光學(xué)接觸角測量儀測量精度影響因素

是指采用界面化學(xué)原理中方程及其變體，采用液體作為探針物體，采用光學(xué)攝像的原理對(duì)固體材料進(jìn)行物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析的分析儀器，分析的結(jié)果以接觸角、表面自由能、粘附功等數(shù)值呈現(xiàn)。區(qū)別于普通的數(shù)碼量角器的簡單的圓擬合、橢圓擬合或切線法等幾何算法的光學(xué)測量儀器的是，接觸角測量儀具有非常顯著的基礎(chǔ)，即通過分析液滴輪廓并擬合至方程曲線，分析得到接觸角值。

因而，普通的數(shù)碼量角器僅僅是量測幾何意義上的輪廓的切線夾角角度，不考慮界面化學(xué)性質(zhì)以及重力影響等顯然存在的因素，因而具有測值理論參考依據(jù)不足、測值重復(fù)性差、精度差等明顯的缺陷。事實(shí)上，低價(jià)的所謂的“接觸角測量儀”目前均以數(shù)碼量角器為主，而不是根本意義上的接觸角分析與測量。

一、接觸角測量儀測量精度影響因素
1、從材料本身來講，很難找到表面不存在粗糙度、化學(xué)多樣性的樣品。而正是由于這些因素的影響，很難出現(xiàn)接觸角液滴從頂視時(shí)呈現(xiàn)正圓的圖像。

2、3D接觸角測量是表征材料物理化學(xué)性質(zhì)的方法。而3D接觸角的基本的要求是能夠分析接觸角值的左、右區(qū)別。

3、通過阿莎算法對(duì)于左、右角度值的評(píng)估，可以判斷材料本身的接觸角滯后現(xiàn)象或3D接觸角現(xiàn)象。

4、樣品臺(tái)或樣品上表面的傾斜情況同樣會(huì)影響液滴左、右角度值的變化。因而，從硬件要求來講，樣品臺(tái)面獨(dú)立調(diào)整水平的要求度會(huì)非常高，而不能夠僅僅通過簡單的四腳調(diào)整水平功能實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)面的調(diào)整，這個(gè)是*不講科學(xué)的做法。

5、頂視法的應(yīng)用局限性在于無法準(zhǔn)確采用哪個(gè)位置的直徑或相關(guān)參數(shù)估算出邊界條件中的體積值，因而，常規(guī)的平均體積法原則或小二乘后體積估算原則在分析ADSA-D算法的接觸角值時(shí)存在一定的缺陷。ADSA-D是理想條件下的接觸角分析。與常規(guī)的Young-Laplace方程擬合法(軸對(duì)稱或ADSA-P)一樣，無法作為接觸角算法來對(duì)待。

6、從目前為止來講，鏡頭俯視以樣品臺(tái)面的傾斜均會(huì)明顯影響接觸角分析結(jié)果6-9%高。而二維條件的玻璃校準(zhǔn)板無法準(zhǔn)確檢測出3D狀態(tài)下的接觸角測量儀器的準(zhǔn)確性，同時(shí)，大部分接觸角測量儀即使采用了3D紅寶石球工具校準(zhǔn)儀器，但由于缺少如上4所提及的樣品臺(tái)面以及鏡頭各自獨(dú)立的微分頭控制二維水平調(diào)整結(jié)構(gòu)，因而，這些儀器是根本無法校準(zhǔn)。只能是加工成什么精度就是什么精度，且這個(gè)精度無從考評(píng)，無法保證其他什么。

二、如何改善接觸角測量儀測值精度
接觸角測量儀用于測試和表征固體材料的界面化學(xué)領(lǐng)域的物理化學(xué)性質(zhì)。從這層意義上講，接觸角測量儀用于測試固體接觸角值的如何確保儀器的測值精度方面需要注意如下幾點(diǎn)：

1、接觸角測量儀的測試算法是測值精度的保證
接觸角測量或水滴角測量時(shí)，只能采用表面張力、重力、界面張力參與分析的測試算法才是力的工具。而圓擬合、橢圓擬合或切線法根本無法視為接觸角測量的工具，只能視為量角器。圓擬合或橢圓擬合、切線法無沒有很好的重現(xiàn)性，且受測試條件(圖像質(zhì)量、軸對(duì)稱、重力、液滴量等)影響非常大。

目前算法為阿莎算法(法，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正重力系數(shù)，可以綜合分析表面張力影響條件下的接觸角值，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)各種條件下(如靜態(tài)接觸角、非軸對(duì)稱接觸角、前進(jìn)后退角的分析)，是一種萬能接觸角測試算法。

接觸角測量的基本算法為算法，但其缺陷在于測試條件必須為軸對(duì)稱，同時(shí)測試時(shí)盡量避免近圓圖像。

2、彩色攝像機(jī)是接觸角測量或水滴角測量的硬件基礎(chǔ)
不像黑白攝像機(jī)存在水滴圖像從黑到深灰、淺灰、白的過渡一樣，彩色攝像機(jī)通常僅有從藍(lán)到灰或黑地直接轉(zhuǎn)換，因而，測值精度方面更高。并且，彩色攝像機(jī)可以清晰的表征出來過渡色，可以表征出更多細(xì)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的接觸角測值或界面張力、表面張力測值。

3、接觸角測量儀樣品臺(tái)以及鏡頭分析調(diào)整水平度的精度決定了測量的精度
目前精度的控制，成本較低的方案為微分頭控制的二維水平調(diào)整機(jī)構(gòu)。可以實(shí)現(xiàn)多維度方面的高精度水平，特別對(duì)于樣品表面不平整的樣品，可以調(diào)整平整度。同時(shí)，可以高精度調(diào)整鏡頭的俯視角度。

4、接觸角測量儀的光源和鏡頭系統(tǒng)是直接決定測值精度結(jié)果的要素
光源和鏡頭的方案為平行光源系統(tǒng)。平行光源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)直接切輪廓，大景深的目標(biāo)。目前，僅品智創(chuàng)思提供的PZ-200SD系列提供了本硬件支持。同時(shí)，平行光源的缺陷是對(duì)于表面不平整的樣品的不友好，即成像時(shí)無法判斷清表面分界。而PZ-200SD創(chuàng)造性的雙效光源，采用石英玻璃柔光板，實(shí)現(xiàn)了平行光源效果。