本发明属于固液界面测量技术领域，涉及一种接触测量装置，具体涉及一种用于测量透明固定样品的液固界面作用状态的试验装置及方法。
背景技术：
固-液接触角、液-液界面张力以及液-气表面张力值等基本指标是衡量液体对固体材料表面润湿性能的基本参数。接触角是指在固体水平平面上滴上一小滴液滴，固体表面上的固－液－气三相交界点处，其气-液界面和固-液界面两切线把液相夹在其中时所形成的角度。接触角值是由材料本身固有性质、化学异构性、表面物理结构、表面清洁度等各种因素综合决定的一个指标。实验发现固液接触面积与固液摩擦及黏附有相关联系。由于传统的接触角测量仪只能测量液体对固体材料表面的润湿性能，无法准确测量固液摩擦过程中的固液体摩擦力、黏附力以及固液接触面积在测试过程中的变化，也无法做到实时监测并对比接触角、固液体摩擦力、固液接触面积与材料特性的相关联系。
技术实现要素：
本发明所要解决的问题是：一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的测量装置，它提供了一种直接研究液固体接触摩擦力、黏附力和液固动态接触面积的同步性问题的测试方法，来开发液-固体相互作用的新研究方向。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
一种用于测量透明固定样品的液固界面作用状态的试验装置，其特征在于；包括底座和安装在底座上的图像捕捉系统、样品台、进样注射系统、测力传感系统及图像处理终端，所述样品台通过三维移动平台安装在底座上，三维移动平台的一个运行方向为主运动方向，所述样品台包括样品底板、透明顶板和将两者相连的透明侧板，所述透明顶板上用于放置待测量的透明固定样品；所述进样注射系统包括进样支座和安装在进样支座上的针管及注射器，所述进样支座通过升降装置安装在底座上，针管顶部和注射器通过软管相连，针管下端位于样品台正上方，所述测力传感系统用于测量针管下端沿着主运动方向的偏转力和竖直方向的拉力，所述图像捕捉系统包括倾45度反光镜、背景光源和两个平行的拍摄模块，所述45度反光镜安装于样品台的透明顶板和样品底板之间，所述拍摄模块和背景光源分别安装于样品台两侧的底座上，两个所述拍摄模块的拍摄方向与主运动方向垂直，其中位于上部的拍摄模块用于拍摄固液接触面，所述位于下部的拍摄模块用于测量经过45度反光镜反射后的固液接触面积。
进一步地，所述针管中部或上部通过转轴安装在进样支座上，所述测力传感系统包括安装在转轴处的扭力传感器和拉力传感器。
进一步地，所述背景光源为平板光源，具体为采用亮点可调的led平行光源。
进一步地，所述三维移动平台为x、y和z三个方向的平移机构组合而成的三维移动平台，其中y方向为主运动方向，z方向为垂直升降方向。
进一步地，所述三维移动平台由x向光学平移架、y向光学平移架、z向光学平移架及其相对应的调节电机组成，平移架可选用旋转丝杆来调控位置。通过采用上述技术方案，所述样品台可以通过电机控制或者手动旋钮控制沿x、y、z三个方向以可调节的速度进行匀速或者变速运动。
进一步地，所述三维移动平台的xyz三向运动速度为0.01毫米～20毫米每秒。
进一步地，所述针管末端设有增加与液滴结合力的膨大段。
进一步地，所述针管单次进样液滴大小为0.1微升～50微升。
进一步地，所述拍摄模块为ccd单元，两个ccd单元捕捉的图像和视频通过图像处理终端进行处理，本发明可以在两个ccd单元设置显微镜合适的放大倍数并聚焦。
通过采用上述技术方案，确保得到侧面成像和固液接触面积成像的清晰全景。
一种利用上述试验装置测量液固接触法向黏附力与接触面积的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品放置在样品台的透明顶板上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：将针管插入液滴内部中间位置，启动升降装置，通过升降装置控制针管缓慢匀速上升，同时开启两个拍摄模块，上方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品的相对运动，下方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品接触界面图像，直至液滴脱离样品表面或液滴与针管分离；
步骤三：所述液固接触法向黏附力的大小可以根据与针管结合的力传感器直接得到，由图像处理终端自动核算或人工测算得到该运动过程的液固接触法向黏附力与接触面积随时间的变化曲线。
