時(shí)，增加高度，測(cè)值結(jié)果反而減少了。
因而，國產(chǎn)的接觸角測(cè)量?jī)x的軟件的分析精度通常是略有擴(kuò)大的情況。
2、國產(chǎn)的接觸角測(cè)量?jī)x軟件Young-Laplace方程測(cè)值結(jié)果脫離實(shí)際值，如下提供兩張分析結(jié)果圖片，可以很明顯看出分析結(jié)果沒有重合度。
如下提供了國外的接觸角測(cè)量?jī)x分析軟件的分析結(jié)果
| θ角度 | K 圓 | 誤差值 | |
| 60.80408 | 60.900 | 0.096 | |
| 61.05562 | 61.000 | -0.056 | |
| 變化量 | 0.251541 | 0.100 | -0.152 |
| θ角度 | K Y-L | 誤差值 | |
| 60.80408 | 174.5 | 113.696 | |
| 61.05562 | 477.1 | 416.044 | |
| 變化量 | 0.251541 | 302.6 | 302.348 |
| θ角度 | K 圓 | 誤差值 | |
| 126.437 | 126.400 | 0.037 | |
| 127.2966 | 127.400 | 0.103 | |
| 變化量 | 0.859565 | 1.000 | 0.140 |
| θ角度 | K Y-L | 誤差值 | |
| 126.437 | 128.100 | 1.663 | |
| 127.2966 | 128.400 | 1.103 | |
| 變化量 | 0.859565 | 0.300 | -0.560 |
通過結(jié)果可以看出：
1、在小角度時(shí)，Young-Laplace方程擬合算法成功率不高。如下所示：
2、Young-Laplace方程擬合即使在真正的球的時(shí)候，或在軸對(duì)稱時(shí)，事實(shí)上分析結(jié)果也不盡理想。在大度度時(shí)也無法分辨出角度的增量。
通過如上描述可以看出：
1、接觸角測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)的前提是硬件；
2、接觸角測(cè)量?jī)x的精度以及分辨率的校準(zhǔn)需要微米級(jí)精度的3D紅寶 石球工具作出判斷；
3、軟件算法時(shí)，阿莎算法更具有科學(xué)性；
4、判斷軟件算法以及儀器精度的為科學(xué)的方法即可增加微米級(jí)變化量，看接觸角測(cè)量?jī)x的測(cè)值精度以及是否能夠判斷出來角度值的變化，以接觸角測(cè)量值的變化方向與高度等實(shí)際幾何值的變化量的方向是否一致。
