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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 低成本接觸角-表面能測(cè)量?jī)x的研制
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本設(shè)計(jì)利用CCD、步進(jìn)電機(jī)等，經(jīng)數(shù)據(jù)采集、機(jī)械控制系統(tǒng)的制作，光路、電路的設(shè)計(jì)，裝配成測(cè)量?jī)x的硬件，儀器將USB接口采集到的圖像經(jīng)CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)；使用VB.2010開(kāi)發(fā)了儀器軟件，利用計(jì)算機(jī)并口發(fā)送步進(jìn)電機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)儀器載物臺(tái)的計(jì)算機(jī)精確控制，對(duì)聚焦所得的清晰圖像進(jìn)行分析，利用長(zhǎng)度法計(jì)算接觸角，誤差小于0.05°，以不同探測(cè)液下的接觸角值為基礎(chǔ)可計(jì)算出材料表面能。
- 詳細(xì)介紹：
- 采用軟件硬件相結(jié)合的方法，本設(shè)計(jì)利用步進(jìn)電機(jī)、CCD等，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、機(jī)械控制系統(tǒng)的制作，光路、電路的設(shè)計(jì)，多次校正、調(diào)整，裝配成測(cè)量?jī)x的硬件，該儀器將USB接口采集到的圖像經(jīng)CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)；使用Microsoft Visual Basic 2010開(kāi)發(fā)了Windows操作環(huán)境下的軟件，利用計(jì)算機(jī)并口發(fā)送步進(jìn)電機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)儀器載物臺(tái)的計(jì)算機(jī)控制，精確聚焦，對(duì)聚焦所得的清晰圖像進(jìn)行分析，利用長(zhǎng)度法計(jì)算接觸角平均值。以市售標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x所測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值，本儀器的誤差小于0.05°。以不同探測(cè)液下的接觸角值為基礎(chǔ)，利用接觸角和表面能中極性分量和非極性分量的關(guān)系為基礎(chǔ)理論進(jìn)行代碼編譯，通過(guò)解方程組的方法得出極性分量和非極性分量，兩者相加得材料表面自由能。 本儀器有如下特點(diǎn)： （1）小巧精致，重量0.6 kg，三維尺寸100mm*110mm*135mm，使用方便。 （2）軟件硬件結(jié)合。硬件部分利用并口傳輸信號(hào)，USB供電，安全穩(wěn)定；利用高精密CCD結(jié)合非對(duì)稱透鏡組來(lái)獲取高保真、高清晰度圖像；LED得到均勻高亮的面光源，成像效果好，更節(jié)能。軟件部分采用計(jì)算機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)三維度控制載物臺(tái)，操作更方便快捷；利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，正確無(wú)誤，無(wú)需人工計(jì)算，實(shí)驗(yàn)效率高。 （3）制作材料少，來(lái)源廣，制備工具簡(jiǎn)單，制作成本為80元，預(yù)算投資回報(bào)率492.1%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 （4）耗電量低，節(jié)約電能。本儀器運(yùn)行功率2.5W，而市售測(cè)量?jī)x的功率平均為660W，全國(guó)高校每年可節(jié)約19.5萬(wàn)度電能。 （5）以市售精密儀器的測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)確值，本儀器誤差小于0.05°。 （6）簡(jiǎn)單實(shí)用，性能優(yōu)良且造價(jià)低廉，適于推廣使用。目前該儀器已用于本校實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研前期工作中。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 【作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的】接觸角的測(cè)量在材料防護(hù)、化妝品、油墨工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，但目前大部分測(cè)量接觸角和表面能的儀器操作繁雜，造價(jià)昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，附件多，體積龐大，耗費(fèi)材料且用電量大。