表面清潔度分析儀定義：

稱重法表面清潔度分析儀的優缺點：

接觸角分析技術下的表面清潔度儀是如何工作的

我們可以通過測定接觸角值來分析固體的表面自由能（surface energy, γ）。但為測定表面自由能，我們必須選擇一個符合要求的固液體系以及一個相對應的數學模型。但是，有時候我們可能不需要這么復雜，因為，我們發現一個簡單的用二次蒸餾水相對于固體表面的接觸角值就可以相應的描述出我們需要的這個固體的物理化學性質。這是由于，大多數情況下，由于污染物的存在，我們所測得的表面自由能值也會不一樣。特別是當存在有機污染物時，這個現象就更為明顯。而這些污染物恰恰是我們想方設法將他清潔掉的。如下所圖所示：

1、為何污染物能夠改變接觸角值呢？
從理論分析，這個原因很簡單，那就是如果污染物的表面自由能與清潔的固體材料的表面自由能不一樣的話，接觸角值肯定也會不同。從物理化學學科來講，接觸角值是描述界面自由能性質的一個重要指標，大多數的污染物相對而言，一定會與清潔固體材料有不同的化學性質和不同表面自由能。應用層次上，我們的科學家和生產廠通過大多數的實驗也證實了這個理論。
2、污染物通過何種方法改變接觸角值的?
金屬材料和半導體材料（半金屬材料）以及他們的氧化物，通常具有高能表面－高表面自由能值。而與之不同的是，油脂、石油、碳氫化合物以及聚合物通常具有低表面自由能值。所以，在應用接觸角值分析表面清潔度時，我們假設當清潔材料是金屬和半導體材料時，污染物是油脂、石油、碳氫化合物以及聚合物；同理，當清潔材料是鐵氟龍、聚合物以及低能表面金屬時，污染物是高表面自由能的金屬材料，他們污染底材的方法是通過提升表面自由能實現的。而這里，我們不得不提及的是，LCD玻璃底材的表面自由能事實上不高，但他的接觸角值恰恰能夠是一個低接觸角值。而不同的是，如果玻璃受有機物污染后，這個接觸角值就會明顯變大。
所以，我們必須明確我們的底材的表面性質，而此時，您可能必須先了解一下相關的物理化學方面的知識。
3、假如表面自由能是不同的，那么，他們如何改變接觸角值的？
Girifalco-Good-Fowkes-Young理論給了我們一個很簡單的理解方式，這個公式中，我們可以非常明顯的看到有如下關系存在：

通常情況下，一個普通的表面暴露在空氣中（不是在真空環境下），其表面自由能會從73降低到18.您可以看一下，其表面自由能的變化值。
提醒您注意的是，如下鉑金和鋁合金的表面自由能值不會是這個值。這僅僅是依據接觸角值選用的一種數學模型估算出來的值。恰恰是這個數學模型不符合這樣的樣品測值，所以才會出現這樣的估算結果。
4、單層污染物分子對接觸角變化值的敏感性如何？
通過表面自由能的理論，我們就可以看到，接觸角以及表面自由能本身所描述的恰恰是單層分子的力。考慮到表面均勻度（受污染程度區別），我們多測試到的力為2－3個的分子層力。在物理化學研究領域，恰恰是分析這個分子層表面如吸附，電化學等性質。
5、我們需要測試多大空間的接觸角值？
通常，我們使用2uL左右的液滴滴于固體材料表面，分析這滴液滴在固體材料表面所形成的接觸角值。而由于應用領域為分析表面清潔度，所以，我們必須分析多個點的接觸角值，方可以得出清潔度情況。我們建議的測試范圍為，測試被測固體材料表面3－10個點的接觸角值，然后分析其接觸角變化情況，用以確定是否符合清潔度要求。

