本发明属于光学传感器领域，具体涉及一种基于红外光反射的表面能测试装置及方法。
背景技术：
1、表面能测试仪的工作原理主要基于测量固体、标准测试溶液以及它们之间的界面能。表面能是物质表面分子间作用力的一种量度，它在材料科学、化学工程等领域有着重要的应用。目前，根据测试原理的不同，表面能测试仪的测试方法分为接触角法、劈裂功法、溶解热法、薄膜浮选法和颗粒沉降法。相较于其他方法，接触角法通过观察标准测试溶液在固体表面的接触角来获取数据，对材料不具有破坏性，而且操作过程简单，易于实现自动化，从而减少人为误差并提高测量的重复性和准确性，因而目前已经成为目前工业上对材料表面能测试的首选方法。
2、具体而言，接触角测试法是一种通过测量标准测试溶液在固体表面上形成的接触角来间接评估固体表面能的技术，它涉及将一滴已知表面能的标准测试溶液滴在固体样品上，然后使用光学设备测量接触角。这种方法虽然操作简便、快速，适用于快速评估材料的表面特性，但也存在无法忽视的劣势：对于面积极小的样品，精确测量接触角会变得困难，因为微小的样品尺寸可能导致角度测量误差增大；对于表面不平整的样品，接触角的测量会受到表面粗糙度的影响，从而影响表面能的准确评估，因此目前已有的专利大多是针对平整的表面例如硅片(cn118443532a)、纤维(cn116106098b)、凹凸度较小的平面(cn219552185u)；此外，接触角测试法通常需要固定的实验室设备来完成，这限制了其在需要便携式测量或现场测试的应用场景中的使用，目前已经存在的便携式接触角测试仪器尺寸仍然较大，由于采用传统的光学图像分析方法测试时仍需要精确安装(cn116858729b)，不利于工业生产的快速、随时检测。
3、近年来，随着材料科学与表面工程领域的快速发展，工业界对材料表面特性尤其是表面能的精确测量需求显著增加。例如，在涂层技术和表面处理工艺中，为了实现对材料表面亲疏水性的精准控制，要求对表面能的测量精度达到微焦耳级别，这对表面能测试仪的精度和可靠性提出了极高的要求；再比如，在微纳电子器件的制造过程中，材料表面的能量状态直接影响到涂层的附着力和均匀性，因此需要对材料表面能进行精准的测量和调控。
4、目前表面能测试仪在应用中仍然存在尚未解决的关键技术问题，严重制约了测量精度的提升与应用范围的扩大：
5、(1)测量重复性差：表面能测试仪在多次测量同一材料时，可能会出现较大的数据波动，导致测量结果的不一致性。这种现象主要由于测试过程中的溶液分布不均匀、注样器精度不足或检测器灵敏度变化引起；
6、(2)响应速度慢：在进行表面能测量时，测试仪器的信号响应时间较长，无法及时反馈材料表面的能量状态。这在需要快速调控或连续监测的应用场景中表现尤为明显，影响了设备的实时性和工作效率；
7、(3)设备操作复杂：目前的表面能测试仪通常需要经过复杂的校准和操作流程，这对操作人员的专业水平要求较高，增加了使用难度。操作过程的复杂性也可能导致人为误差的产生，从而影响测量的准确性；
8、(4)测试设备体积较大：目前的表面能测试设备通常具有较大的尺寸，尤其是用于反射光线的光学元件和腔体，这限制了装置的小型化和便携化，难以适应微纳米尺度的材料表面能测量需求。
技术实现思路
1、针对现有表面能测试仪测量重复性差、响应速度慢、设备操作复杂及体积较大的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于红外光反射的表面能测试装置及方法，通过红外光反射的强度变化，计算待测材料的表面能，从而提供了一种简便、快速、准确的表面能测试手段。
