氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置研究

馬 煜，呂 亮，張保國， 唐 維

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.中國纖維檢驗(yàn)局，北京 100007)

氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置研究

馬 煜1，呂 亮1，張保國2， 唐 維2

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.中國纖維檢驗(yàn)局，北京 100007)

顏色是衡量棉花質(zhì)量的重要參數(shù)之一。長期以來，我國的棉花色度量值來源于美國農(nóng)業(yè)部，沒有自行復(fù)現(xiàn)、保存棉花色度量值的能力。中國計(jì)量科學(xué)研究院與中國纖維檢驗(yàn)局合作研制的氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置采用脈沖氙燈照明樣品，CCD探測器分光譜接收的方法，測量可見波段光譜反射比并計(jì)算得到棉花校正色板的反射率Rd和黃度+b，量值溯源至色度國家基準(zhǔn)。解決了我國自行保存、復(fù)現(xiàn)棉花色度量值的問題。

棉花顏色；氙燈；光譜反射比；反射率Rd；黃度+b

引言

棉花的生產(chǎn)和銷售是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要內(nèi)容。顏色是衡量棉花質(zhì)量重要參數(shù)之一。雨量、冰凍、病蟲、霉菌以及受到的污染、儲藏過程的水分和溫度條件等都會影響棉花顏色。棉花的顏色是由反射率(Rd)和黃度(+b)來表示的[1]，反射率表明棉花的明亮程度，而黃度顯示棉花中含色素的程度。

近百年來，美國農(nóng)業(yè)部(USDA)在全球推廣Nikerson-Hunter色度系統(tǒng)進(jìn)行顏色計(jì)算，利用45°照明，垂直探測(45/0或記作45°x:0°)方法進(jìn)行棉花色度量值測量[2],通過棉花色度測量裝置和校正色板，已經(jīng)成為世界棉花色度量值實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)的保存者和傳遞者。但其棉花量值不溯源至NIST或任何計(jì)量機(jī)構(gòu)，而采取獨(dú)立保存量值、傳遞量值的方法。這樣的方法在國際棉花行業(yè)內(nèi)已持續(xù)了數(shù)十年。

為盡早解決棉花色度質(zhì)檢中我國自行保存、傳遞與監(jiān)控等能力，全國色度基準(zhǔn)保存單位中國計(jì)量科學(xué)研究院與國家纖維紡織服裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心聯(lián)合研制了氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置，以建立我國棉花色度量值的自行保存、傳遞能力。

1 裝置組成與測量原理

棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置采用脈沖氙氣燈以45°方向照明被測樣品，在樣品法線方向進(jìn)行探測，核心組成部件包括：氙氣閃光燈、CCD光譜儀、同步控制單元、光纖取樣器及其它光學(xué)附件，見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of configuration and principle of the facility

2 技術(shù)關(guān)鍵

氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置的技術(shù)關(guān)鍵包括：棉花校正色板的量值溯源、探測器與脈沖光源的同步采樣以及光源強(qiáng)度穩(wěn)定性補(bǔ)償。

2.1 量值溯源

根據(jù)國際和國內(nèi)的棉花色度測量的現(xiàn)狀，在研制棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置時考慮到兩個方面的問題：①棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)溯源至我國色度計(jì)量基準(zhǔn)，進(jìn)而和國際計(jì)量領(lǐng)域平均值接軌；②測量的量值要尊重歷史慣例，與國際棉花領(lǐng)域現(xiàn)行量值一致。因此，棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置利用光譜分析方法，通過校正色板的光譜反射因數(shù)，確定色度國家基準(zhǔn)傳遞的量值和美國農(nóng)業(yè)部傳遞的量值的關(guān)系系數(shù)后，進(jìn)行量值傳遞。這種方法既保證了棉花色度量值的行業(yè)特點(diǎn)和數(shù)值一致性，又將棉花色度量值納入到計(jì)量的軌道中來。

色度國家基準(zhǔn)依據(jù)國際照明委員會的標(biāo)準(zhǔn)幾何條件建立，參加了國際計(jì)量局光度輻射度咨詢委員會組織的13個國家實(shí)驗(yàn)室(包括NIST)光譜漫反射比國際關(guān)鍵比對(比對代號：CCPR-K5)，經(jīng)過比對的量值與國際平均值接軌。

棉花色度量值溯源過程如圖2所示：

圖2 棉花色度量值溯源圖Fig.2 Source-tracing chart of the value of cotton color

該裝置將統(tǒng)一全國棉花標(biāo)準(zhǔn)色板的色度值，通過棉花測色儀進(jìn)一步將量值傳遞到棉花，和國際棉花領(lǐng)域色度量值接軌。

