籽棉顏色級檢測儀的研制

〔安徽財經大學，安徽蚌埠233041〕

自2013年9月1日正式實施GB 1103.1—2012（棉花第1部分：鋸齒加工細絨棉），全面推行儀器化公證檢驗（顏色級檢驗）以來，我國棉花檢驗體制發生了根本變化，皮棉質量檢驗做到了智能、快速、高效，實現了與國際接軌。然而，在涉及農商貿易以及棉農、軋花廠實際利益的籽棉收購環節，卻很少根據顏色級收購籽棉，甚至在實際收購工作中根本不按照籽棉收購檢驗相關規定執行，而且各地執行標準和結算方法不盡一致。如何進行籽棉顏色級檢驗，并確定籽棉顏色級與皮棉顏色級的關系，一直是業內亟待解決的問題，也是困擾該環節工作的難題。

大量的對比試驗表明，現有的棉花顏色分級儀還不能適應籽棉顏色級檢驗的需要。如果直接將皮棉顏色級檢測儀器應用于籽棉顏色級檢驗，則檢驗誤差非常大，檢驗的結果也不能使籽、皮棉一一對應。為此，開展籽棉顏色級快速檢測技術研究，研制適用于籽棉收購檢驗的快速檢測儀器，對保證籽棉收購的科學性、合理性，以及籽棉質量檢驗的準確性具有重要意義。

鑒于籽棉樣品分布的特殊性（單粒籽棉品質差異明顯、分布不均勻、棉瓣間相互差異大），加上回潮率含雜率影響顯著、檢驗樣品密度難以掌握等，要實現對其顏色的穩定測量比較困難。對此，我們進行了針對性實驗，并對光源的選擇、照射方式、傳感器的排列與信號采集、測試環境要求等進行了專門研究與設計，研制開發了籽棉顏色級檢測儀器。

一、棉花顏色級的測量原理

（一）反射率與黃度的計算

光澤和顏色是棉花顏色特征的兩個方面，既是棉纖維外表的物理反映，又與纖維內在質量有密切關系。棉花的光澤是指棉纖維反射光線的性能，以人所感覺到的光亮程度來衡量，使用反射率（Rd）表示。同等光照條件下，光澤的好壞與棉纖維成熟程度及表面狀態有密切關系。總體而言，成熟好、纖維表面平滑、蠟質好，光澤就好；反之，光澤差。棉纖維在白色光源照射下對不同波長的光吸收、反射能力不同，反映到人眼中，這種視覺現象用黃度（+b）表示。反射率（Rd）和黃度（+b）是棉花顏色特征的數量指標，據此確定的顏色級是棉花質量檢驗的重要指標之一，也是棉花應用和貿易結價的主要指標。

棉花顏色分級中采用Nickerson-Hunter色度空間。由于用RGB顏色空間在比配等能光譜時存在負比例，為了用三基色定義所有的顏色，國際照明委員會（CIE）定義了三種虛擬的標準基色XYZ，使顏色比例全部為正值，稱為XYZ顏色空間.XYZ空間與RGB空間的線性轉換如下：

該顏色空間包含人類所能感知的全部顏色，這與RGB顏色空間僅表示顯示器所能顯示的顏色范圍有很大差異，XYZ顏色空間的一個重要屬性是它的設備無關性。

反射率和黃度的計算公式如下：

由此，測量出物體RGB值，再轉換為X、Y、Z三刺激值，計算出Rd、+b值。

（二）顏色分級圖

我國棉花顏色分級圖如圖1所示。按照棉花顏色級分級標準，依據棉花黃色深度（+b）將棉花劃分為白棉、淡點污棉、淡黃染棉、黃染棉4種類型。依據棉花明暗程度（Rd）將白棉分5個級別，淡點污棉分3個級別，淡黃染棉分3個級別，黃染棉分2個級別，共13個級。棉花的顏色級用兩位數字表示，第一位是級別，第二位是類型。其中，白棉代號分別為：11、21、31、41、51；淡點污棉代號分別為：12、22、32；淡黃染棉代號分別為：13、23、33；黃染棉代號分別為：14、24。