2、为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：一种基于红外光反射的表面能测试装置，所述表面能测试装置包括外壳，所述外壳为中空腔体结构，所述外壳的内腔顶面外周环绕式设有红外光源，所述外壳的内腔顶面中间安装光电探头，所述外壳的底面开设与光电探头处于同一轴线上的检测口，检测口的开口端面积与光电探头的感光面面积相同，所述检测口的内侧壁沿周向设有出水口，所述出水口与微量注样器连通；所述红外光源用于产生红外光，所述光电探头用于接收所述红外光的反射光；所述检测口开口端与待测材料表面紧密贴合，所述微量注样器用于将标准测试溶液通过出水口排出并覆盖在待测材料表面。
3、进一步地，所述检测口的内侧壁沿周向设有疏水面，所述疏水面位于出水口的上方，所述疏水面用于所述标准测试溶液仅在待测材料表面进行浸润，确保溶液在待测材料表面形成稳定的液膜。
4、进一步地，所述光电探头与红外光源处于同一轴线上且所述光电探头的下表面与红外光源的下表面处于同一平面上。
5、进一步地，所述外壳的内壁涂覆有反射层，所述反射层用于多次反射所述红外光。
6、进一步地，所述表面能测试装置还包括计算机系统，所述计算机系统分别与光电探头、红外光源连接，所述计算机系统用于调控红外光的强度以及接收并处理所述红外光的反射光，计算出待测材料的表面能。
7、进一步地，所述红外光的波长为1000～2000nm，需要根据标准测试溶液的红外吸收能力配对择优选择。
8、进一步地，所述反射层的材料为ag、al、tio2、sio2、al2o3或有机玻璃，且厚度为100μm以上，所述反射层应具有对所述红外光源发出的波长内的红外光具有出色的反射性能。
9、所述外壳的材料选择应同时具有良好的机械强度、可加工能力、阻隔外界光线干扰的能力；所述外壳构成的圆柱形腔体的直径在5mm以内，并视加工精度可进一步缩小装置的尺寸，提高集成度和器件的小型化。所述计算机系统或数据采集显示卡应具有对输入的数字信号具有处理能力，具体而言是需要将输入和输出的信号进行依赖算法的处理，并最终获得待测材料的表面能大小；所述检测口的直径d为3mm，并视加工精度可进一步缩小装置的尺寸，提高集成度和器件的小型化；所述标准测试溶液的选择需要满足与待测材料表面的红外光反射率具有较大差距，且rs已知，一般选择水、乙二醇、丙三醇、二碘甲烷、甲酰胺等。所述标准测试溶液的表面能，由标准测试溶液的具体选择确定。
10、基于上述的表面能测试装置的测试方法，包括如下步骤：
11、(1)光路调整：调节红外光源发出红外光，使红外光在检测口开口端形成稳定的光束；
12、(2)装置安装：将待测材料固定在表面能测试装置的下方，检测口开口端与待测材料表面紧密贴合；
13、(3)标准测试溶液注入：使用微量注样器将标准测试溶液通过出水口排出并覆盖在待测材料表面；
14、(4)数据采集：启动计算机系统，光电探头接收红外光的反射光并转换为电信号，计算机系统处理电信号，并计算待测材料的表面能。
15、进一步地，所述计算机系统计算待测材料的表面能γm的公式为：
16、
17、其中，γm为待测材料的表面能，单位为mj/m2；i0为红外光的强度，单位为w；is为待测材料被标准测试溶液覆盖后的反射光强度，单位为w；rs为标准测试溶液表面对红外光的反射率，取值范围为0到1；rm为待测材料对红外光的反射率；γs为标准测试溶液的表面能，单位为mj/m2；
18、对于红外光的强度i0，公式为：
19、i0＝pλ/hc
20、其中，h为普朗克常数，h≈6.626×10-34j·s，c为光速，c≈3.00×108m/s，λ为红外光的波长，λ的取值范围为1000～2000nm，p为红外光的光功率，其中，当待测材料的厚度小于100nm时，p的取值为0.1w/cm2；当待测材料的厚度大于100nm且小于5μm时，p的取值为0.5w/cm2；当待测材料的厚度大于5μm时，p的取值为1w/cm2；
21、对于待测材料对红外光的反射率rm，计算公式为：
22、rm＝im/i0
