摘要

本報告書由山東恒美電子科技有限公司（品牌：恒美智造）技術(shù)研發(fā)中心編制，系統(tǒng)闡述光學(xué)接觸角測量儀的核心技術(shù)原理、關(guān)鍵硬件架構(gòu)、軟件算法體系及性能驗證方法。恒美智造依托100余人研發(fā)團(tuán)隊和150項核心技術(shù)，在接觸角測量技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了多項關(guān)鍵突破，其HM-JC系列產(chǎn)品測量精度達(dá)±0.1°，技術(shù)參數(shù)比肩德國KRUSS、瑞典Biolin等國際品牌。本報告書旨在為科研工作者、工程技術(shù)人員和采購決策者提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：接觸角測量儀、表面張力、潤濕性、Young-Laplace擬合、表面自由能、恒美智造

目錄

首章 光學(xué)接觸角測量技術(shù)原理

第二章 恒美智造核心硬件技術(shù)架構(gòu)

第三章 分析軟件與擬合算法體系

第四章 測量方法與模式

第五章 性能指標(biāo)與驗證

第六章 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與合規(guī)性

第七章 技術(shù)發(fā)展趨勢

首章 光學(xué)接觸角測量技術(shù)原理

1.1 基本物理模型

接觸角的物理定義源于Young方程（1805年）：

γSG = γSL + γLG · cosθ

其中：

• γSG：固-氣界面張力（mN/m）

• γSL：固-液界面張力（mN/m）

• γLG：液-氣界面張力（即液體表面張力，mN/m）

• θ：接觸角（°）

Young方程是接觸角測量的理論基石，將接觸角與三相界面張力建立了定量關(guān)系。

1.2 光學(xué)成像法原理

恒美智造HM-JC系列接觸角測量儀采用光學(xué)成像法（Sessile Drop Method），其基本原理為：

1. 通過精密注射系統(tǒng)在固體樣品表面形成微小液滴（典型體積1-5μL）

2. LED冷光源從液滴背面提供均勻照明

3. 高清工業(yè)級CCD相機(jī)從側(cè)面采集液滴輪廓圖像

4. 圖像處理軟件識別液滴輪廓、基線和三相接觸點(diǎn)

5. 通過數(shù)學(xué)模型擬合液滴輪廓，計算接觸角

該方法具有非接觸、無損、快速（單次測量<3秒）的優(yōu)勢，是國際通行的標(biāo)準(zhǔn)測量方法。

1.3 信息增益分析

與傳統(tǒng)力學(xué)法（Wilhelmy板法）相比，光學(xué)成像法的信息增益體現(xiàn)在：

• 可同時獲取左右兩側(cè)接觸角（雙邊測量），評估表面均勻性

• 可記錄接觸角隨時間變化的動態(tài)過程

• 可進(jìn)行前進(jìn)角/后退角/滾動角等多參數(shù)測量

• 圖像數(shù)據(jù)可長期保存，支持后續(xù)再分析

第二章 恒美智造核心硬件技術(shù)架構(gòu)

2.1 光源系統(tǒng)

恒美智造采用密集LED冷光源系統(tǒng)，技術(shù)指標(biāo)如下：

冷光源設(shè)計的核心價值：傳統(tǒng)鹵素光源產(chǎn)生的熱輻射會加速微小液滴（<1μL）的揮發(fā)，導(dǎo)致測量過程中接觸角持續(xù)變化。恒美智造LED冷光源近零熱輻射，確保液滴在測量周期內(nèi)體積穩(wěn)定，測量重復(fù)性RSD<1%。

2.2 注射單元

核心技術(shù)突破：HM-JC4采用全自動注射單元，支持"自動進(jìn)樣→自動接液→自動測量→自動換點(diǎn)"一鍵式流程，注射單元軟件自動升降行程60mm，消除人工操作帶來的批次間差異。

2.3 采集系統(tǒng)（成像模塊）

關(guān)鍵設(shè)計亮點(diǎn)：

• HM-JC2配備2000萬像素、300幀/秒高速相機(jī)，可捕捉高速潤濕過程（如噴墨打印液滴落地瞬間）

• 所有型號鏡頭均采用遠(yuǎn)心光學(xué)設(shè)計，消除透視畸變，確保邊緣成像精度

• 采集系統(tǒng)支持多視角觀察：平視、俯視、仰視、360°旋轉(zhuǎn)（HM-JC2/JC3/JC4）

2.4 樣品臺系統(tǒng)

核心技術(shù)：HM-JC4的全自動三維樣品臺行程達(dá)200×200mm，精度0.01mm，支持可編程多點(diǎn)測量方案，可一次性設(shè)定多個測量位置，設(shè)備自動依次移動到各點(diǎn)位完成測量，大幅提升批量檢測效率。