表面清潔度分析儀采用接觸角測試技術測試時的基本原理：接觸角測試原理

表面清潔度分析儀因為測試技術不同，我們通常能夠找到多種方法測試接觸角。而應用這些接觸角測試技術，我們的生產廠就能夠生產出各種原理的表面清潔度分析儀。

 

1、影像分析法（角測量儀Goniometry）表面清潔度分析儀：

影像分析法是通過滴出一滴滿足要求體積的液體于固體表面，通過影像分析技術，測量或計算出液體與固體表面的接觸角值的簡易方法。作為影像分析法的儀器，其基本組成部分不外乎光源、樣品臺、鏡頭、圖像采集系統、進樣系統。簡單的一個影像分析法可以不含圖像采購系統，而通過鏡頭里的十字形校正線去直接相切于鏡頭里觀察到的接觸角得到。
作為動態接觸角測試系統的應用，如我們測試前進角θA和后退角θR時，我們可以通過控制進樣量來實現，如我們想測前進角θA，我們就可以增加液體量；如我們想測后退角θR時，我們可以減少液體量。當然，我們也可以讓樣品臺傾斜，直接測得傾斜角，而此時，我們必須使用高速相機進行圖像采集。
標準的影像分析系統會采用CCD攝像和圖像采集系統，同時，通過軟件分析接觸角值。

影像分析法表面清潔度分析儀的優點

影像分析法表面清潔度分析儀的缺點

2、插板法表面清潔度分析儀：

也稱傾板法表面清潔度分析儀，其原理是固體板插入液體時，只有板面與液體的夾角恰好為接觸角時液面才直平伸至三相交界處，不出現彎曲。如下圖B所示。否則，液面將出現如圖A或C所示的彎曲現象。因此，改變板的插入角度直至液面三相交界處附近無彎曲，這時，板面與液面的夾角即為接觸角。斜板法避免了作切線的困難，提高了測量的精度，但突出的缺點是液體用量較多。這在許多情況下妨礙了它的應用，且，他只能測試接觸角小于90°的樣品。 這就是這種原理的表面清潔度分析儀。
SL系列表面清潔度分析儀提供插板法供您參考。但不是非常建議您采取此種方法，原因為，此種方法的表面清潔度分析儀測試接觸角值時要求被測樣品的表面均勻度，且無法測出多點的接觸角值不同。

3、力測量法（Tensiometry）表面清潔度分析儀：

這種方法有時也被稱為Wilhelmy板法測接觸角，應用這種方法的表面清潔度分析儀主要是采用表面清潔度分析儀測試系統的表面清潔度分析儀。通常通過軟件系統的增加，實現對接觸角測試，在實際儀器采購中，通常為使用表面清潔度分析儀（Surface Tensiometer）中的稱重傳感器，同時借助軟件分析來實現測量接觸角的目的。
具體原理如下：將一個固體樣品板浸入測試液體中，由于液體的表面張力以及固體的表面自由能的作用，稱重傳感器會感測到一個向下拉的力F（Wetting force）具體計算公式如下:
F=γlgcosθP。
其中：P代表板的周長。如果知道此時測得的力是多少，我們就可以看出接觸角θ值。
當然，以上我們沒有考慮被測樣品的浮力。
如果我們提升或降低樣品浸入的深度，就可以測得后退角/前進角的值了。

（1）力測量法（Tensiometry）表面清潔度分析儀通過不斷的升降板，我們可以測得整個樣品的平均接觸角值。
（2）力測量法（Tensiometry）表面清潔度分析儀可以測得動態體系的接觸角值，主要考察隨時間變化而變化。特別對于接觸角滯后現象能夠有一個更好的觀察。

（1）力測量法（Tensiometry）表面清潔度分析儀首先得有足夠的液體量讓樣器浸入；
（2）力測量法（Tensiometry）表面清潔度分析儀樣品必須切除，且知道周長，高度等幾何參數。
（3）力測量法（Tensiometry）表面清潔度分析儀要求樣品均勻足夠小和輕。若超過傳感器的量程的話，測試是不可能完成的。
（4）力測量法（Tensiometry）表面清潔度分析儀受溫度影響較大，無法測得高溫條件下的接觸角值。