一种利用上述试验装置测量固体表面润湿性及液固接触摩擦力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品放置在样品台的透明顶板上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：将针管插入液滴内部中间位置，启动三维移动平台的主运动方向，驱动样品台沿着y方向与针管发生定速相对运动，并在图像处理终端通过上方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品相对运动的视频，直到液滴与固体样品相对运动至设定位置或设定距离；
步骤三：根据所录制视频，在图像处理终端读取液滴在固体表面运动过程中前进角和后退角的变化特征；
步骤四：所述运动过程中液固界面摩擦力的大小可以通过与针管相连的测力传感系统直接得到，由图像处理终端自动测算或人工测算得到该运动过程液固界面摩擦力的变化曲线。
一种利用上述试验装置进行液固接触面积测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品固定在样品台的透明顶板上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：将针管插入到液滴内部，启动三维移动平台的主运动方向，驱动样品台沿着y方向与针管发生定速相对运动，同时在图像处理终端通过下方的拍摄模块拍摄针管拖动液滴在透明固体样品表面运动时的接触界面图像，直到液滴与固体样品相对运动至设定位置或设定距离；
步骤三：根据录制视频，由图像处理终端自动测算或人工测算得到液固接触面积在运动过程中的变化情况，进而分析得到液固相对摩擦运动中摩擦力和接触面积之间的关系。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种用于测量透明固定样品的液固界面作用状态的试验装置，本设备可以同步测量液体和样品之间的侧向摩擦力或法向黏附力以及测力过程中接触界面的变化，通过力传感器测量液体在固体表面侧向以及垂直方向的作用力，通过图像捕捉系统同步捕捉液体侧向以及液固接触界面的形貌。与现有技术相比，本发明更加直接、简便。同时本发明提供了一种直接研究液固体相对运动摩擦力和固液动态接触面积的同步性问题的测试方法，可用于表面工程材料领域开发固液体摩擦的新研究方向，为固液体摩擦的研究提供新的思路。
附图说明
图1为本发明试验装置的整体结构正视示意图。
图2为图像捕捉系统的工作光路示意图。
图3为本发明试验装置的三维示意图。
图4为本发明针管和测力传感系统安装关系示意图。
图5为固液相对运动的摩擦力或接触面积与时间的关系曲线图。
图6针管末端局部放大示意图。
附图标记：1-底座，2-水平调节支架，201-调平底板，202-第一立柱，203-吊板，3-图像捕捉系统，301-45度反光镜，302-背景光源，303-第一ccd单元，304-第二ccd单元，305-图像捕捉导入部件，306-第二立柱，307-光源外壳，308-遮光器，4-样品台，401-样品底板，402-透明顶板，403-透明侧板，5-进样注射系统，501-针管，502-注射器，503-进样支座，504-连接支座，505-升降装置，506-俯仰关节，507-转轴，508-膨大段，6-测力传感系统，61-扭力传感器，62-拉力传感器，7-三维移动平台，71-x向水平旋转丝杆调节架，72-y向水平旋转丝杆调节架，73-z向竖直旋转丝杆调节架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图所示，一种用于测量透明固定样品的液固界面作用状态的试验装置，包括底座1和安装在底座1上的图像捕捉系统3、样品台4、进样注射系统5、测力传感系统6及图像处理终端。
具体的如图1-图4所示，所述图像捕捉系统3、样品台4、进样注射系统5、测力传感系统6及图像处理终端通过水平调节支架2安装在底座1上，所述水平调节支架2包括调平底板201、吊板203和两个第一立柱202，两个第一立柱202固定在底座1两端，所述调平底板201两端分别固定一个吊板203，两个吊板203顶部分别通过一个高度调节装置安装在两个第一立柱202上，通过高度调节装置可以调整调平底板201的水平度，该高度调节装置具体形式不限，可以采用但是不限比如安装在第一立柱202里面的丝杆螺母结构，当然该结构也并非本发明必要技术特征，只是一个提高该试验装置的适应能力的一个改进特征，没有该调平机构，本发明还是可以解决本发明的技术问题。
