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接触角测量仪的光学成像系统精度与仪器整体的精度究...

2020.8.10

接触角测量仪的光学成像系统精度与仪器整体的精度究竟是哪个数量级或多少值？

接触角测量仪的精度就光学部分而言，取决仪器采用的显微镜头与相机，即一旦相机及显微镜头的放大倍率确认后，其分辨率即多少mm就已经确认。注意的是，放大率不是表面看的0.7-4.5X这样的值，而要综合考虑接筒放大率、物镜放大率。0.7-4.5X仅仅是指镜头主体的曲线所采用的放大率变化范围。

而且，接触角的测量需要考虑到液滴量大小、角度值大小等综合因素，这个通常会通过视野范围来体现。目前，为测试多液滴的接触角值并进而实现全自动表面自由能测值，视野范围正在进一步放大，而视野范围的放大即意味着分辨率的降低。

比如采用了如下配置的一种接触角测量仪，其有效分辨率通常为0.01mm左右。有效像素是指可以有效被识别出来，而通常不能以一个像素作为评判标准。

300像素	0.5X物镜	0.01mm时像素	3像素时mm	5像素时mm
4.5X	0.001502	6.659760249	0.004504667	0.00750778
3X	0.002252	4.439840166	0.006757	0.01126167
2X 放大	0.003379	2.959893444	0.0101355	0.0168925
1X	0.006757	1.479946722	0.020271	0.033785
0.7X	0.009653	1.035962705	0.028958571	0.04826429

对2-10微升级别的液滴形成的不同角度范围的接触角由于光学分辨率（0.01mm精度或更低）而导致的偏差值进行了整体分析。结论如下所示：

（1）球冠的高度精度为0.005mm 时，接触角值偏差标准差小于0.4度；高度精度为0.01mm时，接触角值偏差值标准差小于0.8度；高度精度为0.02mm时，接触角值偏差值小于0.8度。而且，接触角值大于100°后，偏差值明显增大，通常情况下，高度精度为0.01mm时，接触角值此时的偏差值为2°左右。接触角值的偏差换算成百分比后，标准差为1.1%左右，zui大百分比为5%左右，为小接触角值时，zui小百分比为0.5%左右。

（2）球冠的直径精度为0.01时，接触角值偏差小于1度；高度精度为0.02时，接触角值偏差小于2度。

通过表面自由能分析模型Equation of State可以分析得出，以120°接触角值作为基数2°接触角的误差换算成表面自由能而言，其能量值为0.54mN/m。这个值完全可以忽略不计。

综合如上所示，当接触角测量仪的光学精度分辨率或误差为0.01mm时，事实上接触角值的标准差为0.8度，zui大接触角的偏差已经为2.5度了。所以，接触角测量仪的检定标准应设计为误差百分比不大于2%左右，小于10的不大于5%。

从如上分析也可以看出，所谓的达到0.01°角度精度的描述是不科学的说法。

具体数据图表如下所示：

水滴角测量仪标定工具