4、透過測量法表面清潔度分析儀：

接觸角分析技術概括

我們選用的常用的表面清潔度分析儀通常為影像分析法表面清潔度分析儀。而至于透過高度和稱重法表面清潔度分析儀均為表面清潔度分析儀，其應用非常明顯。如您測試的是纖維的接觸角值、想用稱重法測接觸角值，那么您選購一臺由表面張力測試技術（液體表面張力儀）的表面張力儀即可，如BZY-3型（國產儀器，關鍵部分為進口技術的傳感器）或K100（德國）或SIGMA700型（芬蘭）。而本文中，我們重點給您談的接觸角分析技術是影像法中接觸角的分析技術。而這個，恰恰是以來被客戶所忽視的。

我們通常說選購一臺表面清潔度分析儀，就以為其一定會采用什么什么分析技術，但是由于技術實力的因素，事實上，表面清潔度分析儀與表面清潔度分析儀之間，也會因接觸角分析技術的存在而相當很遠。我們希望您能夠認真的研究一下下面我們的陳述。或許對您選購表面清潔度分析儀有相當幫助。

一、概述

200年來，潤濕現象作為科學研究引起了科研工作者很多關注，特別是近年粉體科學，納米科學的發展，為潤濕現象的研究提供了更廣泛的學術氛圍。1805年，楊（Thomas Young）提出了楊氏三角方程為我們研究潤濕現象，特別是固體材料的表面、界面現象提供了為有用的科學工具。

但是，作為潤濕現象的一種研究方法，接觸角的研究以來一直停留在某個階段。從儀器開發商的角度而言，上海梭倫科技基于服務國內外表面清潔度分析儀應用的客戶的經驗，提升我們的研究實力，現自主開發了CAST3。0版本的接觸角分析軟件。作為軟件分析的者，上海梭倫科技在接觸角分析領域取得了舉足的。

二、接觸角分析技術所依據的成像硬件。

硬件的設計主要影響到接觸角分析過程的成像效果。通常，我們認為，機械設計會影響到操作的簡易性及二次污染程度。比如，是否由于手接觸角樣品而影響到接觸角的測值；操作儀器是否會人性化等。更為關鍵的是光源控制和CCD與鏡頭的結合程度。這些是影響到接觸角測值的關鍵因素。但是，正是在這些基本的設計上，國內外的表面清潔度分析儀的設計就大相徑庭。

三、接觸角分析技術的發展階段

接觸角分析技術指成像后對圖像進行分析并測值接觸角值的技術。以來，接觸角分析技術一直沒有得到廣大用戶的重視。但是，在表面清潔度分析儀主機設計的簡易性與成像效果解決的前提下，接觸角分析技術恰是表面清潔度分析儀的核心，可以說，接觸角分析技術是表面清潔度分析儀核心的核心。

*階段：以小球冠假設為前提的接觸角分析技術。

1953年左右為開始階段的接觸角分析技術通常均采用小球冠假設為前提的接觸角分析技術。這種技術國外稱為θ/2法，國內稱為量高法。其基本假設為，液滴在固體表面呈現的是一個標準球冠，表面清潔度分析儀成像系統所得為一個標準的弧形。此時，接觸角（切線與底邊的夾角）正好可以通過計算弧形的高度與寬度后取反三角函數取得。

本項技術由于操作簡便性而得到了廣大儀器廠商的廣泛采用。而作為儀器而言，本階段的儀器在的通稱上應該定義為角度分析儀或量角器。目前常見的儀器（不包括上海梭倫）即在這個階段，我們僅僅能夠稱之為量角器而已。談上分析接觸角值的精度，如一些廠家標稱的0.01度的精度，這是不可能的事情。我們認為，這個方法僅僅能夠做到1度的誤差，且這是在15度以上，15度以下的接觸角值時，誤差通常為2度左右。所測接觸角值越低，這個誤差也就越大。接觸角值越大，這個誤差就越小。