鑒于此，本團(tuán)隊(duì)研制了此款造價(jià)便宜、操作簡(jiǎn)單、小巧精致、節(jié)約材料和電能的接觸角-表面能測(cè)量?jī)x。 【基本思路】采用軟件硬件相結(jié)合的方法，本設(shè)計(jì)利用步進(jìn)電機(jī)、CCD等，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、機(jī)械控制系統(tǒng)的制作，光路、電路的設(shè)計(jì)，多次校正、調(diào)整，裝配成測(cè)量?jī)x的硬件，該儀器將USB接口采集到的圖像經(jīng)CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)；使用VB開(kāi)發(fā)了軟件部分，利用計(jì)算機(jī)并口發(fā)送步進(jìn)電機(jī)控制指令，實(shí)現(xiàn)儀器載物臺(tái)的計(jì)算機(jī)控制，對(duì)聚焦所得的清晰圖像進(jìn)行分析，利用長(zhǎng)度法計(jì)算接觸角值；以不同探測(cè)液下的接觸角值為基礎(chǔ)，可計(jì)算材料表面能。 【創(chuàng)新點(diǎn)】 （1）軟件硬件相結(jié)合。硬件部分獲得的清晰圖像由軟件處理得到精確數(shù)據(jù)，無(wú)需人工計(jì)算，誤差小。 （2）相比于市售接觸角測(cè)量?jī)x，本儀器制作成本共計(jì)80元，預(yù)算投資回報(bào)率492.1%，經(jīng)濟(jì)效益顯著；儀器運(yùn)行功率為2.5w ，而市售測(cè)量?jī)x的功率平均為660w，能節(jié)約大量電能。 【技術(shù)關(guān)鍵】?jī)x器整體設(shè)計(jì)、圖像獲取光路設(shè)計(jì)和機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制作、整體裝配。 【主要技術(shù)指標(biāo)】本儀器測(cè)量數(shù)據(jù)誤差小，以市售精密儀器測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)確值，相同測(cè)量條件下自制儀器測(cè)量誤差小于0.05°；載物臺(tái)在計(jì)算機(jī)帶動(dòng)下可在三維方向上自由移動(dòng)，精度為0.524mm。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 【作品科學(xué)性】本測(cè)量?jī)x主要材料包括攝像頭、CCD等。根據(jù)合理的電路、光路設(shè)計(jì)裝配成儀器的硬件，計(jì)算機(jī)通過(guò)并口向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送特殊代碼指令，以控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)載物臺(tái)在三維方向上自由移動(dòng)，移動(dòng)精度為0.524mm，精確聚焦，獲得清晰圖像。軟件采用長(zhǎng)度法編寫代碼，只需選擇圖像輪廓的3個(gè)邊界點(diǎn)，即可快捷方便獲得接觸角值，根據(jù)接觸角和表面能的基礎(chǔ)理論進(jìn)行軟件代碼編譯，軟件自動(dòng)計(jì)算出表面能值。 【作品先進(jìn)性】 （1）利用光學(xué)系統(tǒng)和CCD結(jié)合，使液滴的影像清晰地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，可在瞬間將圖像存儲(chǔ)下供測(cè)量使用，避免因液體蒸發(fā)造成測(cè)量失敗。 （2）獨(dú)特的液滴觀測(cè)角的調(diào)正技術(shù)，隨時(shí)可以觀測(cè)液滴的形態(tài)； （3）創(chuàng)新的軟件設(shè)計(jì)支持用戶在任何時(shí)間都可以測(cè)量事先保存好的液滴圖像；相比市售測(cè)量?jī)x，本儀器顯著進(jìn)步在于無(wú)需高額制作成本即可實(shí)現(xiàn)幾萬(wàn)元儀器的主要功能，并節(jié)約材料和電能。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月獲省級(jí)“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 尋找資金開(kāi)發(fā)或合作開(kāi)發(fā)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 【使用說(shuō)明及適用范圍】 （1）樣品厚度均勻，尺寸為0～25mm ，徑向小于50mm； （2）液滴半徑為2～8mm 。 【技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)】本儀器軟件與硬件相結(jié)合，簡(jiǎn)單實(shí)用；載物臺(tái)軟件控制，移動(dòng)精度達(dá)到0.524mm；計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，效率高。