視頻光學(xué)接觸角測量?jì)x的測試方法及其優(yōu)缺點(diǎn)對比

目前而言，接觸角測試方法主要為如下3類(lèi)：
（1）簡(jiǎn)單幾何算法：量角器法和寬高法（WH法或θ/2）法。
量角器法采用一條直線(xiàn)傾斜并判斷其是否相切于液滴輪廓的方式分析接觸角值。而寬高法則假設液滴輪廓符合一個(gè)圓弧曲線(xiàn)，即假設液滴為球冠的一部分。因而，寬高法有時(shí)也被稱(chēng)為小球完法。此時(shí)，通過(guò)圓弧的寬與高，并采用反三角函數計算出接觸角值。
本方法的優(yōu)勢在于：（1）被發(fā)現并使用的時(shí)間長(cháng)；（2）測試不需要復雜的儀器，人眼觀(guān)測即可。如美國科諾早研制出來(lái)的SL100型。（3）采用軟件全自動(dòng)測試時(shí)，速度快。
本方法的缺陷包括：（1）測值誤差大，重復性不好，精度不高，量角器法通常為2度甚至更高，寬高法時(shí)為1度左右；（2）受人為因素影響較大，特別是量角器法，每個(gè)人的判斷依據均不同，因而無(wú)法形成一個(gè)可接受的共識結果。而寬高法在像素的選擇時(shí)，因判斷像素點(diǎn)少，精度很難達到很高；（3）易受噪聲點(diǎn)影響，特別是采用寬高法自動(dòng)分析時(shí)，背景的噪聲會(huì )明顯影響到測值結果；（4）受液滴體積的影響。因其小球冠的前提假設，大液滴明顯存在重力影響，測值結果存在偏差。還有一個(gè)不被重視的情況為，在接觸角大于80度或超疏水材料（150度以上）時(shí)，事實(shí)上小液滴（2uL或1uL），液滴形狀也因重力而改變。
（2）復雜的高數算法：圓擬合、橢圓擬合、切線(xiàn)法（二次曲線(xiàn)或復合曲線(xiàn)）等方程擬合法以及Spline曲線(xiàn)擬合、真實(shí)液滴法等無(wú)方程擬合法等。
本系列算法具體測試過(guò)程為：拍攝液滴輪廓圖像，采用圖像識別技術(shù)擬合圖像的邊緣（如Canny算子），提取邊緣曲線(xiàn)的坐標，將坐標曲線(xiàn)與曲線(xiàn)方程進(jìn)行小二乘擬合，從而得到終的方程曲線(xiàn)。在得到曲線(xiàn)方程后，在接觸的兩端點(diǎn)處求導并進(jìn)而得到接觸角值。
本系列算法的特征在于用曲線(xiàn)算法計算一個(gè)曲線(xiàn)的切線(xiàn)角值。因其缺少界面化學(xué)相關(guān)算法的支撐，其測值僅是計算得出液滴輪廓的表象角度值，即該輪廓的幾何意義上的角度值而并非真實(shí)的固－液－氣或固－液－液三相體系的本征接觸角值。事實(shí)上，因重力、浮力、化學(xué)多樣性、異構性的存在，接觸角體系非常復雜。
本系列算法的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）易被理解和接受。本系列算法涉及的知識有限，只涉及簡(jiǎn)單的幾何以及高數知識，所以，易于被使用者所理解；（2）測試精度較高，通常而言，在控制液滴量的情況下，且擬合曲線(xiàn)與輪廓曲線(xiàn)重合度高時(shí)，精度可達0.5°(圓擬合或橢圓擬合)；（3）圓擬合法以及橢圓擬合法不易受背景噪聲點(diǎn)影響，自動(dòng)擬合的成功率較高。特別是圓擬合法，在5度以?xún)鹊慕佑|角測試時(shí)，是算法。
本系列算法的缺點(diǎn)在于：（1）受液滴大小或重力影響較大，特別是圓擬合法；（2）橢圓擬合法擬合10度以?xún)冉佑|角值以及特殊情況下的接觸角值（如150度以上超疏水材料的接觸角值等，此時(shí)的重力影響已經(jīng)影響到輪廓，特別是中心線(xiàn)以下的輪廓與以上部分不再對稱(chēng)時(shí)）；（3）切線(xiàn)法受接觸點(diǎn)位置的噪聲干擾較大，特別的對于增加、減少液滴法的前進(jìn)、后退測值時(shí)，成功率不高；（4）無(wú)法真實(shí)表征界面化學(xué)現象，如化學(xué)多樣性、重力的體現、界面化學(xué)的三明治效應等；（5）無(wú)法擬合非軸對稱(chēng)圖像，除橢圓能夠擬合部分非軸對稱(chēng)的圖像以及切線(xiàn)法外。
（3）Young-Laplace方程擬合法。