本发明所述样品台4通过三维移动平台7安装在底座1上，三维移动平台7的一个运行方向为主运动方向；所述样品台4包括样品底板401、透明顶板402和将两者相连的透明侧板403，所述透明顶板402上用于放置待测量的透明固定样品。
所述图像捕捉系统3包括45度反光镜301、背景光源302和两个平行的拍摄模块，所述45度反光镜301安装于样品台4的透明顶板402和样品底板401之间，所述拍摄模块和背景光源302分别安装于样品台4两侧的调平底板201上，两个所述拍摄模块的拍摄方向与主运动方向垂直，其中位于上部的拍摄模块用于拍摄固液接触面，所述位于下部的拍摄模块用于测量经过45度反光镜301反射后的固液接触面积，具体的本发明45度反光镜301也可以为45度反光三棱镜。
具体的，本发明两个拍摄模块分别为第一ccd单元303、第二ccd单元304，所述第一ccd单元303和第二ccd单元304通过图像捕捉导入部件305与图像处理终端相连；所述第一ccd单元303和第二ccd单元304本身上下方向叠加固定在一起，然后通过第二立柱306安装在调平底板201上，通过第二立柱306调整两个ccd单元的高度与样品台4高度相适应。
本发明背景光源302为平板光源，采用亮点可调的led平行光源，具体，led平行光源安装在光源外壳307内，光源外壳307靠近样品台4一侧还设有遮光器308，光源外壳307内还设有电气控制部件，可以控制led平行光源的亮点和开关，均采用现有已知成熟技术，再次不再赘述。
本发明进样注射系统5包括进样支座503和安装在进样支座503上的针管501及注射器502，所述进样支座503通过升降装置505安装在连接支座504上，所述连接支座504通过俯仰关节506安装在光源外壳307顶部，这样就省去了单独为注射系统设置支座，针管501顶部和注射器502通过软管相连，针管501下端位于样品台4正上方，所述测力传感系统6用于测量针管501下端沿着主运动方向的偏转力和竖直方向的拉力。所述针管501单次进样液滴大小为0.1微升～50微升，本实施例中升降装置505采用现有技术中成熟技术，包括但不限于丝杠螺母机构，具体可以采用高精度丝杠螺母机构。
作为一种优选的实施例，所述针管501中部或上部通过转轴507安装在进样支座503上，所述测力传感系统6包括安装在转轴507处的扭力传感器61和拉力传感器62。
作为一种优选的实施例，所述三维移动平台7为x、y和z三个方向的平移机构组合而成的三维移动平台7，其中y方向为主运动方向，z方向为垂直升降方向，所述三维移动平台7的xyz三向运动速度为0.01毫米～20毫米每秒，本发明三维移动平台7为现有技术中常规的三维移动平台7，具体结构再次不再赘述，合成用的平移机构包括但不限于高精度丝杠螺母机构。
作为一种优选的实施例，如图6所示，所述针管501末端设有增加与液滴结合力的膨大段508，以便增加针管与液滴的结合力。
作为一种具体实施例，本发明图像处理终端可以集成在计算机里面。
需要说明的是本发明进样注射系统5的升降装置505为现有技术中成熟结构，比如丝杠螺母升降机构等等，在次不再赘述。
实施例1：
一种同步测量液固界面相互作用和液固接触面积的测量装置，包括以下步骤：
(1)打开试验装置电源和计算机电源，启动图像处理终端。将具有表面结构的通透性固体试样放置于含45度反光三棱镜的样品台4的载物区上，打开图像实时窗口；
(2)手动粗略调整运动调节系统的三维移动平台7，通过显示器观察摄像机成像。调整第二ccd单元304的背景光源302的亮度并粗略聚焦，使液滴(针管501)、45度反光三棱镜、第二ccd单元304位于如图2所示的工作光路线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(3)调整第一ccd单元303的摄像机镜头、试样、背景光源302处于同一水平线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(4)观察实时窗口无虞后，控制进样注射系统5滴加4μl的去离子水到试样表面，手动调整样品台4的z向运动使刚性针管501插到液滴正中心位置；
(5)固定三维移动平台7的x、z向运动调节架，将y向运动调节电机设置速度为1mm/s和加速度为零的运动状态，运动距离为15mm；
