基本信息
- 项目名称：
- 低成本接触角-表面能测量仪的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本设计利用CCD、步进电机等，经数据采集、机械控制系统的制作，光路、电路的设计，装配成测量仪的硬件，仪器将USB接口采集到的图像经CCD图像传感器转换为可用输出信号；使用VB.2010开发了仪器软件，利用计算机并口发送步进电机控制指令，实现仪器载物台的计算机精确控制，对聚焦所得的清晰图像进行分析，利用长度法计算接触角，误差小于0.05°，以不同探测液下的接触角值为基础可计算出材料表面能。
- 详细介绍：
- 采用软件硬件相结合的方法，本设计利用步进电机、CCD等，经过数据采集、机械控制系统的制作，光路、电路的设计，多次校正、调整，装配成测量仪的硬件，该仪器将USB接口采集到的图像经CCD图像传感器转换为可用输出信号；使用Microsoft Visual Basic 2010开发了Windows操作环境下的软件，利用计算机并口发送步进电机控制指令，实现仪器载物台的计算机控制，精确聚焦，对聚焦所得的清晰图像进行分析，利用长度法计算接触角平均值。以市售标准测量仪所测数据为标准值，本仪器的误差小于0.05°。以不同探测液下的接触角值为基础，利用接触角和表面能中极性分量和非极性分量的关系为基础理论进行代码编译，通过解方程组的方法得出极性分量和非极性分量，两者相加得材料表面自由能。 本仪器有如下特点： （1）小巧精致，重量0.6 kg，三维尺寸100mm*110mm*135mm，使用方便。 （2）软件硬件结合。硬件部分利用并口传输信号，USB供电，安全稳定；利用高精密CCD结合非对称透镜组来获取高保真、高清晰度图像；LED得到均匀高亮的面光源，成像效果好，更节能。软件部分采用计算机编程，实现自动三维度控制载物台，操作更方便快捷；利用计算机自动处理数据，正确无误，无需人工计算，实验效率高。 （3）制作材料少，来源广，制备工具简单，制作成本为80元，预算投资回报率492.1%，经济效益显著。 （4）耗电量低，节约电能。本仪器运行功率2.5W，而市售测量仪的功率平均为660W，全国高校每年可节约19.5万度电能。 （5）以市售精密仪器的测量结果为准确值，本仪器误差小于0.05°。 （6）简单实用，性能优良且造价低廉，适于推广使用。目前该仪器已用于本校实验教学及科研前期工作中。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 【作品设计、发明的目的】接触角的测量在材料防护、化妆品、油墨工业等领域有重要应用，但目前大部分测量接触角和表面能的仪器操作繁杂，造价昂贵，维护费用高，附件多，体积庞大，耗费材料且用电量大。鉴于此，本团队研制了此款造价便宜、操作简单、小巧精致、节约材料和电能的接触角-表面能测量仪。 【基本思路】采用软件硬件相结合的方法，本设计利用步进电机、CCD等，经过数据采集、机械控制系统的制作，光路、电路的设计，多次校正、调整，装配成测量仪的硬件，该仪器将USB接口采集到的图像经CCD图像传感器转换为可用输出信号；使用VB开发了软件部分，利用计算机并口发送步进电机控制指令，实现仪器载物台的计算机控制，对聚焦所得的清晰图像进行分析，利用长度法计算接触角值；以不同探测液下的接触角值为基础，可计算材料表面能。 【创新点】 （1）软件硬件相结合。硬件部分获得的清晰图像由软件处理得到精确数据，无需人工计算，误差小。 （2）相比于市售接触角测量仪，本仪器制作成本共计80元，预算投资回报率492.1%，经济效益显著；仪器运行功率为2.5w ，而市售测量仪的功率平均为660w，能节约大量电能。 【技术关键】仪器整体设计、图像获取光路设计和机械控制系统设计及制作、整体装配。 【主要技术指标】本仪器测量数据误差小，以市售精密仪器测量结果为准确值，相同测量条件下自制仪器测量误差小于0.05°；载物台在计算机带动下可在三维方向上自由移动，精度为0.524mm。
科学性、先进性