本算法將Young-Laplace方程引入到接觸角及界面張力（表面張力）的測試過(guò)程中，從而綜合考慮到了重力、浮力、界面張力等各個(gè)因素的影響，也更為真實(shí)的表征了固－液－氣或固－液－液三相體系的界面化學(xué)現象。相較于如上兩個(gè)類(lèi)別的算法，其測值精度、重復性均比較高。本方法的具體實(shí)施過(guò)程為：拍攝液滴輪廓圖像，采用圖像識別技術(shù)提取圖像邊緣并得到坐標點(diǎn)，用坐標點(diǎn)擬合Young-laplace方程并得到表面張力值、體積值、表面積值以及接觸角值等參數。其核心技術(shù)為邦德系數（Bond Number）的算法以及擬合Young-Laplace方程的算法兩個(gè)部分。而根據邦德系數（Bond Number）不同Young-Laplace方程擬合技術(shù)分為兩大類(lèi)：ADSA和Select Plane法兩種。
本方法為的是A.W.Neumann的ADSA算法，包括ADSA－P、ADSA－D、ADSA－CD、ADSA－NA、ADSA－RealDrop等等。ADSA算法為軸對稱(chēng)影像分析法，為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年正式公開(kāi)發(fā)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團隊對ADSA算法進(jìn)行了總結并形成理論體系（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A(yíng)DSA－NA的基礎上的更新，其核心技術(shù)為邦德系數（Bond Number）的擬合采用了聯(lián)立頂點(diǎn)曲率半徑和表面張力值建立關(guān)系式，并二次擬合Young-Laplace方程的技術(shù)。相較于A(yíng)DSA－P更接近于實(shí)際液滴輪廓形狀，因而被稱(chēng)為RealDrop技術(shù)，可也稱(chēng)為非軸對影像分析法。
另外三個(gè)比較有名的算法包括如下三個(gè)。其特征為這些算法被國外的儀器廠(chǎng)商所商業(yè)化使用，因而具有一定的度。其核心的邦德系數（Bond Number）為Select Plane算法。
(1)Song Bi Hai團隊的Young-Laplace方程擬合法（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團隊的Young-Laplace方程擬合法（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團隊的Young-Laplace方程擬合法（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）
本方法的缺點(diǎn)：（1）除了ADSA－NA和ADSA-RealDrop法之外，所有的算法均有軸對稱(chēng)的前提假設，即本算法認為液滴的輪廓是左、右、前、后對稱(chēng)的。因而在實(shí)際測試中，通常僅擬合以液滴輪廓中心點(diǎn)分界的單側的輪廓并將另一側的輪廓擬合曲線(xiàn)復制。但事實(shí)上，很少有一個(gè)固體表面的液滴能夠形成軸對稱(chēng)的。（2）對于小接觸角值，如低于3度以下時(shí)，因采用的擬合邊緣不夠，精度一般。
本方法的優(yōu)點(diǎn)：（1）可以修正重力、浮力對接觸角測值的影響，不受液滴體積的影響，精度高，重復性好；（2）可以用于超疏水材料的接觸角值，特別是針對大于80度以上的接觸角值測值，擬合度非常高；（3）可以真實(shí)反應固－液－氣或固－液－液三相體系的接觸角值。
其中，ADSA－RealDrop算法因其非軸對稱(chēng)性并結合Wensel-Cassie模型，其優(yōu)勢更為明顯：（1）可以用于分析3D接觸角，特別是化學(xué)多樣性、異構性、接觸角滯后等的分析，本征接觸角的計算，本算法勝任工作；（2）不受液滴量大小的影響，從0.1uL-400uL，接觸角值保持在2度之內變化；（3）可以非?？焖俚呐袛嗟玫綐悠返幕瘜W(xué)多樣性、清洗度等，無(wú)需多個(gè)液滴的判斷。

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