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基本信息
- 項目名稱：
- 低成本接觸角-表面能測量儀的研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本設(shè)計利用CCD、步進(jìn)電機等，經(jīng)數(shù)據(jù)采集、機械控制系統(tǒng)的制作，光路、電路的設(shè)計，裝配成測量儀的硬件，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；使用VB.2010開發(fā)了儀器軟件，利用計算機并口發(fā)送步進(jìn)電機控制指令，實現(xiàn)儀器載物臺的計算機精確控制，對聚焦所得的清晰圖像進(jìn)行分析，利用長度法計算接觸角，誤差小于0.05°，以不同探測液下的接觸角值為基礎(chǔ)可計算出材料表面能。
- 詳細(xì)介紹：
- 采用軟件硬件相結(jié)合的方法，本設(shè)計利用步進(jìn)電機、CCD等，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、機械控制系統(tǒng)的制作，光路、電路的設(shè)計，多次校正、調(diào)整，裝配成測量儀的硬件，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；使用Microsoft Visual Basic 2010開發(fā)了Windows操作環(huán)境下的軟件，利用計算機并口發(fā)送步進(jìn)電機控制指令，實現(xiàn)儀器載物臺的計算機控制，精確聚焦，對聚焦所得的清晰圖像進(jìn)行分析，利用長度法計算接觸角平均值。以市售標(biāo)準(zhǔn)測量儀所測數(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： （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，USB供電，安全穩(wěn)定；利用高精密CCD結(jié)合非對稱透鏡組來獲取高保真、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。軟件部分采用計算機編程，實現(xiàn)自動三維度控制載物臺，操作更方便快捷；利用計算機自動處理數(shù)據(jù)，正確無誤，無需人工計算，實驗效率高。 （3）制作材料少，來源廣，制備工具簡單，制作成本為80元，預(yù)算投資回報率492.1%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 （4）耗電量低，節(jié)約電能。本儀器運行功率2.5W，而市售測量儀的功率平均為660W，全國高校每年可節(jié)約19.5萬度電能。 （5）以市售精密儀器的測量結(jié)果為準(zhǔn)確值，本儀器誤差小于0.05°。 （6）簡單實用，性能優(yōu)良且造價低廉，適于推廣使用。目前該儀器已用于本校實驗教學(xué)及科研前期工作中。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 【作品設(shè)計、發(fā)明的目的】接觸角的測量在材料防護(hù)、化妝品、油墨工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，但目前大部分測量接觸角和表面能的儀器操作繁雜，造價昂貴，維護(hù)費用高，附件多，體積龐大，耗費材料且用電量大。鑒于此，本團(tuán)隊研制了此款造價便宜、操作簡單、小巧精致、節(jié)約材料和電能的接觸角-表面能測量儀。 【基本思路】采用軟件硬件相結(jié)合的方法，本設(shè)計利用步進(jìn)電機、CCD等，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、機械控制系統(tǒng)的制作，光路、電路的設(shè)計，多次校正、調(diào)整，裝配成測量儀的硬件，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；使用VB開發(fā)了軟件部分，利用計算機并口發(fā)送步進(jìn)電機控制指令，實現(xiàn)儀器載物臺的計算機控制，對聚焦所得的清晰圖像進(jìn)行分析，利用長度法計算接觸角值；以不同探測液下的接觸角值為基礎(chǔ)，可計算材料表面能。 【創(chuàng)新點】 （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)，無需人工計算，誤差小。 （2）相比于市售接觸角測量儀，本儀器制作成本共計80元，預(yù)算投資回報率492.1%，經(jīng)濟(jì)效益顯著；儀器運行功率為2.5w ，而市售測量儀的功率平均為660w，能節(jié)約大量電能。 【技術(shù)關(guān)鍵】儀器整體設(shè)計、圖像獲取光路設(shè)計和機械控制系統(tǒng)設(shè)計及制作、整體裝配。 【主要技術(shù)指標(biāo)】本儀器測量數(shù)據(jù)誤差小，以市售精密儀器測量結(jié)果為準(zhǔn)確值，相同測量條件下自制儀器測量誤差小于0.05°；載物臺在計算機帶動下可在三維方向上自由移動，精度為0.524mm。