1.一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法,其特征在于,使用平行激光束竖直照射弯曲液面,通过改变观察屏的位置,利用面阵显微相机及计算机图像处理获得观察屏在不同位置的反射光场特征,通过Young-Laplace方程求解获得弯曲液面的曲面方程,根据曲面方程分别解出表面张力系数和接触角的表达式,实现在未知待测液体与设备材料接触角时同步测量液体表面张力和接触角,包括以下步骤:S1、制作样品池底部镀黑,加入待测样品,选择均匀材质平板置于样品池中,并保持平板竖直,通过Young-Laplace方程确定曲面方程;
S2、通过调节获得准直平行的激光束并竖直入射到样品中平板两侧,记录入射光宽度
2d;
S3、将观察屏置于样品池上方观察到反射光线形成的暗场区域,记录暗场宽度;上下移动观察屏记录观察屏移动距离Δh以及移动后暗场宽度ΔD,再次移动观察屏,获得观察屏移动距离与暗场宽度的比例关系;
S4、根据步骤S1确定的弯曲液面高度与切线斜率关系方程以及步骤S3确定的观察屏移动距离与暗场宽度比例关系,确定表面张力系数σ和接触角θ0。
2.根据权利要求1所述的一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法,其特征在于,步骤S1中,曲面方程如下:其中,y表示弯曲液面的高度,α为毛细常数,x为弯曲液面的水平延伸方向,C是与液体接触角θ0有关的量。
3.根据权利要求2所述的一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法,其特征在于,根据弯曲液面的水平延伸方向x等于入射光宽度的一半d和曲面方程得出与液体接触角θ0有关的量C,计算得出在0~90°区间内的接触角θ0。
4.根据权利要求3所述的一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法,其特征在于,与液体接触角θ0有关的量C计算如下:其中, σ为表面张力系数,ρ为密度,g为重力加速度。
5.根据权利要求1所述的一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法,其特征在于,步骤S2中,宽度为2d的平行激光束垂直入射到液面,光线1为平行入射光束的边界光线,定义为边界入射光线,光线2为平行入射光束中任意光线,边界反射光线1′在光屏上形成一亮边,反射光线2′在该亮边以外,该亮边以内为带状暗场区。
6.根据权利要求1所述的一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法,其特征在于,步骤S3中,保持入射光不变,移动观察屏位置,当观察屏距离变化Δh,对应的暗场宽度变化ΔD,边界入射光线1和边界反射光线1′的夹角2θ的正切即观察屏移动距离与暗场宽度的比例关系。
7.根据权利要求6所述的一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法,其特征在于,边界入射光线1和边界反射光线1′的夹角2θ的正切如下:其中,D为暗场宽度的一半,h表示观察屏与水平液面的距离,y为弯曲液面的高度,d为入射光宽度一半。
8.根据权利要求7所述的一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法,其特征在于,根据弯曲液面的高度y和三角函数关系得到曲面的斜率y′如下:
9.根据权利要求1所述的一种同步测量液体表面张力系数和接触角的光学方法,其特征在于,步骤S4中,表面张力系数σ如下:其中,D为暗场宽度的一半,h表示观察屏与水平液面的距离,Δh为观察屏距离变化,ΔD为对应的暗场宽度变化,d为入射光宽度一半,ρ为密度,g为重力加速度。