2.2 探測器與脈沖光源同步采樣

采用同步控制單元作為控制脈沖氙燈閃光與CCD探測器采樣同步工作的機(jī)構(gòu)。同步控制單元接口為USB，內(nèi)部由單片機(jī)(MCU)進(jìn)行時序、接口處理工作。同步控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)及控制方式如圖3所示。

圖3 同步控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of synchrocontrol unit

2.3 光源強(qiáng)度穩(wěn)定性補(bǔ)償

相比鎢燈等較穩(wěn)定的光源，脈沖氙燈兩次閃光的強(qiáng)弱變化會導(dǎo)致測量結(jié)果不一致。氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置采用“漫射體光纖同步取樣器”，耦合雙CCD陣列探測器作為接收元件，實(shí)現(xiàn)對雙氙燈強(qiáng)度與光譜的同時監(jiān)控。與傳統(tǒng)的積分球漫射輸出及球壁取樣方法相比具有體積小，光輸出衰減少的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了“同步雙通道光譜儀法”，將閃光強(qiáng)度不一致性由2%降至0.3%，同時還解決了閃光光譜波動導(dǎo)致的測色偏差。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 重復(fù)性

取一套購自美國農(nóng)業(yè)部(USDA)的校正色板，

分別對WHITE、BROWN、YELLOW、GRAY和CENTRAL重復(fù)測量5次，測量結(jié)果如表1所示。

表1 氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置測量校正色板的重復(fù)性Table 1 Repeatability of the calibration plate for xenon lamp type cotton colorimetric standard device

表1中數(shù)據(jù)顯示：氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置測量校正色板反射率Rd和黃度+b的標(biāo)準(zhǔn)偏差sRd和s+b均小于0.1。

3.2 一致性

選取六套購自USDA的校正色板，以其中一套校正色板的Rd和+b數(shù)據(jù)校準(zhǔn)氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置，測量其他五套的Rd和+b，每個色板取三次測量的平均值作為測量結(jié)果，其與USDA校正色板的一致性如表2所示。

表2 氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置測量數(shù)據(jù)與USDA校正色板量值的一致性Table 1 The consistency of color standard xenon lamp type cotton device measurement data and USDA value in normal school

表2中數(shù)據(jù)顯示：氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置測量結(jié)果與USDA的量值一致性ΔRd≤±0.4，Δ+b≤±0.4。需要說明的是，多塊校正色板經(jīng)USDA賦值相同(例如3塊WHITE色板，其Rd均為84.2，+b均為3.8)，其光譜反射比曲線存在差異，相應(yīng)的Rd和+b亦有不同。因此，選用不同的校正色板定標(biāo)，五套色板的測量結(jié)果與USDA量值的一致性略有不同，對應(yīng)色板的ΔRd與Δ+b與表2中數(shù)據(jù)約有0.1～0.2的差異。

4 結(jié)論

氙燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置利用光譜法測量棉花校正色板的色度值并溯源至色度國家基準(zhǔn)，與之前研制的鎢燈型棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置共同實(shí)現(xiàn)了棉花色度量值與色度國家基準(zhǔn)的完整溯源，從而可以通過國際比對與國際計(jì)量量值接軌。標(biāo)準(zhǔn)裝置測量結(jié)果與USDA的一致性：ΔRd≤±0.4，Δ+b≤±0.4；重復(fù)性：sRd和s+b均小于0.1，建立了保存與傳遞棉花色度量值的能力。

在今后的工作中，一方面仍需要通過不斷提升色度國家基準(zhǔn)測量不確定度水平和參加國際比對，以高水平實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)與測量能力的國際互認(rèn)；另一方面積極進(jìn)行LED光源棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制以建立新型光源棉花測色儀的量值傳遞能力。

[1] 棉花測色儀檢定規(guī)程：JJG 917—1996.

[2] 棉花顏色試驗(yàn)方法——測色儀法：GB/T 13784—1992.

Development of Standard Measurement Facility of Cotton Color with Xenon Lamp

MA Yu1, Lü Liang1, ZHAG Baoguo2, TANG Wei2

(1.NationaInstituteofMetrology,Beijing100029,China; 2.ChinaFiberInspectionBureau,Beijing100007,China)

Cotton color is one of the key parameters for evaluation of cotton quality. China do not have the capability to realize and maintain the scale of cotton color and the scale used to trace to USDA. National Institute of Metrology and China Fiber Inspection Bureau developed a standard apparatus for cotton color, in which sample illuminated by xenon lamp, reflection signal detected by CCD detector, spectral reflectance of sample is measured and the reflectanceRdand yellowness +bcan be calculated.

cotton color;xenon lamp;spectral reflectance; reflectanceRd; yellowness +b.

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.006