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 【作品科學(xué)性】本測量儀主要材料包括攝像頭、CCD等。根據(jù)合理的電路、光路設(shè)計裝配成儀器的硬件，計算機通過并口向步進(jìn)電機發(fā)送特殊代碼指令，以控制步進(jìn)電機帶動載物臺在三維方向上自由移動，移動精度為0.524mm，精確聚焦，獲得清晰圖像。軟件采用長度法編寫代碼，只需選擇圖像輪廓的3個邊界點，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，軟件自動計算出表面能值。 【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算機屏幕上，可在瞬間將圖像存儲下供測量使用，避免因液體蒸發(fā)造成測量失敗。 （2）獨特的液滴觀測角的調(diào)正技術(shù)，隨時可以觀測液滴的形態(tài)； （3）創(chuàng)新的軟件設(shè)計支持用戶在任何時間都可以測量事先保存好的液滴圖像；相比市售測量儀，本儀器顯著進(jìn)步在于無需高額制作成本即可實現(xiàn)幾萬元儀器的主要功能，并節(jié)約材料和電能。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月獲省級“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 尋找資金開發(fā)或合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 【使用說明及適用范圍】 （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)特點和優(yōu)勢】本儀器軟件與硬件相結(jié)合，簡單實用；載物臺軟件控制，移動精度達(dá)到0.524mm；計算機自動處理數(shù)據(jù)，效率高。以市售精密儀器的測量結(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)測和推廣前景】據(jù)調(diào)查市售測量儀的平均報價為4萬元，功率平均為660W ，適合大型實驗室的精密測量。相比之下，全國高校更青睞于使用低成本，操作簡單的測量儀。本設(shè)計建立計算投資回報率（ROI）模型以估算本儀器測試相對于市售儀器的效益。市售測量儀的固定成本按售價的60%、腳本執(zhí)行次數(shù)按2000次進(jìn)行計算，可得本測量儀的ROI為492.1%，經(jīng)濟(jì)效益高。將本儀器用于全國各大高校，經(jīng)計算每年節(jié)約19.5萬度電能。由于大部分制作材料還可來源于廢舊軟驅(qū)、光驅(qū)等，故本儀器的推廣將改善我國電子垃圾的處理現(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],通過接觸角的測量,可以獲得材料表面固-液、固-氣界面相互作用的許多信息。接觸角的測量方法有多種,其中長度法和量角法是應(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、長度法測接觸角技術(shù)均得到了進(jìn)一步的完善；接觸角測量儀市場競爭愈發(fā)激烈，國內(nèi)外對接觸角測量儀的研究和開發(fā)也越來越深入[2]。 OCA系列視頻光學(xué)接觸角測量儀是德國dataphysics公司研發(fā)的接觸角測定系統(tǒng)，該系列接觸角測量儀采用先進(jìn)的光學(xué)視頻測量技術(shù)和各類專用的分析軟件，是性能最好、最專業(yè)的接觸角測量儀。OCA20視頻光學(xué)接觸角測量儀是OCA系列測量儀中的標(biāo)準(zhǔn)型號，是最具競爭力的科研儀器。該儀器主要特點有：樣品臺的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：測量動、靜態(tài)接觸角；計算固體的表面自由能及其組成等。接觸角測量精度可達(dá)：±0.1°。 如此具有競爭力的設(shè)備，操作繁雜，造價昂貴（售價十幾萬），維護(hù)費用高，附件多，體積龐大，耗費材料且用電量大。若能夠以極低的成本獲取高品質(zhì)的測量儀，簡單操作而獲得精確的接觸角值，將會大大提高實驗效率，方便應(yīng)用，并對節(jié)約材料，構(gòu)建節(jié)約型社會具有重要意義。 鑒于此，本團(tuán)隊研制了一款使用簡單、造價便宜、節(jié)約材料和電能的接觸角-表面能測量儀，通過與計算機的結(jié)合，利用計算機強大的智能性能，既能夠簡單操作又能獲得精確的接觸角數(shù)據(jù)，計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，測得數(shù)據(jù)精確，然后計算機將圖像和接觸角測量值、表面能值等信息存儲起來，以備實驗后查閱和比對。 參考文獻(xiàn) [1]丁曉峰,管蓉,陳沛智.接觸角測量技術(shù)的最新進(jìn)展[J].理化檢驗-物理分冊.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.
