接觸角測量儀標定和校準方法(15問)-儀器百科

時間：2025-10-11 閱讀：17092

　　1、接觸角測量儀的測試標準有哪些？

　　目前*接觸角測量儀采用了一些ISO、ASTM以及GB的測試標準如下所示。可以很明確的看出，這些測試標準均為應用接觸角測量儀的標準，而非接觸角測量儀或水滴角測量儀本身檢測、檢定、標定或校準的任何一種計量或核實其性、性的標準。應用接觸角測量儀的這些標準中，也僅僅提供了一種基礎的測試接觸角值的方法，即θ/2法(或寬高法WH method)。這種方法的提出已經100年左右歷史，在實際應用中受液滴體積控制、滯后的接觸角影響、沒有界面化學數學模型作為依據等等，已經被淘汰。

　　2、接觸角測量儀所需要評定的指標有哪些？所采用的手段有哪些？采用計量學里的檢定還是校準？

　　接觸角測量儀是一種測試液-固(或液-液-固)接觸角值以及液-氣(或液-液)表面張力/界面張力的分析測試儀器。水滴角測量儀是一種特指一種測試蒸餾水或超純水在固體表面形成水滴的接觸角值，進而評估被測試固體樣品表面清潔度、固體表面自由能等指標的分析測試儀器。

　　因而，接觸角測量儀所需要評定的指標包括兩項：接觸角值和表面張力值。這兩個指標項涉及的計量類別分別是：第8類-幾何量計量：又可稱為長度計量，就是對物體的幾何尺寸、位置和角度的測量；和第10類-化學計量：又稱物理化學計量，是指對各種物質的成分和物理特性、基本物理常數的分析、測量。

　　所以，接觸角測量儀的評定采用的方法可采用：

　　(1)接觸角值：直接測量已知幾何尺寸的物體的值，并采用接觸角測量儀再次檢測，從而評估接觸角測量儀的性或示值誤差。

　　(2)表面張力或界面張力值：測試已知表面張力或界面張力值的標準液體，評估接觸角測量儀的性或示值誤差。事實上，已知表面張力值或界面張力值同樣是指采用了其他方法測試所得的值，如Wilhelmy Plate法或DuNouy環法等。

　　從以上來看，兩項指標均只是用于評判是否符合要求，也無法對于偏差值進行修正，因而接觸角測量儀采用的是計量學里的檢定，而是校準。

　　3、接觸角測量儀的基礎標定工具是什么？

　　接觸角測量儀的基礎工具為標定棒，材質為陶瓷或鎢鋼。接觸角測量儀或水滴角測量儀作為一個以視頻影像法測試角度和表面張力這個物理化學性質的分析測試儀器，其識別的是像素值。因而，我們需要將這個像素值轉換成mm，即相應的放大率值。

　　美國科諾提供的標定棒及其控制系統套件如下圖所示：

　　采用標定棒的優點包括：

　　(1)標定棒的精度高，通常為0.001mm。

　　(2)可以標定出鏡頭、樣品臺的傾斜度。

　　美國科諾同時可以提供紅寶石球的，球度可達0.15um。由于紅寶石球無法標定出傾斜度，通常不被美國科諾使用于基礎性的像素標定。美國科諾會使用紅寶石球作為接觸角標定的工具。如后文所述。目前，有部分友商也提供了紅寶石球校定工具，這個校定工具即可標定像素用的工具，而非美國科諾后文所述的標定接觸角值的工具。

　　4、接觸角測量儀檢定表面張力或界面張力值的工具有哪些？

　　目前接觸角測量儀的檢定工具包括標準板和標準液兩種。

　　(1)標定板：標定板是指通過將擬合一些標準值的Young-Laplace曲線后，再將這些Young-Laplace曲線鍍到一個玻璃片上的標定工具。如下圖所示為美國科諾提供的標定板。

　　提醒注意的是，表面張力標定板并非僅僅是一個玻璃板而已，而是一個套件。這個套件應包括：(1)玻璃板；(2)固定支架；(3)水平向通過微分頭控制可微調角度的旋轉平臺；(4)微分頭控制的二維水平控制平臺(如果接觸角測量儀本身沒有這個水平調整平臺，或調整精度不夠時必須要有這個部件)。非美國科諾提供的標定板通常僅僅是一個玻璃板或提供一個支架。這樣的情況下無法修正傾斜角度(多維度情況)，無法評估出三維體系中存在多維度傾斜等情況條件下的接觸角測量儀測試表面張力或界面張力誤差值，影響終的標定結果。具體參考接觸角標定部分的論述。