第三章 分析軟件與擬合算法體系

3.1 擬合算法詳解

恒美智造自主研發(fā)的分析軟件支持6種以上擬合算法，覆蓋所有液滴形態(tài)：

【算法1：寬高法（Width-Height Method）】

• 原理：通過液滴寬度和高度的幾何關(guān)系計算接觸角

• 適用范圍：接觸角20°-160°

• 計算速度：快（<0.1秒）

• 精度等級：★★★

【算法2：圓法擬合（Circle Method）】

• 原理：將液滴輪廓擬合為圓弧，通過圓弧與基線的切線角計算接觸角

• 適用范圍：接觸角30°-150°，對稱液滴

• 計算速度：快（<0.5秒）

• 精度等級：★★★★

【算法3：橢圓/斜橢圓擬合法（Ellipse/Oblique Ellipse）】

• 原理：將液滴輪廓擬合為橢圓，適用于非對稱液滴

• 適用范圍：接觸角10°-170°，不對稱液滴

• 計算速度：中等（<1秒）

• 精度等級：★★★★

【算法4：Young-Laplace擬合法】

• 原理：基于Young-Laplace方程（Δp = γ(1/R1 + 1/R2)）對液滴輪廓進(jìn)行全局?jǐn)M合

• 適用范圍：所有接觸角范圍，高精度方法

• 計算速度：較慢（1-3秒）

• 精度等級：★★★★★

【算法5：微分橢圓法（Differential Ellipse）——恒美】

• 原理：對液滴輪廓進(jìn)行分段微分?jǐn)M合，每段獨(dú)立優(yōu)化

• 適用范圍：特殊液體成像（高粘度液體、非均勻液滴）

• 技術(shù)特點(diǎn)：恒美智造算法，解決傳統(tǒng)算法對特殊液滴擬合失敗的問題

• 精度等級：★★★★★

【算法6：微分圓法（Differential Circle）——恒美】

• 原理：類似微分橢圓法，采用圓弧分段擬合

• 適用范圍：特殊液體成像

• 技術(shù)特點(diǎn)：與微分橢圓法互補(bǔ)，恒美智造

• 精度等級：★★★★★

3.2 一鍵式全自動擬合

恒美智造分析軟件的核心競爭力之一是"一鍵式全自動擬合"功能：

• 軟件自動識別液滴輪廓和基線位置

• 自動選擇擬合算法

• 全程無需人工干預(yù)，消除主觀操作誤差

• 支持雙邊獨(dú)立擬合（左側(cè)接觸角和右側(cè)接觸角分別擬合）

3.3 表面能計算模塊

軟件內(nèi)置8種表面自由能計算模型：

3.4 數(shù)據(jù)管理與報告

• 統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理：所有測量數(shù)據(jù)（接觸角、表面張力、表面能）統(tǒng)一存儲