圖1 顏色分級圖

皮棉顏色級檢驗時，感官檢驗對照顏色級實物標準結合顏色級文字描述確定顏色級。儀器檢驗則根據實測的Rd、+b值對照顏色分級圖（分級方程）確定相應級別。

由于本研究開發的儀器測量的是籽棉的Rd、+b，而現行的顏色分級圖是針對皮棉顏色級檢驗的，不能直接照搬使用，因此，我們通過對籽棉樣品以及試軋后對應的皮棉樣品的測量數據分析，建立了籽棉與皮棉顏色級（Rd，+b）對應關系模型，通過換算獲得籽棉顏色級結果。

二、籽棉顏色級檢測儀的結構設計

儀器的結構設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分。

（一）硬件設計

與已有的皮棉顏色級測量的設備不同，本設備由于要測量籽棉顏色級，在采集窗口大小、照明光源及顏色傳感器陣列等方面作了專門設計。其工作方式是：對稱環形LED光源照明棉花樣品，由棉花表面漫反射的光在零度方向被多路顏色傳感器接收，再由單片機組成的采集和處理系統對信號進行分析處理，輸出Rd、+b，在設備本身的小顯示器上顯示并通過RS232串口傳輸給計算機存儲，以備進一步分析處理，如圖2所示。

圖2 籽棉顏色級分析儀原理圖

由于籽棉表面不平整，在燈光的照射下，低洼處會產生陰影，影響測量結果，為抵消這種影響，加大了采樣的玻璃窗口。皮棉顏色級測量儀器中一般采用對稱45度角照明，本設備為使光線更均勻，采用環形光源。多個顏色傳感器既可以抵消傳感器本身不完全一樣而產生的誤差，也可以在一定程度上抵消籽棉表面不均勻產生的誤差，使測量結果更加穩定。

（二）軟件設計

儀器的軟件采用VS2013作為開發工具進行開發，主要由三大部分組成：一是對籽棉顏色級測試儀硬件的自動控制；二是設備校準功能；三是對測量數據存儲、打印與管理。

1.籽棉顏色級檢測儀硬件的自動控制。

系統采用串口通信技術實現了檢測儀器硬件與上位機的連接，在硬件和上位機通過數據線連接后，檢測軟件啟動過程中會自動連接檢測設備，如果連接失敗，則提示重新連接。系統連接正常后，將檢測設備的檢測部件放置于待檢測籽棉樣品上，通過軟件啟動檢測，檢測結果會自動顯示在操作界面上，整個檢測過程如圖4所示。同時，在檢測過程中，也可以啟動檢測設備上的檢測按鈕進行檢測，檢測結果會通過串口傳輸至上位機軟件界面上，如圖3所示，實現了籽棉顏色級的自動化檢測。

圖3 軟件運行結構圖

圖4 檢測流程圖

2.設備校準功能。

對于精密光學儀器來講，校準工作至關重要，不可或缺。當軟件運行一定時間，比如24小時后，為保證檢測的準確性，需要對檢測設備進行校準。校準通過軟件菜單中的白、黑板校準進行，校準過程中，根據軟件提示依次放入白板、黑板進行校準；同時，軟件還支持標準瓷板（如圖5所示）校準，進一步驗證白黑板校準的效果。

圖5 校驗用瓷板

3.數據存儲與管理。

檢測過程中，每次檢測得到的Rd、+b、顏色級、檢測時間等數據，軟件都會自動保存在數據庫中。在測量完成后，可以通過對軟件的操作，在數據管理菜單中，對測量數據進行查詢、統計、打印和導出。

三、結語

本研究開發的籽棉顏色級檢測儀，在樣品測試窗口的大小、照明光源的選擇、照射方式、傳感器的排列與信號采集、測試環境要求等進行了針對性研究與設計。并通過對籽棉樣品以及試軋后對應的皮棉樣品的測量數據分析，建立了籽棉與皮棉顏色級（Rd，+b）對應關系模型，實現了對籽棉顏色級的直接測量，也為智能化籽棉收購系統的開發提供了技術支持。☆