　　(2)檢定表面張力或界面張力值所采用的標準液

　　通常情況下，采用的標準液應包括：蒸餾水、苯(分析純)、乙二醇等。也可以根據可查詢的數據自行配比。

　　目前為嚴格的方法為，測試不同溫度條件下蒸餾水的表面張力值，因為，不同溫度條件下表面張力的變化量不是很大，且蒸餾水的易受污染，表面張力測值難度非常大。這種方法更考驗接觸角測量儀的設計和加工精度。

　　6、接觸角測量儀檢定接觸角值的工具有哪些？

　　接觸角測量儀的檢定工具根據研發和應用時間的先后來講，主要分為三種：(1)顯微鏡用分劃板、(2)角度標定板和(3)接觸角測量儀檢定工具。

　　(1)顯微鏡用分劃板：采用了顯微鏡的分劃板，通過接觸角測量儀量測其中橫向和縱向方向0.01mm精度的刻度線形成不同的組合，并采用θ/2法(或稱寬高法/WH法)測試得到接觸角值。終將測試得到的接觸角值與計算得到的接觸角值進行比較，得到檢定結果即偏差值。

　　(2)角度標定板。角度標定板分為兩種，一種是基礎的，即用CAD畫出不同接觸角度值的圓形后，再將其鍍到玻璃板上；另一種是型的，通過軟件擬合得到的Young-Laplace曲線后，將曲線輪廓鍍到玻璃板上，美國科諾提供的Young-Laplace曲線擬合的標定板實際圖片如上表面張力標定部分所示。基礎型的標定板如下所示：

　　(3)接觸角測量儀檢定工具：是一種將紅寶石球或不銹鋼球放到一個深度不同的洞里，形成一個球冠，通過測量高出洞部分的球冠的高度以及球的直徑，計算得出接觸角值。再通過接觸角測量儀測試同一個球冠的接觸角值，與計算得出的接觸角值進行對比，終評估出偏差值作為檢定的終結果。

　　7、接觸角測量儀檢定接觸角值的工具各自的優缺點？

　　如上所述三種接觸角檢定工具的優缺點非常明顯，概括而言就是二維條件下的標定無法實現對于整體接觸角測量儀的檢定或評估其測值偏差、精度等；而三維條件下的測量才是真正評估接觸角測量儀的合適辦法，且檢定結果直觀明了。具體如下表所示：

　　8、接觸角測量儀的光學成像系統精度與儀器整體的精度究竟是哪個數量級或多少值？

　　接觸角測量儀的精度就光學部分而言，取決儀器采用的顯微鏡頭與相機，即一旦相機及顯微鏡頭的放大倍率確認后，其分辨率即多少mm就已經確認。注意的是，放大率不是表面看的0.7-4.5X這樣的值，而要綜合考慮接筒放大率、物鏡放大率。0.7-4.5X僅僅是指鏡頭主體的曲線所采用的放大率變化范圍。

　　而且，接觸角的測量需要考慮到液滴量大小、角度值大小等綜合因素，這個通常會通過視野范圍來體現。目前，為測試多液滴的接觸角值并進而實現全自動表面自由能測值，視野范圍正在進一步放大，而視野范圍的放大即意味著分辨率的降低。

　　比如采用了如下配置的一種接觸角測量儀，其有效分辨率通常為0.01mm左右。有效像素是指可以有效被識別出來，而通常不能以一個像素作為評判標準。

　　美國科諾對2-10微升級別的液滴形成的不同角度范圍的接觸角由于光學分辨率(0.01mm精度或更低)而導致的偏差值進行了整體分析。結論如下所示：

　　(1)球冠的高度精度為0.005mm 時，接觸角值偏差標準差小于0.4度；高度精度為0.01mm時，接觸角值偏差值標準差小于0.8度；高度精度為0.02mm時，接觸角值偏差值小于0.8度。而且，接觸角值大于100°后，偏差值明顯增大，通常情況下，高度精度為0.01mm時，接觸角值此時的偏差值為2°左右。接觸角值的偏差換算成百分比后，標準差為1.1%左右，大百分比為5%左右，為小接觸角值時，小百分比為0.5%左右。

