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第四代Young-Laplace方程拟合算法-ADSA-RealDrop算法真正实现无“触”不在的接触角测值

相较于圆拟合、椭圆拟合条件下的数码量角器而言,接触角测量仪具有其非常明显的专业特征以及专业性要求,即要求能够修正重力或浮力(如有)的影响,同时,测值接触角值时,必须综合考虑表面张力、接触角以及界面张力的综合影响。目前,从学科上来讲,只有Young-Laplace方程拟合才能够实现测试界面化学意义上的接触角的目的。

在其他文章中,我们对接触角测值中采用圆拟合、椭圆拟合进行了对比,以及对国内外不同的Young-Laplace方程拟合技术也进行了对比,具体请参考相关文章的描述。

目前主流的接触角测试算法主要有两种,其技术对比如下所示:

第一种为基于Select Plance算法的Young-Laplace方程拟合技术。这种算法从表面上无法判断出其采用何种算法计算Bond系数,而在实际运行中,其显著特征为不能计算左、右接触角值,会挑液滴接触角图片,换言之,对于部分特殊的接触角图片,特别是高于120度以上接触角值的图片,其测值明显偏大(从拟合特征来看,显示为拟合线在水平线位置10-30像素左右往内收缩)。

ADSA-RealDrop算法基于ADSA-P算法,在拟合分析计算Bond系数上具有独特的算法,即采用了两次拟合曲线算法,从而实现了液滴轮廓分析从轴对称向非轴对称的转变。本项技术已经在中国取得了发明专利。

如下,我们采用基于Select Plane算法的Young-Laplace方程拟合技术和ADSA-RealDrop算法对同一张图片进行了分析。相关结果如下:

原图如下所示,此图为气泡捕获法时拍摄下的隐形眼镜上的接触角实际图谱:

24位接触角图片

8位接触角图片(采用Select Plane算法时只能采用8位算法,因而精度会差一些,无法达到亚像素级别)

拟合效果如下:

1、基于Select Plane算法的软件的拟合结果如下所示:明显地,计算角度值显示为382度,这是不合理的结果。且,拟合效果上出现了明显的拟合轮廓线与实际的边缘轮廓出现大偏差的情况。

2、采用ADSA-RealDrop算法的拟合计算接触角值的结果为——明显地,ADSA-RealDrop算法准确的找到并计算得出了左、右角度值的不同,且左、右两侧的拟合结果非常平滑,与真实液滴轮廓完全匹配。

3、圆拟合时的计算接触角值的结果如下所示:明显的,左侧的边缘轮廓没有完全拟合上,这就是ADSA-RealDrop的优势所在(能够准确分析出接触角值的左、右区别)。

 

综合如上可以得出的结论为:

1、第二代或第三代的Young-Laplace方程拟合技术,特别是Select Plane算法时的Young-Laplace方程拟合技术无法具有通用性,即对于某些不符合其参数的图片是无法进行接触角测值分析的。这个与接触角测量仪测试的基本要求,即通用性的要求有差距;

2、ADSA-RealDrop可以适用于包括前进、后退角、3D接触角等等非常复杂的接触角测值,拟合成功率高。结合CAST3的手自一体功能,从而真正实现了任意图片均可以分析得到满意、重复性好的接触角值,也真正做到了接触角测值的无“触”不在!

 

选点选面法

Selected Plane Method

基于selected planeYoung-Laplace 方程拟合法

ADSA-RealDrop

缺点:

优点:

1、第一次拟合分析邦德系Bond Number时,由于所采用的关键点较少,易受测点位置噪声影响

1、测试操作简单,精度高

2、计算精度受公式或查找表格相关修正因子或参数的影响较大

2、专业化程度高,测试数据的可信度高,测值引用文献多

3、分析表面张力时,需要采用与标定参数时同样的条件(或针头的直径、针头的材质、温湿度条件等),测值结果存在不确定性

3、无系数标定,不受针头直径、材质等因素影响

4、只能用于分析轴对称的液滴,易受振动影响

4、可以应用于非轴对图像的液滴表面张力分析

5、测试精度一般,重复性一般

5、不易受振动的影响

6、全自动化程度差

只能测试部分Bond Number范围内的液滴外形的表面张力值,不能测试所有范围的液滴形状

6、可以用于测试超低界面张力如0.001mN/m,以及超高表面张力(如熔化的金属)

优点:

缺点:

经典测试方法

解决了测试速度和测值全自动问题,在20世纪90年代中期的计算机技术条件下,达到这个水平已经基本满足要求

相较于称重原理的表面张力仪,测值精度及重复性略低,通常为1mN/m,而称重法时可以达到0.2mN/m

 

   
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