23、其中，im为待测材料未覆盖标准测试溶液的反射光强度，单位为w。
24、与现有技术相比，本发明的有益效果：
25、(1)本发明通过对装置结构的优化设计，可显著提高测试装置的测量重复性。传统的表面能测试设备在多次测量同一材料时，数据波动较大，导致结果不一致性高达10％以上。而本发明可将测量误差控制在2％以内。
26、(2)本发明的测试装置采用了高速响应的光电探头和优化的信号处理算法，使得测量过程中的数据采集和处理时间大幅缩短。相比传统设备通常需要5秒以上的测量时间，本发明可以在2秒内完成对材料表面能的测量，响应速度提高了60％以上。使该装置可适用于需要高频次测量的工业生产线，可减少因等待时间导致的生产停滞。
27、(3)本发明通过简化设备操作流程和引入装置配套的算法，使得用户无需进行复杂的校准和调整即可完成测试。传统设备通常需要手动校准、调节参数以及进行多次测量，而本发明无需前置的测试环节，进一步提高了设备的易用性。
28、(4)本发明通过对外壳、反射层以及内部组件的集成化设计，有效缩小了设备的体积。传统表面能测试设备通常需要较大的空间来容纳光源、相机和反射组件，导致设备体积庞大，不便于携带和使用。而本发明通过将检测口的直径缩小至3mm以下，并精简了内部组件的布局，使得整体设备的体积减少了70％以上，重量也显著降低。这种小型化设计不仅便于设备的移动和安装，还使其能够更容易地集成到其他测试系统中，广泛适用于实验室和生产现场的不同需求。
1.一种基于红外光反射的表面能测试装置，其特征在于，所述表面能测试装置包括外壳(1)，所述外壳(1)为中空腔体结构，所述外壳(1)的内腔顶面外周环绕式设有红外光源(2)，所述外壳(1)的内腔顶面中间安装光电探头(3)，所述外壳(1)的底面开设与光电探头(3)处于同一轴线上的检测口(9)，检测口(9)的开口端面积与光电探头(3)的感光面面积相同，所述检测口(9)的内侧壁沿周向设有出水口(8)，所述出水口(8)与微量注样器(7)连通；所述红外光源(2)用于产生红外光，所述光电探头(3)用于接收所述红外光的反射光；所述检测口(9)开口端与待测材料表面紧密贴合，所述微量注样器(7)用于将标准测试溶液通过出水口(8)排出并覆盖在待测材料表面。
2.根据权利要求1所述的基于红外光反射的表面能测试装置，其特征在于，所述检测口(9)的内侧壁沿周向设有疏水面(6)，所述疏水面(6)位于出水口(8)的上方，所述疏水面(6)用于所述标准测试溶液仅在待测材料表面进行浸润。
3.根据权利要求1所述的基于红外光反射的表面能测试装置，其特征在于，所述光电探头(3)与红外光源(2)处于同一轴线上且所述光电探头(3)的下表面与红外光源(2)的下表面处于同一平面上。
4.根据权利要求1所述的基于红外光反射的表面能测试装置，其特征在于，所述外壳(1)的内壁涂覆有反射层(5)，所述反射层(5)用于多次反射所述红外光。
5.根据权利要求1所述的基于红外光反射的表面能测试装置，其特征在于，所述表面能测试装置还包括计算机系统(4)，所述计算机系统(4)分别与光电探头(3)、红外光源(2)连接，所述计算机系统(4)用于调控所述红外光的强度以及接收并处理所述红外光的反射光，计算出待测材料的表面能。
6.根据权利要求1所述的基于红外光反射的表面能测试装置，其特征在于，所述红外光的波长为1000～2000nm。
7.根据权利要求4所述的基于红外光反射的表面能测试装置，其特征在于，所述反射层(5)的材料为ag、al、tio2、sio2、al2o3或有机玻璃，且厚度为100μm以上。
8.一种基于权利要求1～7任一项所述的表面能测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述计算机系统计算待测材料的表面能γm的公式为：