　　(2)球冠的直徑精度為0.01時，接觸角值偏差小于1度；高度精度為0.02時，接觸角值偏差小于2度。

　　通過表面自由能分析模型Equation of State可以分析得出，以120°接觸角值作為基數2°接觸角的誤差換算成表面自由能而言，其能量值為0.54mN/m。這個值可以忽略不計。

　　綜合如上所示，當接觸角測量儀的光學精度分辨率或誤差為0.01mm時，事實上接觸角值的標準差為0.8度，大接觸角的偏差已經為2.5度了。所以，接觸角測量儀的檢定標準應設計為誤差百分比不大于2%左右，小于10的不大于5%。

　　從如上分析也可以看出，所謂的達到0.01°角度精度的描述是不科學的說法。

　　具體數據圖表如下所示：

　　9、接觸角測量儀的標定板為何無法用于檢定接觸角測量儀？

　　我們實際測試采用接觸角標定板作為檢定工具的接觸角測量儀，并通過不斷的變化傾斜角度，實現多維傾斜角度條件下的接觸角測值。終發現，接觸角的變化范圍非常小，如視頻資料所示。對于58°左右的一個標定板的測值，變化多維度傾斜角度后，接觸角測值變化范圍為58.1-58.93之間。

　　如下所示。http://v.youku.com/v_show/id_XMzA2Mjg5ODIyOA==.html

　　非常明顯的，在傾斜條件下高度A遠小于高度B，且如果向上傾斜時，水平基線不會被看到，因而角度值會明顯偏小。而這些在一個薄薄一層角度二維圖像中是無法體現的。

　　整體接觸角測量儀一定會包括樣品上表面的水平程度、鏡頭的傾斜角度、整機的加工精度和控制精度、光學系統的分辨率等等。其平面二維圖片的精度無法體現整體接觸角的加工以及控制精度，因而板定板在多維度傾斜角度變化的測試中是無效的，不能作為檢定接觸角測量儀的工具使用。

　　而同樣的條件下，采用接觸角檢定工具測試接觸角值為49度的樣品，通過變化傾斜后馬上發現變化范圍非常大約為10度左右的變化，從49度-39度。如下圖所示：

　　10、接觸角測量的誤差或精度是由于什么導致的？接觸角測量儀檢定的意義是什么？

　　通過如上分析，我們很明顯的可以得出結論，接觸角測量儀的精度由多種原因導致，但是，如為計量而言，我們可以通過檢定評估出光學成像系統的精度是多少以及其此可能導致的偏差值會是多少？評估出整體接觸角測量儀的實際偏差值是多少？

　　而在重多的因素中，重要的影響因素顯然是由于樣品表面表面不水平，進而提出的對于樣品臺水平控制的精度要求以及鏡頭傾斜角度控制精度的要求。

　　接觸角測量儀檢定的意義也正在于此。通過檢定，可以評估出交付使用的接觸角測量儀的整體加工、控制精度以及測值的偏差范圍。當然，這種檢定的成功是建立在采用接觸角標定工具(紅寶石標定球或不銹鋼標定球)的基礎上的。接觸角標定板是無法實現本目的的。