(6)启动y向运动的调节电机，打开图像处理终端对应的两个ccd的视频录制窗口，对刚性针管501拖动液滴在具有表面结构的通透性试样表面上的摩擦运动过程进行录制，保证刚性针管501和液滴始终在显示屏窗口内，直到距离终点停止，即可得到同步的侧向拖动视频和仰视的液固接触面积视频。
(7)分别对两个视频进行图像处理和数据结果记录，分析固液相对运动摩擦力与固液接触面积在数值上的定性和定量关系结果如图5中曲线8。
实施例2：
(1)打开试验装置电源和计算机电源，启动图像处理终端。将具有表面结构的通透性固体试样放置于含45度反光三棱镜的样品台4的载物区上，打开图像实时窗口；
(2)手动粗略调整运动调节系统的三维移动平台7，通过显示器观察摄像机成像。调整第二ccd单元304的平行光源的亮度并粗略聚焦，使液滴(针管501)、45度反光三棱镜、第二ccd单元304位于如图2所示的工作光路线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(3)调整第一ccd单元303的摄像机镜头、试样、背景光源302处于同一水平线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(4)观察实时窗口无虞后，控制进样注射系统5滴加6μl的去离子水到试样表面，手动调整样品台4的z向运动使刚性针管501插到液滴正中心位置；
(5)固定x、z向运动调节架，将y向运动调节电机设置速度为1mm/s和加速度为零的运动状态，运动距离为15mm；
(6)启动三维移动平台7的y向运动调节电机，打开图像处理终端对应的两个ccd的视频录制窗口，对刚性针管501拖动液滴在具有表面结构的通透性试样表面上的摩擦运动过程进行录制，保证刚性针管501和液滴始终在显示屏窗口内，直到距离终点停止，即可得到同步的侧向拖动视频和仰视的液固接触面积视频。
(7)分别对两个视频进行图像处理和数据结果记录，分析固液相对运动摩擦力与固液接触面积在数值上的定性和定量关系结果如图5中曲线9。
实施例3：
(1)打开试验装置电源和计算机电源，启动图像处理终端。将具有表面结构的通透性固体试样放置于含45度反光三棱镜的样品台4的载物区上，打开图像实时窗口；
(2)手动粗略调整运动调节系统的xyz三向试样台调节架，通过显示器观察摄像机成像。调整第二ccd单元304的平行光源的亮度并粗略聚焦，使液滴(针管501)、45度反光三棱镜、第二ccd单元304位于如图二所示的工作光路线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(3)调整第一ccd单元303的摄像机镜头、试样、背景光源302处于同一水平线上，调整配套显微镜到合适的放大倍数并聚焦；
(4)观察实时窗口无虞后，控制进样注射系统5滴加2μl的去离子水到试样表面，手动调整样品台4使带力传感器的针管501插到液滴正中心位置；
(5)固定三维移动平台7的x、y、z向运动调节架，将进样注射系统5的升降机构运动调节电机设置速度为0.5mm/s和加速度为零的运动状态，运动距离为5mm；
(6)启动进样注射系统5升降装置505的运动调节电机，打开图像处理终端对应的两个ccd的视频录制窗口，对针管501带动液滴在具有表面结构的通透性试样表面上的升降运动过程进行录制，保证针管501和液滴始终在显示屏窗口内，直到距离终点停止，即可得到同步的法向黏附力大小和仰视的液固接触面积视频。
(7)分别对两个视频进行图像处理和数据结果记录，分析液体与样品之间的法向黏附力与固液接触面积在数值上的定性和定量关系。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.一种用于测量透明固定样品的液固界面作用状态的试验装置，其特征在于；包括底座和安装在底座上的图像捕捉系统、样品台、进样注射系统、测力传感系统及图像处理终端，所述样品台通过三维移动平台安装在底座上，三维移动平台的一个运行方向为主运动方向，所述样品台包括样品底板、透明顶板和将两者相连的透明侧板，所述透明顶板上用于放置待测量的透明固定样品；所述进样注射系统包括进样支座和安装在进样支座上的针管及注射器，所述进样支座通过升降装置安装在底座上，针管顶部和注射器通过软管相连，针管下端位于样品台正上方，所述测力传感系统用于测量针管下端沿着主运动方向的偏转力和竖直方向的拉力，所述图像捕捉系统包括倾45度反光镜、背景光源和两个平行的拍摄模块，所述45度反光镜安装于样品台的透明顶板和样品底板之间，所述拍摄模块和背景光源分别安装于样品台两侧的底座上，两个所述拍摄模块的拍摄方向与主运动方向垂直，其中位于上部的拍摄模块用于拍摄液液滴侧向投影面，所述位于下部的拍摄模块用于测量经过45度反光镜反射后的固液接触面积。