如果客戶現在選購表面清潔度分析儀，可能還必須考慮一下采用的表面清潔度分析儀中是否含有本方法。這主要是因為很多參考文獻中事實上就是以本方法來測值并公布數據的。

但是，這種方法的缺點是非常顯然的。

*、無法更好的實現自動化測值。自動化測值的關鍵技術在于敏感點的找得。而敏感點因成像的不同而會有不同的呈現。作為儀器廠商，上海梭倫科技CAST2。0解決了敏感點找得的90%的技術，已經于世界。在LCD、薄膜、玻璃等表面，CAST2。0已經解決了自動測得接觸角難點。

第二、是否是球冠受重力影響。液體量的大小不同受的重力不同，直接影響到球冠的符合程度。事實上，嚴謹的學者均不會接受這個小球冠的假設。而我們認為，如果考慮重復性，建議客戶考慮幾次液滴的量的控制，這樣至少可以理論上認為幾次的成形是一致的。

第三、像素多少直接影響到測值的精度。通常國內許多廠商采用低分辨率的成像系統，會直接影響到這個計算精度。

作為量高法的一個變換，上還有一種方法，角度分析法。國內稱為量角法。這種方法是直接以一個十字形去靠液滴而得到角度。他們或同量高法或同角度分析，但不會改變其本質，即仍建立在小球冠假設的基礎。且這種方法誤差較大，只能是原始的角度儀的代稱。

第二階段：簡單擬合曲線的接觸角分析技術

本階段的特點正突出在認識到了小球冠假設有失效性，試圖通過擬合曲線來分析接觸角值。德國和日本均采用過本技術，包括：（1）切線法；（2）大圓符合法。
切線法的理念在于用一個橢圓方程或一個三項式方程去擬合液滴在固體表面形成的圖像輪廓，來計算接觸角值。而大圓符合法的理念是認為小球冠假設中形成的圖像不是正弧形，該方法就會以一個大的圓去擬合曲線，然后計算接觸角值。
顯然，作為分析技術，這些方法是對于小球冠分析法的一個簡單的被充，但是這些方法的發展思路為解決接觸角分析提供基礎。
上海梭倫科技CAST2.0接觸角分析系統提供了大圓符合法這項技術，以解決用戶測值的部分困難。

第三階段：Young-Laplace曲線擬合法接觸角分析技術
1991年左右開始，國外發展了本方法。現有的國外表面清潔度分析儀通常均采用這個方法。這種方法是為復雜的一個方法，但是也是化的一個方法。其前提必須是建立在Young－laplace方程的基礎上對接觸角進行分析。由于這種方法要分析整個液滴曲線，所以會受到液滴因重力變化而導致的曲線變化的影響。但本方法具有全自動計算接觸角值的特殊優點而被廣泛采用。
本方法的缺點在于：
（1）嚴格的理論假設：本方法建立在理想化的公式的基礎上，而如果事際測得圖像有所變化，會明顯影響到測值的性。
（2）只能測試30度以上的接觸角值
（3）嚴格的對稱圖像假設。本理論是建立有嚴格的對稱圖像的假設的基礎上的。若左右接觸角有所變化，則測值會有所影響。
（4）受液體表面張力的影響。由于液體表面張力值會參與到計算中，所以，實際液體的表面張力值與參與計算的液體的表面張力值是否相同將會嚴重影響到后的測值性。