　　11、為何不采用將球固定在不同直徑的洞內從而形成不同高度球冠的方法制作標定工具？

　　如果采用不同直徑洞的方法的話，會存在如下幾個問題：

　　(1)洞的加工精度及洞的需求量無法滿足很多個洞且實現精度0.01或0.02增量變化的要求。

　　(2)球固定后，無法測量球的直徑值。

　　綜合而言，不同直徑洞的方式的操控性一般，遠不如板定工具通過微分頭控制球升降方式方便，角度的數量也遠低于檢定工具。

　　12、接觸角標定工具的操作辦法或流程是什么？

　　校準工具的操作辦法包括：

　　(1)采用數顯千分尺測量紅寶石球或不銹鋼球的直徑值。測試3-5次值并取平均值。直徑值的精度取0.001mm位。

　　(2)采用數顯高度尺測量球所在洞的上表面位置的高度值，并設置歸零。重復歸零3-5次。

　　(3)采用數顯高度尺測量球冠的高度值，重復測試3-5次并取平均值，取值精度位為0.01mm

　　(4)將球的直徑值以及球冠的高度值輸入到EXCEL表格中，計算出相應的接觸角值；

　　(5)采用接觸角測量儀測試該球冠的接觸角值。如果偏差非常大時，調整樣品臺的水平直至偏差值達到目標要求。

　　(6)調整檢定工具的微分頭，升或降至目標高度后停止，并將高度值輸入EXCEL表格。

　　(7)測試此時球冠的接觸角值，并作測值數據對比。

　　(8)重復6-7直到數量量達到要求時停止。建議測試數據量不小于5個。

　　(9)出具檢定結果，達到測值偏差小于2%時，視為滿足要求，檢定合格。當然，如果樣品臺水平調整更好的時候，接觸角的偏差范圍會更小。美國科諾實現了接觸角值變化標準差小于1度的操作。但與此同時，也提高了接觸角測試操作的難度。用戶可根據實際的需求情況進行調整。

　　12、接觸角測量儀或水滴角測量儀的檢定還需要注意的事項有哪些？

　　接觸角測量儀的檢定僅僅是評估接觸角測量儀本身精度的一種手段。作為接觸角測量，特別是水滴角測量而言，為提升測值結果的重現性，進行不同時間樣品的對比測試，除了進行必要的檢定外，更為關鍵的在于一定要確保測試用水的干凈或前后一致。我們已經多次發現測值結果重現性差是由于測試所用水被污染所造成的。

　　而檢測蒸餾水是否被污染的方法非常簡單，采用ADSA- RealDrop算法，直接測試注射器里蒸餾水的表面張力值。如果測試值高于70mN/m，則說明蒸餾水是干凈的。

　　測試蒸餾水表面張力值的操作我們建議每天或每更換一次測試液時進行一次。

　　如果不干凈，則采用超聲波清洗機清洗針頭以及注射器，直到測得符合要求的表面張力值為止。

　　13、接觸角測量儀檢定何時進行，多久進行一次？

　　接觸角測量儀的檢定通常情況下在新采購儀器時進行一次。每年檢定一次。

　　對于測試樣品平整度近似的用戶，檢定工作可以減少。但對于測試樣品變化非常多的用戶而言，檢定工作就非常重要了。建議提高檢定工作的頻率。

　　14、接觸角測量儀的檢定工具操作中測量高度和直徑的操作比較麻煩，有沒有更為簡單的辦法？

　　更為簡單的辦法有。

　　為簡單的辦法為，購買時檢定完成后，測試出該接觸角測量儀的大、小誤差值。在每次測量時，盡量調整樣品臺的水平，使得樣品的上表面保持水平。這個可以大大提升高度值的測值精度。

　　美國科諾提供的EXCEL工具中有一個高度標定算法，可以通過測試未知高度值的球冠的接觸角值，并使用該接觸角值標定高度的方法實現。這樣的操作可以避免麻煩的測量工作，特別是球冠測量操作。

　　當然，更為有效的辦法是，采用美國科諾3D接觸角模塊，即可以避免接觸角測量儀測量精度差的問題。

　　15、樣品臺不水平或樣品表面不水平影響到接觸角測量的哪些方面？

　　會影響兩個方面。

　　1、由于視角傾斜而導致的接觸角值變化。通過如上的描述可以看出，這個變化值導致的接觸角變化是為明顯的，偏差值可能會非常大。

　　2、由于左、右傾斜導致形成左、右接觸角值的偏差而形成非軸對液滴。而此時采用圓、橢圓或Young-Laplace方程擬合等要求軸對稱液滴的算法計算接觸角值時出現接觸角值測值偏差。這種偏差在大于120度角度值時可能為3-5度，大于140度時可能為8-10度。

　　后者可以通過采用ADSA-RealDrop算法，計算得到的修正接觸角滯后影響的本征接觸角值得到更為確確的角度值。

美國科諾工業有限公司（戰略合作伙伴：上海梭倫信息科技有限公司）

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