以市售精密儀器的測(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值，自制儀器誤差小于0.05°，數(shù)據(jù)可靠。 【經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)和推廣前景】據(jù)調(diào)查市售測(cè)量?jī)x的平均報(bào)價(jià)為4萬(wàn)元，功率平均為660W ，適合大型實(shí)驗(yàn)室的精密測(cè)量。相比之下，全國(guó)高校更青睞于使用低成本，操作簡(jiǎn)單的測(cè)量?jī)x。本設(shè)計(jì)建立計(jì)算投資回報(bào)率（ROI）模型以估算本儀器測(cè)試相對(duì)于市售儀器的效益。市售測(cè)量?jī)x的固定成本按售價(jià)的60%、腳本執(zhí)行次數(shù)按2000次進(jìn)行計(jì)算，可得本測(cè)量?jī)x的ROI為492.1%，經(jīng)濟(jì)效益高。將本儀器用于全國(guó)各大高校，經(jīng)計(jì)算每年節(jié)約19.5萬(wàn)度電能。由于大部分制作材料還可來(lái)源于廢舊軟驅(qū)、光驅(qū)等，故本儀器的推廣將改善我國(guó)電子垃圾的處理現(xiàn)狀。綜上，本儀器推廣前景廣闊。
同類課題研究水平概述
- 接觸角是材料表面分析中最靈敏的參數(shù)之一[1],通過(guò)接觸角的測(cè)量,可以獲得材料表面固-液、固-氣界面相互作用的許多信息。接觸角的測(cè)量方法有多種,其中長(zhǎng)度法和量角法是應(yīng)用較為廣泛的兩種。為得出更為準(zhǔn)確的接觸角值，量高法、長(zhǎng)度法測(cè)接觸角技術(shù)均得到了進(jìn)一步的完善；接觸角測(cè)量?jī)x市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，國(guó)內(nèi)外對(duì)接觸角測(cè)量?jī)x的研究和開(kāi)發(fā)也越來(lái)越深入[2]。 OCA系列視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x是德國(guó)dataphysics公司研發(fā)的接觸角測(cè)定系統(tǒng)，該系列接觸角測(cè)量?jī)x采用先進(jìn)的光學(xué)視頻測(cè)量技術(shù)和各類專用的分析軟件，是性能最好、最專業(yè)的接觸角測(cè)量?jī)x。OCA20視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x是OCA系列測(cè)量?jī)x中的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，是最具競(jìng)爭(zhēng)力的科研儀器。該儀器主要特點(diǎn)有：樣品臺(tái)的X、Y、Z軸可精確定位；注射針的定位由軟件控制，水平位移精度0.005mm，垂直位移精度0.01mm； CCD視頻系統(tǒng)可獲得高清晰圖像；高性能分析軟件齊全等。儀器功能主要有：測(cè)量動(dòng)、靜態(tài)接觸角；計(jì)算固體的表面自由能及其組成等。接觸角測(cè)量精度可達(dá)：±0.1°。 如此具有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)備，操作繁雜，造價(jià)昂貴（售價(jià)十幾萬(wàn)），維護(hù)費(fèi)用高，附件多，體積龐大，耗費(fèi)材料且用電量大。若能夠以極低的成本獲取高品質(zhì)的測(cè)量?jī)x，簡(jiǎn)單操作而獲得精確的接觸角值，將會(huì)大大提高實(shí)驗(yàn)效率，方便應(yīng)用，并對(duì)節(jié)約材料，構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)具有重要意義。 鑒于此，本團(tuán)隊(duì)研制了一款使用簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、節(jié)約材料和電能的接觸角-表面能測(cè)量?jī)x，通過(guò)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的智能性能，既能夠簡(jiǎn)單操作又能獲得精確的接觸角數(shù)據(jù)，計(jì)算出材料表面能等一些表征材料表面性能的數(shù)據(jù)，避免復(fù)雜操作，測(cè)得數(shù)據(jù)精確，然后計(jì)算機(jī)將圖像和接觸角測(cè)量值、表面能值等信息存儲(chǔ)起來(lái)，以備實(shí)驗(yàn)后查閱和比對(duì)。 參考文獻(xiàn) [1]丁曉峰,管蓉,陳沛智.接觸角測(cè)量技術(shù)的最新進(jìn)展[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè).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.
