氙燈型棉花色度標準裝置研究

馬 煜，呂 亮，張保國， 唐 維

(1.中國計量科學研究院，北京 100029；2.中國纖維檢驗局，北京 100007)

氙燈型棉花色度標準裝置研究

馬 煜1，呂 亮1，張保國2， 唐 維2

(1.中國計量科學研究院，北京 100029；2.中國纖維檢驗局，北京 100007)

顏色是衡量棉花質量的重要參數之一。長期以來，我國的棉花色度量值來源于美國農業部，沒有自行復現、保存棉花色度量值的能力。中國計量科學研究院與中國纖維檢驗局合作研制的氙燈型棉花色度標準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。解決了我國自行保存、復現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

棉花的生產和銷售是我國國民經濟的重要內容。顏色是衡量棉花質量重要參數之一。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，美國農業部(USDA)在全球推廣Nikerson-Hunter色度系統進行顏色計算，利用45°照明，垂直探測(45/0或記作45°x:0°)方法進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，已經成為世界棉花色度量值實際標準的保存者和傳遞者。但其棉花量值不溯源至NIST或任何計量機構，而采取獨立保存量值、傳遞量值的方法。這樣的方法在國際棉花行業內已持續了數十年。

為盡早解決棉花色度質檢中我國自行保存、傳遞與監控等能力，全國色度基準保存單位中國計量科學研究院與國家纖維紡織服裝產品質量監督檢驗中心聯合研制了氙燈型棉花色度標準裝置，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

棉花色度標準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附件，見圖1。

圖1 系統總體結構及原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of configuration and principle of the facility

2 技術關鍵

氙燈型棉花色度標準裝置的技術關鍵包括：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度穩定性補償。

2.1 量值溯源

根據國際和國內的棉花色度測量的現狀，在研制棉花色度標準裝置時考慮到兩個方面的問題：①棉花色度標準裝置的標準值應溯源至我國色度計量基準，進而和國際計量領域平均值接軌；②測量的量值要尊重歷史慣例，與國際棉花領域現行量值一致。因此，棉花色度標準裝置利用光譜分析方法，通過校正色板的光譜反射因數，確定色度國家基準傳遞的量值和美國農業部傳遞的量值的關系系數后，進行量值傳遞。這種方法既保證了棉花色度量值的行業特點和數值一致性，又將棉花色度量值納入到計量的軌道中來。

色度國家基準依據國際照明委員會的標準幾何條件建立，參加了國際計量局光度輻射度咨詢委員會組織的13個國家實驗室(包括NIST)光譜漫反射比國際關鍵比對(比對代號：CCPR-K5)，經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

該裝置將統一全國棉花標準色板的色度值，通過棉花測色儀進一步將量值傳遞到棉花，和國際棉花領域色度量值接軌。

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構。同步控制單元接口為USB，內部由單片機(MCU)進行時序、接口處理工作。同步控制單元內部結構及控制方式如圖3所示。

圖3 同步控制單元內部結構Fig.3 Internal structure of synchrocontrol unit

2.3 光源強度穩定性補償

相比鎢燈等較穩定的光源，脈沖氙燈兩次閃光的強弱變化會導致測量結果不一致。氙燈型棉花色度標準裝置采用“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，實現對雙氙燈強度與光譜的同時監控。與傳統的積分球漫射輸出及球壁取樣方法相比具有體積小，光輸出衰減少的優點。實現了“同步雙通道光譜儀法”，將閃光強度不一致性由2%降至0.3%，同時還解決了閃光光譜波動導致的測色偏差。

3 實驗數據

3.1 重復性

取一套購自美國農業部(USDA)的校正色板，

分別對WHITE、BROWN、YELLOW、GRAY和CENTRAL重復測量5次，測量結果如表1所示。

表1 氙燈型棉花色度標準裝置測量校正色板的重復性Table 1 Repeatability of the calibration plate for xenon lamp type cotton colorimetric standard device

表1中數據顯示：氙燈型棉花色度標準裝置測量校正色板反射率Rd和黃度+b的標準偏差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數據校準氙燈型棉花色度標準裝置，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 氙燈型棉花色度標準裝置測量數據與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中數據顯示：氙燈型棉花色度標準裝置測量結果與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，相應的Rd和+b亦有不同。因此，選用不同的校正色板定標，五套色板的測量結果與USDA量值的一致性略有不同，對應色板的ΔRd與Δ+b與表2中數據約有0.1～0.2的差異。

4 結論

氙燈型棉花色度標準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，與之前研制的鎢燈型棉花色度標準裝置共同實現了棉花色度量值與色度國家基準的完整溯源，從而可以通過國際比對與國際計量量值接軌。標準裝置測量結果與USDA的一致性：ΔRd≤±0.4，Δ+b≤±0.4；重復性：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測量不確定度水平和參加國際比對，以高水平實現校準與測量能力的國際互認；另一方面積極進行LED光源棉花色度標準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] 棉花測色儀檢定規程：JJG 917—1996.

[2] 棉花顏色試驗方法——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