第四階段：復雜的圖像擬合技術與液滴輪廓分析技術
本項技術為2006年研研究技術。本項接觸角分析技術包括兩個部分：
1、圖像擬合技術：采用曲線尺的方法擬合液滴曲線；
2、基于液體輪廓和固液表面自由能體系，構建輪廓分析技術。
上海梭倫科技在接觸角分析技術上取得了突破性發展。我們不依據任何理論假設，基于實際圖像成像，采用曲線尺擬合的方法分析接觸角值。在本方法中，我們把曲線定義為一個不均均的多花鍵組成的曲線尺，建立在圖像分析中立體花鍵的分析的基礎上，結合曲線的彈性（像素離形性）以及內聚力（固液體系分子內聚力），分析接觸角值。
采用本方法，我們真正實現了分析各種形狀的接觸角值，包括前進、后退角，不規則圖像的接觸角等。測值范圍護大到4-180度，精度可真正達到0.02度。
您可以采購CAST3.0接觸角分析軟件，享受上海梭倫科技為您提供的接觸角分析技術。

同時，結合原有接觸角分析技術，上海梭倫科技研究出了一種基于液體體積與接觸角液滴的直徑而計算得出接觸角值的技術。這個技術能夠解決小接觸角測試問題。通常精度可以達到0.04度。

四、現有表面清潔度分析儀應用的接觸角分析技術分析
基于我們的分析，結合現有接觸角分析技術，我們認為國內外的表面清潔度分析儀所應用的分析技術基本可以總結如下：
1、簡單的角度分析儀階段：主要指國內的表面清潔度分析儀，如上海中晨和承德、北京哈科等。他們的分析方法只是簡單的角度分析，全基本無法實現全自動接觸角計算。
2、標準表面清潔度分析儀階段：國外的表面清潔度分析儀包括德國、美國FTA、韓國SEO的儀等均是采用第三階段的接觸角分析技術和第二階段的接觸角分析技術。國內CAST2.0是第二階段的表面清潔度分析儀。
3、表面清潔度分析儀階段：上海梭倫*提供曲線尺與液滴外形輪廓分析技術，提升了接觸角分析的精度與準度。

表面清潔度分析儀測試精度受基準水平線確認的性影響

表面清潔度分析儀測值精度受表面潔凈度與均勻度影響

樣品表面潔凈度是我們應該關注的一個問題。這個問題上面我們討論了很多，但必須一而再的提出。您可以多點測值，看看是否不一樣，若誤差較大，則說明表面肯定存在問題。
樣品是關鍵的。當然，您也可以采用超聲波清洗的方式實現控制表面清潔度的目的。

表面清潔度分析儀測值時應考慮動平衡（接觸角滯后現象）以及溫度對接觸角測值的影響等因素。

表面清潔度分析儀選購注意事項

1、表面清潔度分析儀選購概括

結合我們的行業經驗，我們認為表面清潔度分析儀的選購通常概括而言可以從如下幾個方面總體入手。

*，您想完成什么測試目的？您的樣品尺寸及形狀是怎樣的？

第二，您了解的接觸角測試技術有哪些？這些技術您可能通過如下陳述基本有所掌握。

第三，您對供應商是否了解？

第四，您的預算如何？

2、表面清潔度分析儀使用需求和精度要求

表面清潔度分析儀的精度不能一概機而論，采用不同方法的表面清潔度分析儀有不同的精度。正像前面描述的一樣，不同方法的表面清潔度分析儀均有其用途和精度，關鍵是視客戶的具體應用需求而定。但總體而言，表面清潔度分析儀的精度主要體現在有效像素數，表面清潔度分析儀光學系統的設計合理性等各個方面。具體建議客戶可以試測部分樣品后再決定采購何種表面清潔度分析儀。

同時，由于表面清潔度分析儀的主機設計并非對所有樣品都適合，所以，你一定要考慮到您的樣品的本身。如：

（1）您的樣品的尺寸大小，有時，大樣品對于表面清潔度分析儀的標準配備是不適合的。您一定要記得與您的供應商談一下您的樣品尺寸，包括大小，厚度等。如石油系統測試巖心的接觸角值，您一定要與供應商溝通。通常的表面清潔度分析儀的樣品臺是無法支持的。

