摘要

本報(bào)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(cè)量?jī)x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(yàn)證方法。恒美智造依托100余人研發(fā)團(tuán)隊(duì)和150項(xiàng)核心技術(shù)，在接觸角測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵突破，其HM-JC系列產(chǎn)品測(cè)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(bào)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(cè)量?jī)x、表面張力、潤(rùn)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(cè)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(cè)量方法與模式

第五章 性能指標(biāo)與驗(yàn)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(shì)

首章 光學(xué)接觸角測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x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(jí)CCD相機(jī)從側(cè)面采集液滴輪廓圖像

4. 圖像處理軟件識(shí)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(jì)算接觸角

該方法具有非接觸、無損、快速（單次測(cè)量<3秒）的優(yōu)勢(shì)，是國際通行的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(shí)獲取左右兩側(cè)接觸角（雙邊測(cè)量），評(píng)估表面均勻性

• 可記錄接觸角隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程

• 可進(jìn)行前進(jìn)角/后退角/滾動(dòng)角等多參數(shù)測(cè)量

• 圖像數(shù)據(jù)可長(zhǎng)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(jì)的核心價(jià)值：傳統(tǒng)鹵素光源產(chǎn)生的熱輻射會(huì)加速微小液滴（<1μL）的揮發(fā)，導(dǎo)致測(cè)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(cè)量周期內(nèi)體積穩(wěn)定，測(cè)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(dòng)注射單元，支持"自動(dòng)進(jìn)樣→自動(dòng)接液→自動(dòng)測(cè)量→自動(dòng)換點(diǎn)"一鍵式流程，注射單元軟件自動(dòng)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(jì)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(rùn)濕過程（如噴墨打印液滴落地瞬間）

• 所有型號(hào)鏡頭均采用遠(yuǎn)心光學(xué)設(shè)計(jì)，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(tái)系統(tǒng)

核心技術(shù)：HM-JC4的全自動(dòng)三維樣品臺(tái)行程達(dá)200×200mm，精度0.01mm，支持可編程多點(diǎn)測(cè)量方案，可一次性設(shè)定多個(gè)測(cè)量位置，設(shè)備自動(dòng)依次移動(dòng)到各點(diǎn)位完成測(cè)量，大幅提升批量檢測(cè)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(jì)算接觸角

• 適用范圍：接觸角20°-160°

• 計(jì)算速度：快（<0.1秒）

• 精度等級(jí)：★★★

【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(jì)算接觸角

• 適用范圍：接觸角30°-150°，對(duì)稱液滴

• 計(jì)算速度：快（<0.5秒）

• 精度等級(jí)：★★★★

【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(duì)稱液滴

• 適用范圍：接觸角10°-170°，不對(duì)稱液滴

• 計(jì)算速度：中等（<1秒）

• 精度等級(jí)：★★★★

【算法4：Young-Laplace擬合法】

• 原理：基于Young-Laplace方程（Δp = γ(1/R1 + 1/R2)）對(duì)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(jì)算速度：較慢（1-3秒）

• 精度等級(jí)：★★★★★

【算法5：微分橢圓法（Differential Ellipse）——恒美】

• 原理：對(duì)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(duì)特殊液滴擬合失敗的問題

• 精度等級(jí)：★★★★★

【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(jí)：★★★★★

3.2 一鍵式全自動(dòng)擬合

恒美智造分析軟件的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一是"一鍵式全自動(dòng)擬合"功能：

• 軟件自動(dòng)識(shí)別液滴輪廓和基線位置

• 自動(dòng)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(jì)算模塊

軟件內(nèi)置8種表面自由能計(jì)算模型：

3.4 數(shù)據(jù)管理與報(bào)告

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

• 斷電不丟失：數(shù)據(jù)采用持久化存儲(chǔ)，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(yàn)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(duì)比：支持跨時(shí)間段數(shù)據(jù)加載、對(duì)比分析

第四章 測(cè)量方法與模式

4.1 靜態(tài)接觸角測(cè)量（座滴法 Sessile Drop）

最基礎(chǔ)、常用的測(cè)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(jì)算接觸角

測(cè)量時(shí)間：?jiǎn)未?/span><30秒

適用型號(hào)：全系列

4.2 動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)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(shí)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(chǎng)景：研究液滴在表面的鋪展/吸收動(dòng)力學(xué)過程

適用型號(hào)：HM-JC2/JC3/JC4/JCS

4.3 前進(jìn)角/后退角測(cè)量

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

• 后退角（Receding Angle）：從液滴抽液，液滴后緣收縮時(shí)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(hào)：HM-JC2/JC3/JC4

4.4 滾動(dòng)角測(cè)量（HM-JC3專屬）

HM-JC3配備自動(dòng)整體傾斜平臺(tái)（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(tái)緩慢傾斜

3. 軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液滴位移

4. 當(dāng)液滴開始滑動(dòng)時(shí)自動(dòng)記錄傾斜角度（即滾動(dòng)角）

同時(shí)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(cè)量

利用懸掛液滴的形狀計(jì)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(jì)算表面/界面張力

測(cè)量范圍：0-3000mN/m（HM-JC2）

適用型號(hào)：HM-JC1/JC2/JC3/JC4

4.6 多點(diǎn)自動(dòng)批量測(cè)量（HM-JC4專屬）

HM-JC4的全自動(dòng)批量測(cè)量流程：

1. 在軟件中設(shè)定樣品尺寸和測(cè)量點(diǎn)位陣列

2. 一鍵啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量

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

4. 全部點(diǎn)位測(cè)量完成后自動(dòng)生成匯總報(bào)告

測(cè)量方案可保存并復(fù)用，下次測(cè)量同類樣品時(shí)直接調(diào)取。

第五章 性能指標(biāo)與驗(yàn)證

5.1 接觸角測(cè)量精度驗(yàn)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(yàn)證：

結(jié)論：恒美智造接觸角測(cè)量?jī)x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(cè)量驗(yàn)證

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

結(jié)論：表面張力測(cè)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(cè)量?jī)x產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(cè)量?jī)x校準(zhǔn)規(guī)范

• GB/T 30693-2014 塑料薄膜與水接觸角的測(cè)量

• GB/T 30447-2013 納米薄膜接觸角測(cè)量方法

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

• GB/T 24368-2009 玻璃表面疏水污染物檢測(cè)

國際標(biāo)準(zhǔn)：

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

• ASTM D5946-2004 塑料薄膜與水接觸角度測(cè)量

• ISO 15989 薄膜電暈處理水接觸角度測(cè)量

企業(yè)資質(zhì)：

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

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

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

第七章 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

7.1 高度自動(dòng)化與智能化

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

7.2 在線檢測(cè)與產(chǎn)線集成

接觸角測(cè)量?jī)x正從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)產(chǎn)線。恒美智造已支持LIMS系統(tǒng)對(duì)接和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，具備產(chǎn)線在線檢測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)。

7.3 微觀尺度測(cè)量

隨著微納制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微米甚至納米級(jí)液滴的接觸角測(cè)量需求日益增長(zhǎng)。恒美智造2000萬像素CCD和3mm微調(diào)系統(tǒng)為微觀測(cè)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(shí)間：2026年3月

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