氙灯型棉花色度标准装置研究

马 煜，吕 亮，张保国， 唐 维

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.中国纤维检验局，北京 100007)

氙灯型棉花色度标准装置研究

马 煜1，吕 亮1，张保国2， 唐 维2

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.中国纤维检验局，北京 100007)

颜色是衡量棉花质量的重要参数之一。长期以来，我国的棉花色度量值来源于美国农业部，没有自行复现、保存棉花色度量值的能力。中国计量科学研究院与中国纤维检验局合作研制的氙灯型棉花色度标准装置采用脉冲氙灯照明样品，CCD探测器分光谱接收的方法，测量可见波段光谱反射比并计算得到棉花校正色板的反射率Rd和黄度+b，量值溯源至色度国家基准。解决了我国自行保存、复现棉花色度量值的问题。

棉花颜色；氙灯；光谱反射比；反射率Rd；黄度+b

引言

棉花的生产和销售是我国国民经济的重要内容。颜色是衡量棉花质量重要参数之一。雨量、冰冻、病虫、霉菌以及受到的污染、储藏过程的水分和温度条件等都会影响棉花颜色。棉花的颜色是由反射率(Rd)和黄度(+b)来表示的[1]，反射率表明棉花的明亮程度，而黄度显示棉花中含色素的程度。

近百年来，美国农业部(USDA)在全球推广Nikerson-Hunter色度系统进行颜色计算，利用45°照明，垂直探测(45/0或记作45°x:0°)方法进行棉花色度量值测量[2],通过棉花色度测量装置和校正色板，已经成为世界棉花色度量值实际标准的保存者和传递者。但其棉花量值不溯源至NIST或任何计量机构，而采取独立保存量值、传递量值的方法。这样的方法在国际棉花行业内已持续了数十年。

为尽早解决棉花色度质检中我国自行保存、传递与监控等能力，全国色度基准保存单位中国计量科学研究院与国家纤维纺织服装产品质量监督检验中心联合研制了氙灯型棉花色度标准装置，以建立我国棉花色度量值的自行保存、传递能力。

1 装置组成与测量原理

棉花色度标准装置采用脉冲氙气灯以45°方向照明被测样品，在样品法线方向进行探测，核心组成部件包括：氙气闪光灯、CCD光谱仪、同步控制单元、光纤取样器及其它光学附件，见图1。

图1 系统总体结构及原理示意图Fig.1 Schematic diagram of configuration and principle of the facility

2 技术关键

氙灯型棉花色度标准装置的技术关键包括：棉花校正色板的量值溯源、探测器与脉冲光源的同步采样以及光源强度稳定性补偿。

2.1 量值溯源

根据国际和国内的棉花色度测量的现状，在研制棉花色度标准装置时考虑到两个方面的问题：①棉花色度标准装置的标准值应溯源至我国色度计量基准，进而和国际计量领域平均值接轨；②测量的量值要尊重历史惯例，与国际棉花领域现行量值一致。因此，棉花色度标准装置利用光谱分析方法，通过校正色板的光谱反射因数，确定色度国家基准传递的量值和美国农业部传递的量值的关系系数后，进行量值传递。这种方法既保证了棉花色度量值的行业特点和数值一致性，又将棉花色度量值纳入到计量的轨道中来。

色度国家基准依据国际照明委员会的标准几何条件建立，参加了国际计量局光度辐射度咨询委员会组织的13个国家实验室(包括NIST)光谱漫反射比国际关键比对(比对代号：CCPR-K5)，经过比对的量值与国际平均值接轨。

棉花色度量值溯源过程如图2所示：

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

该装置将统一全国棉花标准色板的色度值，通过棉花测色仪进一步将量值传递到棉花，和国际棉花领域色度量值接轨。

2.2 探测器与脉冲光源同步采样

采用同步控制单元作为控制脉冲氙灯闪光与CCD探测器采样同步工作的机构。同步控制单元接口为USB，内部由单片机(MCU)进行时序、接口处理工作。同步控制单元内部结构及控制方式如图3所示。

图3 同步控制单元内部结构Fig.3 Internal structure of synchrocontrol unit

2.3 光源强度稳定性补偿

相比钨灯等较稳定的光源，脉冲氙灯两次闪光的强弱变化会导致测量结果不一致。氙灯型棉花色度标准装置采用“漫射体光纤同步取样器”，耦合双CCD阵列探测器作为接收元件，实现对双氙灯强度与光谱的同时监控。与传统的积分球漫射输出及球壁取样方法相比具有体积小，光输出衰减少的优点。实现了“同步双通道光谱仪法”，将闪光强度不一致性由2%降至0.3%，同时还解决了闪光光谱波动导致的测色偏差。

3 实验数据

3.1 重复性

取一套购自美国农业部(USDA)的校正色板，

分别对WHITE、BROWN、YELLOW、GRAY和CENTRAL重复测量5次，测量结果如表1所示。

表1 氙灯型棉花色度标准装置测量校正色板的重复性Table 1 Repeatability of the calibration plate for xenon lamp type cotton colorimetric standard device

表1中数据显示：氙灯型棉花色度标准装置测量校正色板反射率Rd和黄度+b的标准偏差sRd和s+b均小于0.1。

3.2 一致性

选取六套购自USDA的校正色板，以其中一套校正色板的Rd和+b数据校准氙灯型棉花色度标准装置，测量其他五套的Rd和+b，每个色板取三次测量的平均值作为测量结果，其与USDA校正色板的一致性如表2所示。

表2 氙灯型棉花色度标准装置测量数据与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中数据显示：氙灯型棉花色度标准装置测量结果与USDA的量值一致性ΔRd≤±0.4，Δ+b≤±0.4。需要说明的是，多块校正色板经USDA赋值相同(例如3块WHITE色板，其Rd均为84.2，+b均为3.8)，其光谱反射比曲线存在差异，相应的Rd和+b亦有不同。因此，选用不同的校正色板定标，五套色板的测量结果与USDA量值的一致性略有不同，对应色板的ΔRd与Δ+b与表2中数据约有0.1～0.2的差异。

4 结论

氙灯型棉花色度标准装置利用光谱法测量棉花校正色板的色度值并溯源至色度国家基准，与之前研制的钨灯型棉花色度标准装置共同实现了棉花色度量值与色度国家基准的完整溯源，从而可以通过国际比对与国际计量量值接轨。标准装置测量结果与USDA的一致性：ΔRd≤±0.4，Δ+b≤±0.4；重复性：sRd和s+b均小于0.1，建立了保存与传递棉花色度量值的能力。

在今后的工作中，一方面仍需要通过不断提升色度国家基准测量不确定度水平和参加国际比对，以高水平实现校准与测量能力的国际互认；另一方面积极进行LED光源棉花色度标准装置的研制以建立新型光源棉花测色仪的量值传递能力。

[1] 棉花测色仪检定规程：JJG 917—1996.

[2] 棉花颜色试验方法——测色仪法：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