馬 煜，呂 亮，張保國(guó)， 唐 維

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.中國(guó)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(guó)2， 唐 維2

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.中國(guó)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(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的棉花色度量值來(lái)源于美國(guó)農(nóng)業(yè)部，沒(méi)有自行復(fù)現(xiàn)、保存棉花色度量值的能力。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院與中國(guó)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(cè)器分光譜接收的方法，測(cè)量可見(jiàn)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(guó)家基準(zhǔn)。解決了我國(guó)自行保存、復(fù)現(xiàn)棉花色度量值的問(wèn)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(guó)國(guó)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(chǔ)藏過(guò)程的水分和溫度條件等都會(huì)影響棉花顏色。棉花的顏色是由反射率(Rd)和黃度(+b)來(lái)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(lái)，美國(guó)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(cè)(45/0或記作45°x:0°)方法進(jìn)行棉花色度量值測(cè)量[2],通過(guò)棉花色度測(cè)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(guó)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(guó)自行保存、傳遞與監(jiān)控等能力，全國(guó)色度基準(zhǔn)保存單位中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院與國(guó)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(guó)棉花色度量值的自行保存、傳遞能力。

1 裝置組成與測(cè)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(cè)樣品，在樣品法線方向進(jìn)行探測(cè)，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(jiàn)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(cè)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(guó)際和國(guó)內(nèi)的棉花色度測(cè)量的現(xiàn)狀，在研制棉花色度標(biāo)準(zhǔn)裝置時(shí)考慮到兩個(gè)方面的問(wèn)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(guó)色度計(jì)量基準(zhǔn)，進(jìn)而和國(guó)際計(jì)量領(lǐng)域平均值接軌；②測(cè)量的量值要尊重歷史慣例，與國(guó)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(guò)校正色板的光譜反射因數(shù)，確定色度國(guó)家基準(zhǔn)傳遞的量值和美國(guó)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(lái)。

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

棉花色度量值溯源過(guò)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(guó)棉花標(biāo)準(zhǔn)色板的色度值，通過(guò)棉花測(cè)色儀進(jìn)一步將量值傳遞到棉花，和國(guó)際棉花領(lǐng)域色度量值接軌。

2.2 探測(cè)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(cè)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(shí)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(huì)導(dǎo)致測(cè)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(cè)器作為接收元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙氙燈強(qiáng)度與光譜的同時(shí)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(shí)還解決了閃光光譜波動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)色偏差。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 重復(fù)性

取一套購(gòu)自美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)的校正色板，

分別對(duì)WHITE、BROWN、YELLOW、GRAY和CENTRAL重復(fù)測(cè)量5次，測(cè)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(cè)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(cè)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(gòu)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(cè)量其他五套的Rd和+b，每個(gè)色板取三次測(cè)量的平均值作為測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果與USDA的量值一致性ΔRd≤±0.4，Δ+b≤±0.4。需要說(shuō)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(cè)量結(jié)果與USDA量值的一致性略有不同，對(duì)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(cè)量棉花校正色板的色度值并溯源至色度國(guó)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(guó)家基準(zhǔn)的完整溯源，從而可以通過(guò)國(guó)際比對(duì)與國(guó)際計(jì)量量值接軌。標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)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(guò)不斷提升色度國(guó)家基準(zhǔn)測(cè)量不確定度水平和參加國(guó)際比對(duì)，以高水平實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)與測(cè)量能力的國(guó)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(cè)色儀的量值傳遞能力。

[1] 棉花測(cè)色儀檢定規(guī)程：JJG 917—1996.

[2] 棉花顏色試驗(yàn)方法——測(cè)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