- 【作品科学性】本测量仪主要材料包括摄像头、CCD等。根据合理的电路、光路设计装配成仪器的硬件，计算机通过并口向步进电机发送特殊代码指令，以控制步进电机带动载物台在三维方向上自由移动，移动精度为0.524mm，精确聚焦，获得清晰图像。软件采用长度法编写代码，只需选择图像轮廓的3个边界点，即可快捷方便获得接触角值，根据接触角和表面能的基础理论进行软件代码编译，软件自动计算出表面能值。 【作品先进性】 （1）利用光学系统和CCD结合，使液滴的影像清晰地显示在计算机屏幕上，可在瞬间将图像存储下供测量使用，避免因液体蒸发造成测量失败。 （2）独特的液滴观测角的调正技术，随时可以观测液滴的形态； （3）创新的软件设计支持用户在任何时间都可以测量事先保存好的液滴图像；相比市售测量仪，本仪器显著进步在于无需高额制作成本即可实现几万元仪器的主要功能，并节约材料和电能。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月获省级“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 寻找资金开发或合作开发
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 【使用说明及适用范围】 （1）样品厚度均匀，尺寸为0～25mm ，径向小于50mm； （2）液滴半径为2～8mm 。 【技术特点和优势】本仪器软件与硬件相结合，简单实用；载物台软件控制，移动精度达到0.524mm；计算机自动处理数据，效率高。以市售精密仪器的测量结果为标准值，自制仪器误差小于0.05°，数据可靠。 【经济效益预测和推广前景】据调查市售测量仪的平均报价为4万元，功率平均为660W ，适合大型实验室的精密测量。相比之下，全国高校更青睐于使用低成本，操作简单的测量仪。本设计建立计算投资回报率（ROI）模型以估算本仪器测试相对于市售仪器的效益。市售测量仪的固定成本按售价的60%、脚本执行次数按2000次进行计算，可得本测量仪的ROI为492.1%，经济效益高。将本仪器用于全国各大高校，经计算每年节约19.5万度电能。由于大部分制作材料还可来源于废旧软驱、光驱等，故本仪器的推广将改善我国电子垃圾的处理现状。综上，本仪器推广前景广阔。
同类课题研究水平概述
- 接触角是材料表面分析中最灵敏的参数之一[1],通过接触角的测量,可以获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息。接触角的测量方法有多种,其中长度法和量角法是应用较为广泛的两种。为得出更为准确的接触角值，量高法、长度法测接触角技术均得到了进一步的完善；接触角测量仪市场竞争愈发激烈，国内外对接触角测量仪的研究和开发也越来越深入[2]。 OCA系列视频光学接触角测量仪是德国dataphysics公司研发的接触角测定系统，该系列接触角测量仪采用先进的光学视频测量技术和各类专用的分析软件，是性能最好、最专业的接触角测量仪。OCA20视频光学接触角测量仪是OCA系列测量仪中的标准型号，是最具竞争力的科研仪器。该仪器主要特点有：样品台的X、Y、Z轴可精确定位；注射针的定位由软件控制，水平位移精度0.005mm，垂直位移精度0.01mm； CCD视频系统可获得高清晰图像；高性能分析软件齐全等。仪器功能主要有：测量动、静态接触角；计算固体的表面自由能及其组成等。接触角测量精度可达：±0.1°。 如此具有竞争力的设备，操作繁杂，造价昂贵（售价十几万），维护费用高，附件多，体积庞大，耗费材料且用电量大。若能够以极低的成本获取高品质的测量仪，简单操作而获得精确的接触角值，将会大大提高实验效率，方便应用，并对节约材料，构建节约型社会具有重要意义。 鉴于此，本团队研制了一款使用简单、造价便宜、节约材料和电能的接触角-表面能测量仪，通过与计算机的结合，利用计算机强大的智能性能，既能够简单操作又能获得精确的接触角数据，计算出材料表面能等一些表征材料表面性能的数据，避免复杂操作，测得数据精确，然后计算机将图像和接触角测量值、表面能值等信息存储起来，以备实验后查阅和比对。 参考文献 [1]丁晓峰,管蓉,陈沛智.接触角测量技术的最新进展[J].理化检验-物理分册.2008,44(2):84～89. [2] Stalder, Kulik , Sage , et al. A snake-based approach to accurate determination of both contact points and contact angles[J] .Colloid Surface A , 2006 ,286 (1-3):92-103.