（2）您的樣品的外形。接觸角測值通常受您的樣品的外形有一定的影響。如您的樣品是曲面是，通常需要校正曲面，如您的樣品是一個杯形的內孔，那么您只能選購上海梭倫科技提供的技術。這個技術*沒有一家公司掌握。

3、從表面清潔度分析儀組成開始談表面清潔度分析儀選購

首先，我們有必要描述一下影像分析法表面清潔度分析儀的系統構成：
1、光學系統：標準選構件為CCD相機、顯微鏡頭部分、視頻捕捉卡。
（1）基于是否需要測試隨時間變化而變化的接觸角值，您考慮一下是否需要高速相機
通常，表面清潔度分析儀的標準配備為25幀/秒的測試速度。根據是否動態接觸角的應用要求，可以提高每秒捕獲圖片的數量，如100幀/秒。現在進口儀器中,有的廠家提出了50幀/秒,實際上這是硬件雙緩存技術,從技術實際意義來看,與連續拍攝我們認為是不同的概念.如要選購高速的相機,我們認為還是真實的速度為準比較好.
通常而言，接觸角測值的*時間我們認為是滴出液滴后20秒，基本而言，此時接觸角基本趨向穩定（接觸角滯后原因或吸水原因）。但如果您的樣品是吸水性很強的（如紙尿布），那么我們強烈建議您采購高速相機。
通常這些需要您與供應商一起討論的。他們會因您的不同需求而為您一款適合您的相機的。
（2）鏡頭：鏡頭部分通常均會符合要求的。但是，也不排除國內一些儀器廠商不了解光學而隨意寫出放大率，這是相當不負責的。您可以要求供應商提供每像素代表多少mm的放大倍率。這對于廠商而言，是很容易給出的。
（3）光源：這個非常關鍵。事實上，光源對于成像效果是非常有講究的。而我們非常堅持的認為，現在只有KSV公司與上海梭倫科技的光源是相對比較符合要求的。由于涉及到核心機密，所以，如了解詳細技術，請上海梭倫的工程師。
（4）視頻捕捉設備：現在的表面清潔度分析儀通常的配備均為視頻捕捉卡，這個對電腦系統提出了一個相當高的要求。明顯，必須插到電腦里才行的，所以，要求使用者會安裝硬件。而我們認為，是采用USB或1394口的視頻設備，畢竟，僅僅是增加成本的事情哦，但對于用戶而言，豈止是方便所能概括的。
2、進樣器系統：
現有三種標準微量進樣器、蠕動泵、注射泵。注射泵相當于一個自動微量推進系統加上微量進樣器構成。
現在的進樣技術通常均是符合要求的。但如果您有精度高的要求，您可能選購一臺軟件控制的進樣系統，會方便很多且進樣精度控制較好。
３、主機機架設計：
本來，這個事情是不用說的，但是，我們驚奇的發現。國內與國外的儀器廠商在這方便居然也會有區別。所以，我們必須指出，主機機架的設計會影響到您操作的方便性以及測試的二次污染問題等。
主要考慮因素有：需要有哪些功能，需要的精度有哪些。您可以與供應商一起討論。值得指出的是，國外的儀器也不一定是的哦，如我們就認為KSV的機架的穩定性不好，操作起來不方便。我們認為KRUSS的精度不夠，細鋼的誤差比較大。
４、軟件系統：這是表面清潔度分析儀的關鍵。主要分為視頻捕捉、圖像捕獲、圖像分析、接觸角數據應用。
這里就會涉及到接觸角計算技術以及表面自由能分析技術等。我們認為，好的軟件通常是升級性好，操作簡單。而這些在您不了解表面清潔度分析儀時，您可以與您的供應商多談談，同時也可以看出您的供應商是否是符合要求的。
 

４、代理商的資格更為關鍵