2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于；所述针管中部或上部通过转轴安装在进样支座上，所述测力传感系统包括安装在转轴处的扭力传感器和拉力传感器。
3.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于；所述背景光源为平板光源，具体为采用亮度可调的led平行光源。
4.如权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于；所述三维移动平台为x、y和z三个方向的平移机构结合而成的三维移动平台，其中y方向为主运动方向，z方向为垂直升降方向；所述三维移动平台的xyz三向运动速度为0.01毫米～20毫米每秒。
5.如权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于；所述针管末端设有增加与液滴结合力的膨大段。
6.如权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于；所述针管单次进样液滴大小为0.1微升～50微升。
7.如权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于；所述拍摄模块为ccd单元，两个ccd单元捕捉的图像和视频通过图像处理终端进行处理。
8.一种利用权利要求1所述试验装置测量液固接触法向黏附力与接触面积的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品放置在样品台的透明顶板上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：启动升降装置，通过升降装置控制针管以指定速度上升，同时开启两个拍摄模块，上方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品的相对运动，下方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品接触界面图像，直至液滴脱离样品表面或液滴与针管分离；
步骤三：所述液固接触法向黏附力的大小根据与针管结合的力传感器直接得到，由图像处理终端自动测算或人工核算得到该运动过程的液固接触法向黏附力与接触面积随时间的变化曲线。
9.一种利用权利要求1所述试验装置测量固体表面润湿性及液固接触摩擦力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品放置在样品台的透明顶板上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：启动三维移动平台的主运动方向，驱动样品台沿着y方向与针管以指定速度发生相对运动，并在图像处理终端通过上方的拍摄模块拍摄液滴与固体样品相对运动的视频，直到液滴与固体样品相对运动至设定位置或设定距离；
步骤三：根据所录制视频，在图像处理终端读取液滴在固体表面运动过程中前进角和后退角的变化特征；
步骤四：所述运动过程中液固界面摩擦力的大小通过与针管相连的测力传感系统直接得到，由图像处理终端自动测算或人工测算得到该运动过程液固界面摩擦力的变化曲线。
10.一种利用权利要求1所述试验装置进行液固接触面积测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待测试的固体样品固定在样品台的透明顶板上，通过进样注射系统将已知种类和体积的液滴通过注射系统的针管滴加到固体样品表面；
步骤二：启动三维移动平台的主运动方向，驱动样品台沿着y方向与针管以指定速度发生相对运动，同时在图像处理终端通过下方的拍摄模块拍摄针管拖动液滴在透明固体样品表面运动时的接触界面图像，直到液滴与固体样品相对运动至设定位置或设定距离；
步骤三：根据录制视频，由图像处理终端自动测算或人工测算得到液固接触面积在运动过程中的变化情况，进而分析得到液固相对摩擦运动中摩擦力和接触面积之间的关系。
技术总结