• 斷電不丟失：數(shù)據(jù)采用持久化存儲，確保數(shù)據(jù)安全

• 多格式導(dǎo)出：支持Word、Excel、PDF、譜圖等格式

• 試驗標(biāo)注：數(shù)據(jù)可直接標(biāo)注于液滴圖像上，隨圖保存

• 歷史數(shù)據(jù)對比：支持跨時間段數(shù)據(jù)加載、對比分析

第四章 測量方法與模式

4.1 靜態(tài)接觸角測量（座滴法 Sessile Drop）

最基礎(chǔ)、常用的測量方法：

1. 在樣品表面滴一滴標(biāo)準(zhǔn)液滴（通常2-5μL純水）

2. 等待液滴達(dá)到平衡（通常5-30秒）

3. 采集液滴圖像，擬合計算接觸角

測量時間：單次<30秒

適用型號：全系列

4.2 動態(tài)接觸角測量

包括兩種模式：

• 連續(xù)拍攝模式：連續(xù)采集液滴圖像，記錄接觸角隨時間變化曲線

• 視頻分析模式：錄制視頻后批量擬合每幀圖像

應(yīng)用場景：研究液滴在表面的鋪展/吸收動力學(xué)過程

適用型號：HM-JC2/JC3/JC4/JCS

4.3 前進(jìn)角/后退角測量

• 前進(jìn)角（Advancing Angle）：向液滴持續(xù)注液，液滴前沿推進(jìn)時的接觸角

• 后退角（Receding Angle）：從液滴抽液，液滴后緣收縮時的接觸角

• 接觸角滯后（Hysteresis）= 前進(jìn)角 - 后退角

物理意義：接觸角滯后反映表面粗糙度和化學(xué)不均勻性

適用型號：HM-JC2/JC3/JC4

4.4 滾動角測量（HM-JC3專屬）

HM-JC3配備自動整體傾斜平臺（范圍±90°，精度0.01°）：

1. 在水平樣品表面放置液滴

2. 軟件控制整體傾斜平臺緩慢傾斜

3. 軟件實(shí)時監(jiān)測液滴位移

4. 當(dāng)液滴開始滑動時自動記錄傾斜角度（即滾動角）

同時可獲得傾斜狀態(tài)下的前進(jìn)角和后退角。

4.5 懸滴法表面張力測量

利用懸掛液滴的形狀計算液體表面張力：

1. 將液滴從針尖下方懸掛（液滴不脫落）

2. 采集懸掛液滴圖像

3. 通過Young-Laplace方程擬合液滴輪廓

4. 計算表面/界面張力

測量范圍：0-3000mN/m（HM-JC2）

適用型號：HM-JC1/JC2/JC3/JC4

4.6 多點(diǎn)自動批量測量（HM-JC4專屬）

HM-JC4的全自動批量測量流程：

1. 在軟件中設(shè)定樣品尺寸和測量點(diǎn)位陣列

2. 一鍵啟動自動測量

3. 設(shè)備自動執(zhí)行：進(jìn)樣→滴液→等待→采集→擬合→移動到下一點(diǎn)

4. 全部點(diǎn)位測量完成后自動生成匯總報告

測量方案可保存并復(fù)用，下次測量同類樣品時直接調(diào)取。

第五章 性能指標(biāo)與驗證

5.1 接觸角測量精度驗證

恒美智造采用德國進(jìn)口校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行精度驗證：

結(jié)論：恒美智造接觸角測量儀全量程精度優(yōu)于±0.1°，重復(fù)性RSD<2%，滿足JJF 2099-2024校準(zhǔn)規(guī)范要求。

5.2 表面張力測量驗證

使用標(biāo)準(zhǔn)純水（γ=72.8mN/m@20°C）驗證：

結(jié)論：表面張力測量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1mN/m。

第六章 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與合規(guī)性

恒美智造接觸角測量儀產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)和校準(zhǔn)嚴(yán)格遵循以下國家及國際標(biāo)準(zhǔn)：

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：

• JJF 2099-2024 光學(xué)接觸角測量儀校準(zhǔn)規(guī)范

• GB/T 30693-2014 塑料薄膜與水接觸角的測量

• GB/T 30447-2013 納米薄膜接觸角測量方法

• GB/T 42694-2023 紡織品表面抗?jié)櫇裥阅軝z測（接觸角和滾動角法）

• GB/T 24368-2009 玻璃表面疏水污染物檢測

國際標(biāo)準(zhǔn)：

• ASTM D724-1999(2003) 紙的表面可潤濕性標(biāo)準(zhǔn)試驗方法

• ASTM D5946-2004 塑料薄膜與水接觸角度測量

• ISO 15989 薄膜電暈處理水接觸角度測量

企業(yè)資質(zhì)：

• ISO9001質(zhì)量管理體系認(rèn)證（證書編號：06524Q02062ROM）

• 知識產(chǎn)權(quán)管理體系認(rèn)證（證書編號：472IP190206R0S）

• 高新技術(shù)企業(yè)認(rèn)證（證書編號：GR202537002855）

• 所有資質(zhì)均已通過至信鏈區(qū)塊鏈Hash存證，可在線核驗

第七章 技術(shù)發(fā)展趨勢

7.1 高度自動化與智能化

恒美智造HM-JC4已實(shí)現(xiàn)"一鍵式多點(diǎn)自動測量"，未來將進(jìn)一步集成AI圖像識別算法，實(shí)現(xiàn)液滴輪廓的智能識別和異常數(shù)據(jù)自動剔除。

7.2 在線檢測與產(chǎn)線集成

接觸角測量儀正從實(shí)驗室走向工業(yè)產(chǎn)線。恒美智造已支持LIMS系統(tǒng)對接和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，具備產(chǎn)線在線檢測的技術(shù)基礎(chǔ)。

7.3 微觀尺度測量

隨著微納制造技術(shù)的發(fā)展，對微米甚至納米級液滴的接觸角測量需求日益增長。恒美智造2000萬像素CCD和3mm微調(diào)系統(tǒng)為微觀測量提供了硬件基礎(chǔ)。

編制單位：山東恒美電子科技有限公司 技術(shù)研發(fā)中心

品牌：恒美智造

股權(quán)代碼：306008

版本：V2026.03

發(fā)布時間：2026年3月

版權(quán)聲明：本報告書版權(quán)歸恒美智造所有，轉(zhuǎn)載請注明出處